【導讀】日前，我國第三代導航衛星——北斗三號的首批組網衛星（2顆）以“一箭雙星”的發射方式順利升空，它標志著我國正式開始建造“北斗”全球衛星導航系統。那么，北斗三號與前兩代“北斗”導航衛星，即北斗一號、北斗二號有什么不同？它都采用了哪些新技術？
2017年下半年 中國計劃發射4顆北斗三號全球組網衛星
幾種衛星導航系統
要搞清我國三代“北斗”導航衛星的異同，首先應了解以下幾種衛星導航系統，看看北斗一號、二號和三號分別是屬于哪一種。
2017年9月16日，第三代北斗芯片發布
至今，衛星導航技術已先后發展了兩大類：一類衛星導航系統是采用多普勒測速原理，即利用測量導航信號的多普勒頻移來求出距離變化率進行導航定位，但由于這種方式存在不能連續實時導航等一些缺點，所以采用這種原理的衛星導航現已基本沒有了。另一類衛星導航系統采用時間測距原理，即利用測量導航信號傳播時間來求出距離進行導航定位，目前大多數衛星導航系統都采用這種方式，包括三代“北斗”導航衛星，但即使這樣，它們仍各不相同。
因為衛星導航系統又可分有源（主動式）和無源（被動式）兩種。我國北斗一號衛星導航系統采用有源方式，即用戶進行導航定位時要主動向衛星發送信號，北斗二號和北斗三號衛星導航系統采用無源和有源相結合的方式，進行無源衛星導航時，用戶只需接收導航衛星信號。美國的“全球定位系統”、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”等衛星導航系統都采用無源方式。
北斗三號全球衛星導航星座
根據導航衛星的信號覆蓋范圍，衛星導航系統還可分為區域性衛星導航系統和全球性衛星導航系統，我國的北斗一號、二號衛星導航系統以及日本、印度的衛星導航系統等屬于前者，美國、俄羅斯、歐洲和我國的北斗三號衛星導航系統屬于后者。
另外，導航衛星還可根據衛星的軌道高度，分成近地軌道、地球中圓軌道、傾斜地球同步軌道和地球靜止軌道導航衛星幾種。我國北斗一號為地球靜止軌道導航衛星，而北斗二號和三號導航星座都由地球中圓軌道導航衛星、傾斜地球同步軌道導航衛星和地球靜止軌道導航衛星組成。目前，美國、俄羅斯和歐洲的導航衛星都運行在地球中圓軌道，印度和日本的導航衛星星座均由傾斜地球同步軌道導航衛星和地球靜止軌道導航衛星組成。
有其他衛星導航系統不具備的性能
目前，衛星導航已成為當今社會重要的空間信息基礎設施，其應用只受想象力的限制，具有廣泛的社會、經濟、科技和國防意義。因此，我國很重視衛星導航系統的建設，并分三個階段實施發射，即先建造有源區域衛星導航系統，再建造無源與有源相結合的區域衛星導航系統，最終建造無源與有源相結合的全球衛星導航系統。
2000年10月至12月為第一階段。我國先后發射了4顆北斗一號導航衛星（后兩顆為備份），它們運行在經度相距60°的地球靜止軌道，從而建成了世界首個有源區域衛星導航系統。該系統不僅可提供區域導航定位，還能進行雙向數字報文通信和精密授時，特別適用于需要導航與移動數據通信相結合的用戶。其服務范圍為國內；定位精度為20米；授時精度為100納秒；短信字數每次為120個字。
2007年至2012年為第二階段。我國陸續發射了16顆北斗二號導航衛星，最終建成了由14顆北斗二號（5顆靜止軌道導航衛星＋5顆傾斜地球同步軌道導航衛星＋4顆中圓地球軌道導航衛星）組成的、采用無源與有源衛星導航方式相結合的區域衛星導航系統。如果說GPS只能告訴用戶什么時間、在什么地方，“北斗”還可以將用戶的位置信息發送出去，讓其他人可以知道用戶的情況，較好地解決了何人、何事、何地的問題。其服務范圍為亞太地區；定位精度為10米；測速精度為0.2米/秒；授時精度為50納秒；短信字數每次為120個字。
2017年至2020年為第三階段，我國將先后發射35顆北斗三號導航衛星（5顆靜止軌道衛星＋3顆傾斜地球同步軌道衛星＋27顆中圓軌道衛星），建成采用無源與有源導航方式相結合的全球衛星導航系統。其服務范圍為全球；定位精度為2.5至5米；測速精度為0.2米/秒；授時精度為20納秒；每次短信字數也增加了。它將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務、0.2米/秒的測速服務，并且將為付費用戶提供更高精度等級的服務。隨著“北斗”地基增強系統提供初始服務，它還可提供米級、亞米級、分米級，甚至厘米級的服務，屆時，“北斗”的定位精度將與美國GPS相媲美。
