1957年美國(guó)兩位科學(xué)家在跟蹤蘇聯(lián)首顆衛(wèi)星時(shí)無(wú)意中發(fā)現(xiàn)，收到的無(wú)線電信號(hào)有多普勒頻移效應(yīng)，即衛(wèi)星在飛近地面接收機(jī)時(shí)收到的無(wú)線電頻率逐漸增高，飛遠(yuǎn)時(shí)則逐漸降低。科學(xué)家對(duì)這種現(xiàn)象認(rèn)真研究后產(chǎn)生靈感，衛(wèi)星的軌道可由地面站測(cè)得的多普勒頻移曲線確定，若知道衛(wèi)星的[敏感詞]軌道，就能確定地面接收機(jī)的位置。從此就產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航概念，這個(gè)概念首先被美國(guó)軍方采用，準(zhǔn)備用于對(duì)核潛艇導(dǎo)航，從而提高隱蔽性，達(dá)到長(zhǎng)期（1-2年）潛伏的目的。為此,美國(guó)在上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始研制,並成功發(fā)射20多顆子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星，緊接上世紀(jì)80年代--90年代先后出現(xiàn)美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS)；蘇聯(lián)格洛納斯(GLONASS)；歐盟伽利略(Galileo)導(dǎo)航衛(wèi)星也追上。

本世紀(jì)初期印度與日本積極開(kāi)發(fā)區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),2009 年我國(guó)研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),，從2001年開(kāi)始發(fā)射北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，至2020年上半年完成北斗三號(hào)最后一顆衛(wèi)星，20年時(shí)間連續(xù)不斷成功發(fā)射59顆衛(wèi)星，從2017年11月5日至2018年11月19日，1年時(shí)間，完成北斗三號(hào)系統(tǒng)10箭19星超高密度發(fā)射，創(chuàng)造了世界航天史奇跡。半個(gè)多世紀(jì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展速度是飛快的，對(duì)軍民應(yīng)用是巨大的。

為此本文將進(jìn)行較系統(tǒng)全面論述50年來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用:首先討論導(dǎo)航衛(wèi)星產(chǎn)生與子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);其次介紹全球?qū)Ш较到y(tǒng)(GPS);格洛納斯(GLONASS);伽利略(Galileo),以及區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星(印度與日本);最后論證中國(guó)發(fā)展北斗導(dǎo)航衛(wèi)星三步走的正確性與輝煌成果,以及提出創(chuàng)新性反向GPS全球三維定位系統(tǒng)。

2.初期—子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星

美國(guó)子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星采用雙曲面交會(huì)定位原理，用戶(hù)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)，根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)，測(cè)定用戶(hù)到導(dǎo)航衛(wèi)星的相對(duì)速度，得到用戶(hù)到兩顆導(dǎo)航衛(wèi)星的距離差，從而構(gòu)成兩個(gè)以上的雙曲面，再通過(guò)雙曲面相交形成雙曲面交會(huì)點(diǎn)，從而推算出用戶(hù)位置。美國(guó)于1960年4開(kāi)始發(fā)射的“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星，正式使用在上世紀(jì)60年代末期到70年代。

子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用4-5顆衛(wèi)星組成星座,見(jiàn)圖-1右邊所示,衛(wèi)星采用重力梯度姿態(tài)穩(wěn)定,指向精度5-10度,衛(wèi)星見(jiàn)圖-1左邊所示。軌道高度1000公里圓軌道,定位精度約50-100米.不能連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航、兩次定位時(shí)間間隔很長(zhǎng)、只能提供二維定位，對(duì)高速移動(dòng)物體定位精度誤差很大。

  
圖-1   子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星和星座

圖-2  子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)組成

2.全球?qū)Ш叫l(wèi)星

1.）全球?qū)Ш较到y(tǒng)(GPS)

