北斗导航系统详解

北斗导航系统详解一、北斗卫星导航系统工程建设的目标和主要任务1、工程建设主要目标突破以星座组网、高精度时空基准、星座自主运行为主要特征的关键技术，整合国内卫星导航资源，建成具有自主的知识产权，技术先进、稳定可靠的北斗卫星导航系统。1、工程建设主要目标2012年左右，完成三种轨道十余颗卫星的发射，建成区域系统，具备覆盖亚太地区的定位、导航、授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，完成三种轨道三十余颗卫星的发射，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。在区域系统基础上，系统功能和指标都有大幅扩展和提高。区域系统全球系统2、中国航天科技集团公司承担的主要任务中国航天科技集团公司在重大专项工程建设中主要承担卫星系统和运载系统的研制发射任务。卫星系统：GEO、IGSO、MEO三种轨道卫星的研制任务；东方红三号B和导航卫星专用平台；高精度星载原子钟、星间链路、自主导航等多项关键技术的攻关；星座长期、稳定在轨运行技术支持。直接入轨MEO卫星（专用平台）GEO卫星（DFH-3B平台）IGSO卫星（DFH-3B平台）自身变轨MEO卫星（DFH-3平台）2、中国航天科技集团公司承担的主要任务运载系统长征三号甲系列和长征五号运载火箭两种多星发射上面级的研制CZ-5CZ-3A系列双星上面级多星上面级2、中国航天科技集团公司承担的主要任务运载系统：GEO、IGSO、MEO三种轨道卫星的发射任务CZ-3A系列一箭一星发射GEO/IGSO卫星CZ-3B一箭双星发射自身变轨MEO卫星CZ-3B+双星上面级一箭双星发射直接入轨MEO卫星CZ-5+多星上面级一箭四星发射直接入轨MEO卫星3、卫星导航系统工程建设目标自主创新，建立高性能、高可靠的卫星导航系统，实现卫星导航技术的重大跨越；实施重大专项工程，推动航天科技工业转型升级，实现系统工程能力的重大跨越；建设全球卫星导航系统，推动国家战略性新兴产业发展，实现航天技术应用产业的重大跨越；推进关键单机和核心元器件的国产化，实现核心技术与产品自主保障能力的重大跨越；吸引和培养高素质人才，形成一流创新团队，实现队伍能力的重大跨越。二、航天系统工程的发展及北斗卫星导航系统工程建设面临的挑战1、中国航天系统工程发展