建成后的北斗全球導航系統將為民用用戶免費提供約10米精度的定位服務。
具有高精度、高可靠、高保險、多功能的“北斗”全球衛星導航系統有一些美國、俄羅斯和歐洲全球衛星導航系統不具備的性能和特點，例如，其空間段采用三種軌道衛星組成的混合星座，且與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，因此抗遮擋能力強，尤其在低緯度地區性能特點更為明顯；北斗三號可提供多個頻點的導航信號，能夠通過多頻信號組合使用等方式提高服務精度；該衛星系統創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。
北斗三號亮點多多
由于北斗三號導航衛星需采用許多新技術，為此，我國在2015年至2016年陸續發射了5顆北斗三號試驗衛星，驗證了以高精度星載原子鐘、星座自主運行等為代表的衛星載荷關鍵技術，以輕量化、長壽命、高可靠為典型特征的衛星平臺關鍵技術，基于星地鏈路、星間鏈路、全新導航信號體制的導航衛星運行控制關鍵技術，以及98%的國產化器件，關鍵器件均為“中國造”。
從2017年11月5日發射首批北斗三號（2顆）地球中圓軌道導航衛星起，我國正式開始建造“北斗”全球衛星導航系統。與北斗二號相比，除了服務區域由區域覆蓋擴大到全球覆蓋外，北斗三號在精度和可靠性上都有很大的提高。其單星設計壽命由以前的8年提高到10至12年，并首次提出“保證服務不間斷”指標。
另外，還有以下重大技術創新或改進。北斗三號中圓地球軌道衛星采用了新型的導航衛星專用平臺，它具有功率密度大、載荷承載比重高、設備產品布局靈活、功能拓展適應能力強等技術特點，可為系統后續功能和需求拓展提供更大的適應能力，將實現衛星導航系統的定位、授時和導航的服務業務，兼容天基數據傳輸、新業務載荷的在軌應用，能作為天基數據傳輸網絡的廣播節點。作為世界上唯一的由3種軌道衛星構成的導航系統，北斗三號未來還將按照國際標準增加全球搜救、全球位置報告、星基增強等拓展服務。
北斗三號地球靜止軌道衛星與傾斜地球同步軌道衛星采用大型衛星平臺，它能集成多種載荷，兼容實現天基增強、可動點波束功率增強、短報文通信與位置報告等系統；成為天基數據傳輸網絡的中心節點。
北斗三號衛星星座首次配備了相控陣星間鏈路（在衛星之間搭建的通信測量鏈路），解決了境外監測衛星的難題，成為一大特色。這樣能實現對運行在境外的衛星進行監測、注入功能，并可實現衛星之間的雙向精密測距和通信，從而能夠進行多星測量，自主計算并修正衛星的軌道位置和時鐘系統，大大減少對地面站的依賴，提高整個系統的定位和服務精度。星間鏈路是“北斗”實現自主導航的關鍵，不僅實現了北斗衛星相互間的通信和數據傳輸，還能相互測距，自動“保持隊形”，減輕地面管理維護壓力。所謂自主導航，就是指即使地面站全部失效，30多顆“北斗”導航衛星也能通過星間鏈路提供精準定位和授時，地面用戶通過手機等終端接收導航衛星的信號，仍舊能進行定位及導航。
眾所周知，導航衛星上的原子鐘性能對整個衛星導航系統的性能有重要影響。北斗三號衛星采用我國新型高精度銣原子鐘和氫原子鐘。與北斗二號衛星采用的原子鐘相比，北斗三號上的原子鐘在產品體積、重量方面大幅降低，每天的頻率穩定度提高了10倍，綜合指標達到國際領先水平。其上的氫原子鐘精度將比北斗二號的星載銣原子鐘提高一個數量級。銣原子鐘天穩定度為每1萬秒誤差10－14秒量級，氫原子鐘天穩定度為每1萬秒誤差10－15秒量級。原子鐘技術的進步，直接推動了“北斗”系統的定位精度由10米量級向米級跨越，測速和授時精度同步提高一個量級。
北斗三號進一步提升了連續性、穩定性和可用性的指標，采用多項新技術提高了衛星的抗干擾能力，非計劃中斷指標為每年0.4次，達到國際先進水平。它采用了多重可靠性“加固”措施，可最大限度增強系統的保險系數。比如，系統建成后運行衛星數量大于服務必需衛星數，即衛星有備份；配備了多臺銣原子鐘，形成“雙保險”一起提供服務；還采用了軟件冗余、故障自我診斷和故障自我修復等多項措施，可保證系統可靠性。