由美國(guó)[敏感詞]部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶(hù)提供低成本、高精度的三維位置、速度和[敏感詞]授時(shí)等導(dǎo)航信息。GPS可以提供車(chē)輛定位、防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控及呼叫指揮等功能，要實(shí)現(xiàn)以上所有功能必須具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺(tái)三個(gè)要素。        GPS軌道高度約20200公里，傾角55度,由24顆衛(wèi)星組成星座,衛(wèi)星分布在6條交點(diǎn)互隔60度的軌道,軍民兩用,軍用定位精度優(yōu)于1米;民用約10米。GPS星座見(jiàn)圖-3所示。

圖-3   GPS星座

GPS 1994年正式投入使用,至今已有20多年,一邊使用,一邊發(fā)展技術(shù),提高使用水平,總共發(fā)射29顆衛(wèi)星,近期GPS發(fā)展第二代第三代,衛(wèi)星技術(shù)與星上設(shè)備更新?lián)Q代,圖-4表示衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)改變。圖左邊為第三代GPS衛(wèi)星,重量3883公斤,其中燃料1414 公斤,2019年成功發(fā)射。GPS-III全部運(yùn)行后，將構(gòu)建33顆MEO和GEO衛(wèi)星相結(jié)合的GPS混合型星座。混合星座結(jié)構(gòu)能更好地提高用戶(hù)的定位精度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。

 
圖-4   GPS衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)改變

GPS與北斗3號(hào)互相比美,北斗3號(hào)有星間鍵路，星座位置自主保待，而且有三種混合軌道,可靠性連續(xù)性略高于GPS，而且北斗3號(hào)定位延時(shí)小，北斗3號(hào)未來(lái)技術(shù)性能還可持續(xù)提升。

2.) 格洛納斯(GLONASS)

俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有工作衛(wèi)星21顆，，同時(shí)還有3顆備份衛(wèi)星，共24顆衛(wèi)星均布于3個(gè)軌道平面的相互夾角按升交點(diǎn)經(jīng)度計(jì)算為120°，編號(hào)按地球自西向東的旋轉(zhuǎn)方向遞增，分別為No．1、No．2、No．3。1～8號(hào)衛(wèi)星在No．1軌道，其余類(lèi)推。各軌道的衛(wèi)星編號(hào)均按衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的反方向遞增。軌道傾角64．8°±0．3°，軌道偏心率為±0．01。衛(wèi)星距地面高度為1．91萬(wàn)km，運(yùn)行周期為1 1h15m45 s。由于GLONASS衛(wèi)星軌道傾角大于GPS衛(wèi)星的軌道傾角，故在高緯度(50度以上)地區(qū)的可視性較好。地面用戶(hù)每天提前4．07min見(jiàn)到同一顆衛(wèi)星，在中國(guó)境內(nèi)可見(jiàn)到24顆中高度角5度以上的11顆衛(wèi)星，比能夠見(jiàn)到的GPS衛(wèi)星要多3～4顆。每顆GLONASS衛(wèi)星上都裝有銫原子鐘，以產(chǎn)生高穩(wěn)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，并向所有星載設(shè)備提供同步信號(hào)。星載計(jì)算機(jī)將從地面控制站接收到的信息進(jìn)行處理，生成導(dǎo)航電文向地面用戶(hù)播發(fā)。     

圖-5  GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)

GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從2001年開(kāi)始發(fā)射,到2019年總共成功發(fā)射45顆。衛(wèi)星重量1415公斤,軌道高度19100X19100公里,傾角64.8度,衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖-6所示，GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度已經(jīng)5-6米提升到1-2米。 

圖-6  GLONASS衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

3.) 伽利略(Galileo)

由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，軌道高度為23616km的30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，均勻分布在3個(gè)軌道平面,每個(gè)軌道平面9顆,其余3顆為備份星,軌道傾角為56度。從2011 年開(kāi)始發(fā)射到2018年總共成功發(fā)射21顆,衛(wèi)星重量在700-800公斤, 每次發(fā)射各顆衛(wèi)星重量略有不同,衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖-7所示。