航天系统工程理论和方法是以钱学森为代表的中国航天工作者在具体工程实践中，将科学技术创新、组织管理创新和体制机制创新有机结合，将还原论与整体论辨证有机地统一，形成的解决复杂工程系统研制与建设的集成创新的理论和方法。1958年，钱学森的《工程控制论》中文版出版，奠定了中国系统工程的理论基础；20世纪60至70年代，“两弹一星”等国家重大项目开始系统工程方法的摸索与实践；20世纪80至90年代，航天器型号设立总指挥和总设计师两条指挥线，明确了总指挥作为航天器型号负责人，型号系统工程与项目管理进一步发展；20世纪90年中期以来，是中国航天系统工程全面发展的阶段，形成了诸如“集同设计”、“重心前移”、“从源头抓起”、“零缺陷管理”的系统工程管理思想以及质量问题归零“双五条”、技术状态更改“五条”、“风险分析与控制要求”、元器件管理“五统一”等一系列方法规范；通过载人航天工程及探月工程等重大项目的实践，系统工程和项目管理理念和方法进一步改进，并不断的向规范化方向发展。2006年10月，神舟六号系统工程实践荣获国际项目管理协会评选的年度唯一卓越大奖。2、航天系统工程形成的核心能力经过54年的探索和实践，中国航天科技集团在航天系统工程方法、程序、工具、手段及团队建设、航天文化等方面形成了独特的核心能力，是完成北斗导航系统的重要基础。（1）以研发为基础的发展战略研究能力200520102015202020252030“十二五”宇航业务发展规划2020年航天科技发展战略2030年航天科技发展战略（2）复杂航天系统数字化集同设计环境（3）复杂系统可靠性设计方法和程序以及风险识别与控制能力“九新”分析方法航天型号风险分析与控制指南包络线分析法FMEA抗力学环境设计热设计降额设计抗辐射设计电磁兼容设计静电防护设计可靠性验证关键器件的使用++（4）复杂系统精细化质量管理方法与程序航天型号质量精细化质量管理要求质量归零“双五条”技术状态更改“五条”元器件管理“五统一”质量与可靠性数据包（5）大系统工程及项目管理方法与程序责任令和计划考核体系项目经理负责制航天型号管理规定卫星、火箭研制程序神舟飞船系统工程管理航天型号项目管理手册等（6）经过飞行验证的技术、产品、管理标准和规范；QJ和QJA标准3500项院级企业标准15000项其中技术标准10800项、产品标准2600项、管理标准5100项QJ和QJA标准院级企业标准（7）经过飞行验证的型谱化成熟产品体系；空间单机产品型谱（含12个专业78类1252个产品）运载单机产品型谱（6个专业36类458个产品）现役运载火箭整箭型谱（5个系列10型）卫星公用平台型谱（9系列21型）产品成熟度标准（8）航天器系统集成及地面验证能力具备5个航天器大型AIT中心和2个运载AIT中心，具备年出厂20-25个航天器和20发运载的总装、总测和试验能力。（9）跨学科集成创新团队快速成长的管理模式5个卫星总体设计部2个运载总体设计部8个型号系统级研发中心团队总设计师、总指挥200多人100多个配置齐全的项目管理队伍（10）独特的航天文化两弹一星精神航天精神载人航天精神神舟文化等认真分析全球卫星导航系统建设任务的特点和难点，对顺利实施重大专项工程有重要意义。（1）面向全球竞争全球卫星导航系统轨位和频率资源非常稀缺，争取更多资源是系统建设任务的重要使命，充分利用好有限的频率和轨道资源提供高性能服务是工程建设的关键。3、二代导航任务特点和难点（2）面向全球公众服务系统连续性、可用性和完好性要求高；自主运行、控制、健康诊断及处理能力强；星座系统复杂，可靠性设计难度大。（3）技术跨度大北斗全球卫星导航系统是我国第一个全球星座系统，性能较区域系统大幅提升，关键技术攻关难度大。星载原子钟天稳提高一个数量级；自主导航技术；星间链路技术。（4）长寿命要求高北斗卫星导航系统要求MEO卫星10年提供连续稳定服务，一步达到当前国外先进水平；要求陀螺、行波管放大器、锂离子电池、PCU等众多关键单机和部分空间活动机构长期连续稳定运行；单粒子效应等空间环境问题严重，MEO轨道辐照总剂量水平远远高于GEO轨道。

型号GPSIGPSII/IIAGPSIIR/IIMGPSIIF（在研）GPSIII（在研）寿命4.5年7.5年10年15年15年型号GLONASSGLONASS-MGLONASS-K（在研）

寿命3年7年10~12年

（5）核心元器件/部件国产化难度大约有200余种进口元器件和6类核心单机产品需要国产化替代；当前在性能指标、质量等级和长寿命高可靠等方面基础尚比较薄弱。（6）产品一致性要求高北斗导航系统星箭配套产品数量多，组批生产模式要求产品具有很高的一致性，对产品保证体系，产品过程控制、工艺稳定性和技术状态控制等方面的质量管理提出更高的要求。（7）快速组网、灵活补网5年左右的时间完成30余颗组网卫星和20余发运载火箭的发射任务；对单机产品的组批生产能力和质量保证能力要求高；并行总装、测试和高密度发射能力要求高；维持星座稳定运行灵活补网能力要求高。尽管中国航天科技集团公司在北斗卫星导航试验系统和区域系统建设中积累了一定的经验，但面对全球系统建设的特点和难点，仍然面临诸多挑战。（1）复杂系统工程组织管理作为涉及研制单位众多、组网卫星数量最多的宇航工程，传统的组织管理模式难以适应任务要求。需要在高效率顶层决策、各系统组织协调、举国体制效能发挥及项目精细化控制等方面需要进一步探索和实践。