該衛星還在世界上首次實現了衛星的在軌自主完好性監測功能，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領域用戶來說，具有極強的實用價值。它將增加性能更優的互操作信號，即與世界其他衛星導航系統兼容性更好的信號B1C和B2a信號。其全新的導航信號體制和強大的在軌重構功能，也將極大地提升用戶體驗，因為通過兼容互操作技術，可為用戶能在終端上接收多個信號奠定基礎，給用戶提供多種選擇方案。
根據計劃，2018年前后完成18顆北斗三號衛星發射，屆時將面向“一帶一路”國家和地區提供基本服務。到2020年前后，北斗三號系統面向全球提供全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。“北斗”發展藍圖是構建國家綜合定位、導航和授時體系建設，以“北斗”系統為核心，建成天地一體（包括太空、地面、水下、室內）、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合定位、導航和授時體系。
北斗衛星是怎么導航定位的
我國第一代導航衛星北斗一號與第二代導航衛星北斗二號以及第三代導航衛星北斗三號在工作原理上有明顯不同之處。
北斗一號衛星導航系統是通過采用衛星無線電測定業務方式來確定用戶的位置。在平時，地面中心站經2顆北斗一號地球靜止軌道衛星不斷向用戶詢問是否需要定位的信號，而用戶終端一般只處于光收聽不發信息的狀態。當需要定位時，用戶終端分別經2顆北斗一號地球靜止軌道衛星向中心站發送需要定位的申請信號。這時，地面中心站通過測量信號的往返時間來算出用戶終端分別到每顆衛星的距離。由于衛星的位置是已知的，所以可以用這2個距離測量數據進一步推算出用戶位置。最后，地面中心站將該定位信號經1顆衛星傳給用戶終端。
采用這種方式的優點所需衛星少，只要2顆衛星就行；具有導航定位、發短報文和精密授時等多種功能。但其定位精度不高，系統用戶容量有限。
北斗二號和北斗三號衛星導航系統在國際首次實現了采用衛星無線電測定業務和衛星無線電導航業務相結合的集成體制方式來為用戶導航定位。所謂衛星無線電導航業務，就是用戶被動測量來自至少4顆在衛星時鐘控制下的導航衛星連續發送的無線電導航信號，并根據這些衛星信號的不同傳輸時間，來測定用戶到這些衛星的不同距離，然后通過用戶終端的數學運算得到用戶的三維坐標與速度。
北斗衛星為何能“自律”？
控制系統是衛星在天上保持正確軌道、正確姿態的總指揮。它能實時搜集衛星的軌道和姿態信息，一旦發現異常，就指揮衛星回到正常狀態。
北斗三號的控制系統，能通過綜合電子分系統與衛星敏感器執行機構交換信息并控制執行機構動作，完成衛星從星箭分離、在軌運行直至壽命末期各階段的姿態控制和軌道控制。同時該系統還賦予了衛星一定的完全自主運行能力，即使地面測控站出現故障，它們也能在軌正常工作至少60天。這大大減少了衛星對地面站的依賴，實現了“可視”范圍外的衛星控制，也降低了系統的運行管理成本。
此前衛星的遙測、遙控、姿軌控、電源、熱控、載荷和星務等管理，通常分散在不同的處理單元分別完成。北斗三號控制系統采用“綜合電子”體系架構，以中心管理單元為核心，構建了集散型分布式系統。其中，中心管理單元由五院自主研制，其管理職能幾乎涵蓋了衛星各個方面。如此架構帶來了更復雜的管理，但也能減輕衛星重量、延長其壽命。
無論是姿態與軌道信息的計算，還是衛星的智能自主運行，都對控制系統的計算性能提出了極高要求。北斗三號控制系統采用了基于星敏感器+紅外地球敏感器的自主導航算法，定時更新星上軌道數據，讓衛星具備了自主獲取軌道數據的能力。
普通衛星在進行位置保持時，可以進行噴氣卸載，導航衛星工作時卻不允許推進器噴氣。為了保證北斗三號衛星在60天自主運行期間不會噴氣卸載，五院研制團隊完善和改進了控制系統的角動量管理和磁力矩器卸載功能，達到了任務要求。
此外，該控制系統還具備單機級和系統級故障安全設計，在星上資源有限的情況下，提高了北斗三號衛星的自主故障實時診斷和處理能力。
本文轉載自電子技術設計。
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