圖-7  伽利略衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星還在發(fā)展，目前，Galileo的偽距單點(diǎn)定位精度平均可達(dá)到水平方向5m、垂直方向10m，平均授時(shí)精度達(dá)10ns。

3.區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星

1.）印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)

印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包含7顆衛(wèi)星及輔助地面設(shè)施。其中3顆為同步衛(wèi)星，分別位于東經(jīng)34度、83度及132度。另外四顆衛(wèi)星位于傾角29度的8字形軌道上，與赤道交于東經(jīng)55度及111度，分別為兩個(gè)8字形。這樣的安排意味著7顆衛(wèi)星都可以持續(xù)地與印度控制站保持連絡(luò)。衛(wèi)星負(fù)載包含原子鐘及產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)的電子裝備。印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星設(shè)計(jì)質(zhì)量約1370千克，使用壽命9年以上。為了讓位置信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，每個(gè)衛(wèi)星上都有4個(gè)銣原子鐘，達(dá)到十億分之一秒的穩(wěn)定性。利用用戶(hù)接收到的信號(hào)時(shí)間差，計(jì)算出用戶(hù)位置，星座構(gòu)形與覆蓋區(qū)見(jiàn)圖-8所示。

圖-8  印度區(qū)域?qū)Ш叫亲鶚?gòu)形與覆蓋區(qū)

印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)覆蓋東經(jīng)40°—140°和北緯40°～南緯40°的范圍，包括印度次大陸及印度洋等區(qū)域，可為印度全境及周邊2000千米的范圍提供全天候的單頻和雙頻導(dǎo)航信號(hào)，誤差不超過(guò)20米。印度還將在2021年之前將其自己的導(dǎo)航系統(tǒng)命名為NAVIC，位置精度為5米，普通為10米，加密/[敏感詞]目的為10-20厘米。

2.)日本準(zhǔn)天頂區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星

準(zhǔn)天頂系統(tǒng)有3顆傾斜同步軌道的衛(wèi)星在日本上空工作，8小時(shí)輪換交替，從而保證任何時(shí)刻都有一顆仰角較高的衛(wèi)星在日本的“天頂”當(dāng)班，這使得在大樓林立的城市中心以及山谷地帶，這顆不會(huì)被遮擋的衛(wèi)星可以“補(bǔ)充”GPS在惡劣環(huán)境下的定位能力。而4號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射，將與以前發(fā)射的3顆衛(wèi)星一起，構(gòu)成可覆蓋日本及周邊的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位輔助增強(qiáng)系統(tǒng)。準(zhǔn)天頂已經(jīng)過(guò)試運(yùn)行階段，2018年正式為日本及周邊地區(qū)提供服務(wù)，2023年增加到7顆衛(wèi)星，有可能擴(kuò)展為不依賴(lài)GPS而獨(dú)立運(yùn)行的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。

準(zhǔn)天頂衛(wèi)星提供兩種GPS增強(qiáng)信號(hào)：L1S、L1Sb（2020年開(kāi)始提供SBAS星基增強(qiáng)服務(wù)）可提供亞米級(jí)別的定位精度增強(qiáng)服務(wù)，使得日本境內(nèi)用戶(hù)定位精度從只依靠GPS時(shí)的10米提升到1米左右；另一種是厘米級(jí)增強(qiáng)信號(hào)L6，包括L6D和L6E，都可以進(jìn)行精密單點(diǎn)定位。準(zhǔn)天頂系統(tǒng)還能提供警告服務(wù)，包括地震海嘯等災(zāi)害預(yù)警；當(dāng)GPS衛(wèi)星出現(xiàn)異常時(shí)，也可及時(shí)通知用戶(hù)，避免錯(cuò)誤定位。準(zhǔn)天頂區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星座與覆蓋區(qū)域見(jiàn)圖-9所示。　　

