北斗與IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能分析

羅偉　魯小強(qiáng)　胡緒健

摘 要：隨著電子信息技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)也不斷發(fā)展和完善，當(dāng)今全球已經(jīng)發(fā)展較為成熟的GPS、GLONASS、GALILEO和BDS系統(tǒng)已經(jīng)成為GNSS主要服務(wù)提供商，印度IRNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也正在建設(shè)當(dāng)中，本文在介紹中國(guó)BDS系統(tǒng)和印度IRNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從發(fā)展規(guī)劃、星座布局、定位性能及發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)兩大系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)兩大系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：BDS系統(tǒng)；IRNSS系統(tǒng)；區(qū)域?qū)Ш?/p>

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，全球各大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展也日臻成熟，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用化將為人們的日常生活帶來(lái)便利，而我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）在2012年底正式對(duì)外提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)后，不僅結(jié)束了美國(guó)GPS全球定位系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的壟斷地位，更為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供便利，也將使用戶獲得更為安全可信的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，具有極其重要的戰(zhàn)略意義。印度作為亞洲的一個(gè)重要國(guó)家，憑借其強(qiáng)大的科研實(shí)力，計(jì)劃并組建了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)IRNSS系統(tǒng)，作為區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，IRNSS系統(tǒng)建成后將為印度及其周邊地區(qū)提供高精度的導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)。本文就中國(guó)BDS系統(tǒng)與印度IRNSS系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并對(duì)兩大系統(tǒng)的定位性能和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析介紹。

1 中國(guó)BDS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

為了打破美國(guó)GPS系統(tǒng)的壟斷地位，也為了更好的保障國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)安全，我國(guó)自主建立了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，于2012年底正式提供區(qū)域服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段計(jì)劃有35顆衛(wèi)星組成，其中5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站等若干個(gè)地面站，用戶段包括各種類(lèi)型的北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。

我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的三大功能是：實(shí)現(xiàn)快速定位、進(jìn)行簡(jiǎn)短通信，以及精密授時(shí)。

第一，快速定位。迅速確定用戶所處的地理位置，并為用戶和相關(guān)管理機(jī)構(gòu)提供導(dǎo)航。具有水平定位精度為100m，差分定位的精度在20m以內(nèi)。定位的響應(yīng)時(shí)間為：1類(lèi)用戶為5秒；2類(lèi)用戶為2秒；3類(lèi)用戶為1秒。最短定位進(jìn)行更新的時(shí)間在1秒以內(nèi)。一次性定位的成功率達(dá)到95%。

第二，簡(jiǎn)短通信。我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)能夠使用戶之間和用戶同位于地面的控制中心間進(jìn)行雙向的數(shù)字報(bào)文通信，用戶在被核準(zhǔn)后可利用連續(xù)傳送方式進(jìn)行傳輸多達(dá)120個(gè)漢字的信息。

第三，精密授時(shí)。我國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可進(jìn)行單向與雙向這兩種授時(shí)，按照精度要求的不同，用戶可運(yùn)用定時(shí)終端實(shí)現(xiàn)同導(dǎo)航系統(tǒng)間的時(shí)間與頻率的同步，時(shí)間的同步精度：?jiǎn)蜗蚴跁r(shí)為100ns，雙向授時(shí)為20ns。

北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)提供開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種類(lèi)型服務(wù)方式，開(kāi)放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度達(dá)到水平10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。授權(quán)服務(wù)使為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。

2 印度IRNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

印度政府2006年5月正式批準(zhǔn)印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（IRNSS）項(xiàng)目，預(yù)計(jì)耗資160億盧比（約3.5億美元）印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)IRNSS計(jì)劃于2012年建成，目的是為印度全境及周邊地區(qū)提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)（PNT）。

2.1 IRNSS系統(tǒng)星座布局

IRNSS星座由7顆衛(wèi)星組成，其中3顆GEO（Geostationary Orbit）衛(wèi)星、4顆IGSO（Inclined Geo-synchronous Orbit）衛(wèi)星。國(guó)際電信聯(lián)盟WRC-03會(huì)議通過(guò)了印度政府對(duì)星座中各衛(wèi)星軌位的申請(qǐng)，3顆GEO衛(wèi)星分別定點(diǎn)于東經(jīng)34°、83°和132°，4顆IGSO衛(wèi)星處于兩個(gè)軌道面上，星下點(diǎn)軌跡形成兩個(gè)“8”字形，軌道傾角為29°，交點(diǎn)地理經(jīng)度分別為東經(jīng)55°和111°。設(shè)計(jì)星座覆蓋范圍為東經(jīng)40°～140°和緯度±40°之間，可以為用戶發(fā)播單頻和雙頻導(dǎo)航信號(hào)，其標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)定位精度在印度洋范圍優(yōu)于20米，在印度本土優(yōu)于10米。