4、面临挑战（2）大系统总体方案优化信号体制、发射组网策略、入轨方式等因素协调和决策难度大，将直接制约卫星和运载系统方案优化和确定。（3）建立开放的技术创新体系发挥中国航天科技集团公司的整体优势，并通过广泛的产学研合作集智攻关是工程建设的有效途径，但如何建立良性竞争机制，完善科学、技术和工程协调体系是当前面临的重要课题。（4）复杂星座的控制与管理较之于区域系统星座在轨运行管理，全球系统在轨运行卫星数量多、覆盖面积大、运行控制模式更为复杂。因此，给复杂星座的在轨运行管理、技术支持和应急处理等带来很大挑战。（5）关键产品国产化国内基础工业水平相对薄弱，部分国产化产品的研制进度、性能和可靠性指标、质量等级、供货能力等与工程建设要求尚有较大差距。（6）科研院所转型升级传统的科研院所多采用面向单一型号的科研生产和质量管理体系，其在生产线建设、产品队伍组织及相应运行机制等方面不适应批量化、货架式的产业模式，产业转型势在必行。（7）精细化质量管理面对组批研制和快速组网的要求，在提升产品成熟度、建立质量问题归零、举一反三的快速反应机制等方面需要完善，在产品保证体系的高效性和质量管理的精细化等方面有待提高。（8）人才队伍建设以单一型号为主的队伍组织模式不适应星座系统建设要求，创新型团队建设和高素质人才培养，特别是领军人才的加速培养是当务之急。三、自主创新，加速航天科技工业转型升级打造国际一流卫星导航系统1、提高复杂系统工程组织管理能力探索总体设计和系统集成联合工作模式，建立联合项目办；强化复杂系统顶层策划、系统抓总和高效决策能力；强化复杂系统全寿命周期风险识别与控制能力；强化项目研制全过程精细化管理能力。2、加强顶层设计，提高系统优化能力整合优势资源，组建导航卫星工程中心和运载火箭上面级专职研制队伍；对标国际一流水平，把握全球系统发展规律，加强系统顶层协同设计，优化设计方案，保证系统先进性；加强系统可靠性设计，识别风险和关键环节，保证星座和卫星系统高可靠；科学规划星座组网、补网和备份策略，确保星座系统的连续稳定运行。3、集智攻关、吃透技术发挥中国航天科技集团公司整体优势，广泛联合国内优势力量开展产学研大协作，突破关键技术；加强系统任务分析，合理分解技术指标；加强设计和可靠性的地面和在轨试验验证，充分验证方案设计正确性和产品可靠性；建立对导航重大技术问题的独立评估机制，提高工程建设风险的识别和控制能力。4、加强基础研究针对单粒子、表面充放电等空间环境效应开展试验与分析研究；通过建立卫星抗辐射技术国防科技重点实验室等手段，大力提升星上产品抗辐射能力；深入开展地面试验验证方法的研究和手段建设；加强在轨数据分析与应用，支持模型修正与设计改进。5、完善数字化设计与仿真验证平台加强数字化设计工具应用，提升设计、仿真验证能力；完善网络数字化设计环境，提高异地协同设计能力；充分继承已有成果和经验，集成、固化设计规范和质量案例，实现知识和经验的及时共享。6、实施国产化专项工程借助北斗卫星导航系统建设，推动关键产品国产化替代工作，加速核心元器件/部件国产化进程，改变受制于人的局面；充分开展地面及在轨试验验证，确保国产化元器件/部件的性能指标、可靠性满足工程需要。7、推进产品定型、加速提升产品成熟度充分继承成熟技术，做好产品定型与货架式产品管理，提高产品成熟度，满足长寿命高可靠要求；制定产品成熟度规范和标准体系框架，形成“择优选用、系统最优”的工作机制，确保在短期内研制出高水平产品。8、加强精细化质量管理以产品数据包为核心，严格控制技术状态、强化产品工艺管理，精细化管理产品过程质量；建立面向小批量生产精细化质量管理程序与方法；建立全球卫星导航系统设计规范、产品规范、管理规范和产品保证规范等一系列标准体系。9、加强科研生产体系建设建立研制单位科研生产和质量管理体系项目全生命周期持续评估机制，持续提升管理成熟度；建立重大短线、共性问