圖-9  準(zhǔn)天頂區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星座與覆蓋區(qū)域

4.北斗導(dǎo)航衛(wèi)星三步走

三步走是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)發(fā)展戰(zhàn)略寶貴成功經(jīng)驗(yàn)，從鄧小平三步走發(fā)展戰(zhàn)略：第一步1990年解決溫飽；第二步2000年前達(dá)到小康；第三步本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，生活富裕，基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。到航天發(fā)展計(jì)劃，例如載人航天：第一步載人上天；第二步交會(huì)對(duì)按；第三步空間站，探月工程三步走：繞月；降落月面；取樣返回地面，以及北斗導(dǎo)航衛(wèi)星三步走。這些都取得輝煌成果。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星總共有：北斗1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星；北斗2號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，以及北斗3號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，稱(chēng)為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星三步走計(jì)劃。

第一步

北斗1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星星座在2001組建，整個(gè)北斗1號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共發(fā)射4顆衛(wèi)星，星座需要2-3顆,另外1顆作備分用。北斗1號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是有源二維定位（平面）區(qū)域?qū)Ш健?dǎo)航衛(wèi)星在距離地面36000公里，位于不同位置運(yùn)行，需要定位設(shè)備先向這些導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)信號(hào),等回信號(hào)后,才可確定位置精度,定位精度為100米，校準(zhǔn)后的精度能夠達(dá)到20米，北斗1號(hào)主要服務(wù)于中國(guó)地區(qū)。北斗1號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖-10。

圖-10  北斗1號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

北斗1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星重量2200公斤,外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖-11。

圖-11  北斗1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

第二步

北斗2號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星星座包括兩部?jī)?nèi)容：主要部分為區(qū)域無(wú)源三維定位，服務(wù)于亞太地區(qū)；另一部分是小型的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，由4顆中圓軌道衛(wèi)星組成，運(yùn)行方式和功效與GPS基本相似，作為實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，可以看作為北斗3號(hào)事前技術(shù)試驗(yàn)。北斗2號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)由14顆衛(wèi)星組成，包括5顆地球同步靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和4顆中圓軌道衛(wèi)星，另加6顆備分衛(wèi)星，共20顆衛(wèi)星。北斗2號(hào)導(dǎo)航星座衛(wèi)星軌道分布見(jiàn)圖-12所示。

圖-12  北斗2號(hào)導(dǎo)航星座衛(wèi)星軌道分布

北斗2號(hào)導(dǎo)航傾斜地球同步軌道衛(wèi)星,軌道高度為35652/35959公里,傾角為55.26度。。

北斗2號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星為亞太地區(qū)用戶(hù)提供定位、測(cè)速、授時(shí)、廣域差分和短報(bào)文通信服務(wù),定位精度10米,授時(shí)精度50納秒,測(cè)度精度0.2米/秒。

當(dāng)完成北斗1號(hào)和2號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星任務(wù),就走完第2步,第3步為創(chuàng)建北斗3號(hào)導(dǎo)航星座任務(wù),也是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的重點(diǎn)。

第三步

北斗3號(hào)導(dǎo)航星座最大特點(diǎn)就是由三種不同軌道組成的。其中包括；第一個(gè)由3顆地球同步靜止軌道（GEO），第二個(gè)由3顆傾斜地球同步軌道（IGSO），第三個(gè)由24顆中圓軌道（MEO）,共30顆衛(wèi)星,若加5顆備分星,總共35顆。北斗3號(hào)導(dǎo)航星座衛(wèi)星軌道分布見(jiàn)圖-13所示。

圖-13  北斗3號(hào)星座衛(wèi)星軌道分布

1.）中圓軌道（MEO）星座

中圓軌道高度約為21519/21545公里,傾角為55.26度,由24顆衛(wèi)星組成。分布在3個(gè)軌道面,每個(gè)面有8顆，中圓軌道星座衛(wèi)星分布見(jiàn)圖-14所示（不含備分衛(wèi)星）。

圖-14   中圓軌道星座衛(wèi)星分布

北斗3號(hào)中圓軌道衛(wèi)星一部分由航天科技集團(tuán)空間研究院研制,衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖一15所示,重量1014公斤, 