印度空間局（ISRO）在GAGAN系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加緊研制印度獨(dú)立自主的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-IRNSS。該系統(tǒng)可以不依靠GPS為印度領(lǐng)土用戶提供獨(dú)立的導(dǎo)航定位服務(wù)。IRNSS空間衛(wèi)星全時(shí)段可見(jiàn)，實(shí)時(shí)為用戶廣播衛(wèi)星鐘差改正數(shù)、電離層誤差改正數(shù)和相應(yīng)的完好性信息。系統(tǒng)可提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）、精密定位服務(wù)（PPS）和政府特許用戶（RS）服務(wù)。

2.2 IRNSS系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)印度IRNSS的組網(wǎng)計(jì)劃，IRNSS的組網(wǎng)工作分為兩大步驟，第一步是發(fā)射地球同步衛(wèi)星組成覆蓋印度全境的“區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”，印度空間研究組織計(jì)劃于2013年至2015年，發(fā)射7顆國(guó)產(chǎn)地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星，其中在南北極上空各發(fā)射兩顆衛(wèi)星，在地球赤道上方發(fā)射三顆導(dǎo)航衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)全天候覆蓋印度及其周邊的較為精確的衛(wèi)星定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。第二步計(jì)劃在2015年前后初步建成國(guó)產(chǎn)IRNSS系統(tǒng)后，再發(fā)射約10顆導(dǎo)航衛(wèi)星，最終形成印度全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

2.3 IRNSS系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

印度于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2013年7月1日發(fā)射了印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星IRNSS-1A，這顆衛(wèi)星重量約為1.425噸，設(shè)計(jì)使用壽命為10年，是IRNSS系統(tǒng)7顆在軌衛(wèi)星中的首顆，根據(jù)印度空間局的設(shè)計(jì)方案，IRNSS完成組網(wǎng)后，將能為印度及其周邊1500公里范圍內(nèi)的用戶提供精確定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)。與美國(guó)的GPS系統(tǒng)一樣，IRNSS建成后也將提供兩種類(lèi)型的服務(wù)，即標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)和限制服務(wù)。前者將公開(kāi)提供給所有用戶，而后者則是針對(duì)授權(quán)用戶的加密服務(wù)。

由于印度距離地球赤道比較近，其受地磁環(huán)境影響比較嚴(yán)重，建立精確實(shí)時(shí)的電離層模型和對(duì)流層模型技術(shù)比較困難，所以目前以及未來(lái)電離層、對(duì)流層模型的實(shí)時(shí)精確化研究將是印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)的BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已經(jīng)完成區(qū)域系統(tǒng)的組網(wǎng)運(yùn)行，為亞太地區(qū)提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù)，并計(jì)劃在2020年建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，提供全方位、高精度的導(dǎo)航定位、報(bào)文通信及精密授時(shí)服務(wù)。屆時(shí)將在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

我國(guó)的BDS系統(tǒng)在2012年底正式開(kāi)通服務(wù)以來(lái)，為用戶提供了高精度的導(dǎo)航定位、短報(bào)文通信以及授時(shí)服務(wù)，北斗系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)深入拓展到各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，突破了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的壟斷，占據(jù)了國(guó)內(nèi)導(dǎo)航定位應(yīng)用領(lǐng)域一定的市場(chǎng)份額，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)及搶險(xiǎn)救災(zāi)等發(fā)揮了重要作用，可以預(yù)見(jiàn)的是，到2020年北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成后，必將帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

印度IRNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雖然起步較晚，但其利用目前發(fā)展較為成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)，建立滿足其需求的區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，該系統(tǒng)目前處于衛(wèi)星組網(wǎng)階段，按照印度太空研究組織的計(jì)劃，IRNSS系統(tǒng)于2015年組網(wǎng)完成后，將具備全天候、高精度的自主導(dǎo)航能力，同時(shí)避免了對(duì)美國(guó)GPS系統(tǒng)的依賴，并且經(jīng)過(guò)星座的擴(kuò)充調(diào)整，可以進(jìn)一步發(fā)展為覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

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