圖一15  空間研究院研制衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

另一部分由上海微小衛(wèi)星工程中心研制,衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖一16所示,重量小于950公斤。

圖一16 上海微小衛(wèi)星工程中心衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

2.）地球同步軌道星座

地球同步軌道星座設(shè)6顆衛(wèi)星,分別3顆為傾斜地球同步軌道（IGSO）和3顆為靜止軌道(GEO)。

傾斜地球同步軌道星座,軌道高度35652/3599公里,傾角55度,衛(wèi)星重量4200公斤。當(dāng)?shù)厍蛲杰壍纼A角不為零,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)呈8字形, 8字兩點(diǎn)頂點(diǎn)即南北緯度，也是傾角55度,此時(shí)8字形狀已經(jīng)很大,再加上橢園度不為零時(shí),8字形狀發(fā)生傾斜,若傾斜8字形原點(diǎn)在近地點(diǎn),8字形南北形狀相等，當(dāng)遠(yuǎn)地點(diǎn)在北緯，近地點(diǎn)在南緯，選擇在東經(jīng)108度,也是中國(guó)中心,8字形狀南北傾斜不對(duì)稱(chēng),北大南小,這樣有利中國(guó)地區(qū)以及北半球覆蓋,3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星分布，相位差120°,星座構(gòu)型如圖-13所示。傾斜地球同步軌道衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖一17所示。

圖一17 傾斜地球同步軌道衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

靜止軌道星座軌道高度和傾斜地球同步軌道高度完全相同,但傾角與橢園度皆為零,衛(wèi)星重量4600公斤。靜止軌道衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖一18所示。

    圖一18 北斗3號(hào)靜止軌道衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

3顆靜止衛(wèi)星分別定點(diǎn)在東經(jīng)80°、110.5°和140°等,這樣也同樣有利中國(guó)和亞洲地區(qū)覆蓋。

3.）北斗3號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星星座特點(diǎn)

概括起來(lái)，北斗3號(hào)星座具有下列三個(gè)特點(diǎn)：

1)采用三種不同軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星具有更多抗遮擋能力，尤其低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯；

2)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高服務(wù)精度；

3)創(chuàng)新融合導(dǎo)航與通信能力,具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航,快速定位,[敏感詞]授時(shí),位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)等五大功能。

根據(jù)上述特點(diǎn)，[敏感詞]討論體現(xiàn)在北斗3號(hào)具體應(yīng)用方面與技術(shù)性能。

北斗3號(hào)星座定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)性能指標(biāo)如下：

服務(wù)區(qū)域：全球；

定位精度：水平 10m、高程 10m（95%）；測(cè)速精度：0.2m/s（95%）；

其中，在亞太地區(qū)，定位精度水平 5m、高程 5m（95%）。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，北斗系統(tǒng)服務(wù)能力全面達(dá)到并優(yōu)于上述指標(biāo)。

今后北斗3號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將有可能提供更高定位精度，例如：米級(jí)、分米級(jí)，甚至厘米級(jí)服務(wù)。定位精度達(dá)到厘米級(jí)時(shí)，不僅能服務(wù)汽車(chē)導(dǎo)航和駕駛，也有助于無(wú)人機(jī)送貨。除此以外,北斗運(yùn)載工具有一個(gè)新功能,“上面級(jí)”這樣一種運(yùn)載工具，衛(wèi)星在脫離主火箭后，“上面級(jí)”可以“接力”火箭繼續(xù)飛行，通過(guò)多次點(diǎn)火、變軌，將不同軌道的衛(wèi)星送入各自的工作軌道。這就好像車(chē)站、機(jī)場(chǎng)的擺渡車(chē)一樣，集中下飛機(jī)、下火車(chē)的“乘客”通過(guò)“上面級(jí)”這輛“擺渡車(chē)”，可以精準(zhǔn)的前往各自不同目的地。因此“上面級(jí)”又被稱(chēng)為“太空擺渡車(chē)”。這對(duì)一箭多星具有很大意義,特別是對(duì)小衛(wèi)星。

未來(lái)更進(jìn)一步發(fā)展北斗3號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),先實(shí)現(xiàn)室外無(wú)縫導(dǎo)航,然后有望再逐步實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)縫導(dǎo)航。

5.反向GPS一三維定位系統(tǒng)

三維定位系統(tǒng)基于反GPS工作原理，GPS工作原理是地面目標(biāo)同時(shí)能收到空間3-4顆衛(wèi)星發(fā)出無(wú)線電信號(hào)，根據(jù)對(duì)接受各顆衛(wèi)星信號(hào)時(shí)差，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，獲得地面目標(biāo)位置和速度。反GPS工作原理為在空間編隊(duì)飛行3-4顆衛(wèi)星能同時(shí)收到地面目標(biāo)發(fā)出無(wú)線電信號(hào)，根據(jù)對(duì)接受信號(hào)時(shí)差與頻差，獲得地面目標(biāo)位置，這就是電子偵察衛(wèi)星。

由四顆小衛(wèi)星按三維編隊(duì)飛行軌跡布置，編隊(duì)飛行中心有一顆主星，圓周上按相隔120º均勻分布三顆輔星，見(jiàn)圖-19所示。

圖-19 四顆小衛(wèi)星按三維編隊(duì)飛行軌跡布置

圖-20表示電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理，若采用4顆衛(wèi)星 ，可以獲得三維定位。

圖-20 電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理

三維定位系統(tǒng)最少采用4顆衛(wèi)星，若衛(wèi)星數(shù)量增加，三維定位精度提高。當(dāng)采用[敏感詞]編隊(duì)飛行動(dòng)力學(xué)模型和定位方法，進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真，可獲得下列結(jié)果：若采用時(shí)差和頻差混合定位方法，則可以獲得很高的定位精度。當(dāng)編隊(duì)飛行衛(wèi)星之間位置精度優(yōu)于1m，各星時(shí)間同步精度要求在10 ns(10-8s)，頻差精度為1～2 Hz，則全球的地面雷達(dá)三維定位精度估計(jì)優(yōu)于1km，星下奌半徑為1km的區(qū)域三維定位精度0.5 km；當(dāng)星下奌半徑為2km的區(qū)域三維定位精度0.8 km。具體三維定位精度分布見(jiàn)圖-21所示 。

圖-21  三維定位精度分布

若要實(shí)現(xiàn)全球電子偵察衛(wèi)星定位，建議把主衛(wèi)星軌道改為極軌道。為了滿(mǎn)足全球三重覆蓋一天最少一次，采用多組編隊(duì)飛行，每組中心衛(wèi)星都在同一個(gè)軌道平面，而且各組均勻分布。由于每組編隊(duì)飛行都具有三重覆蓋，只要中心星構(gòu)成的編隊(duì)隊(duì)形所覆蓋范圍足夠?qū)拸V，就可滿(mǎn)足每天一次全球覆蓋（一天回歸軌道）。全球電子偵察衛(wèi)星5組編隊(duì)飛行星座運(yùn)動(dòng)軌跡如圖-22所示，重訪時(shí)間4.8小時(shí)；若3組編隊(duì)飛行，重訪時(shí)間8小時(shí)。

 圖-22 全球電子偵察衛(wèi)星飛行軌

6.結(jié)束語(yǔ)

本文較系統(tǒng)全面論述50年來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用。值得指出：1）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)三步走，方針正確，成果累累。在不到20年時(shí)間解決我國(guó)從無(wú)到有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，而且達(dá)到世界先進(jìn)水平，在某些方面創(chuàng)造性超出；2）提出一個(gè)創(chuàng)新方案,應(yīng)用反向GPS工作原理,實(shí)現(xiàn)全球三維定位系統(tǒng),定位精度可達(dá)0.5公里,比常規(guī)電子偵察衛(wèi)星幾公里，提升4-5倍,若全球三維定位,重訪時(shí)間4-5時(shí)。

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