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卫星导航|北斗：我国自主全球卫星导航系统

世界各航天强国都在加速研制和发展自己的卫星导航系统 。 经过数十年的发展 ， 全球卫星导航系统（GNSS）呈现出“百花齐放、百家争鸣”的景象 ， 以美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟伽利略卫星导航系统（GSNS）和中国的北斗卫星导航系统（BDS ， 以下简称“北斗系统”）为代表的全球四大卫星定位系统 ， 已形成同台竞技的格局 。
【卫星导航|北斗：我国自主全球卫星导航系统】图片来源：央视新闻
北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展的需要 ， 自主建设、独立运行 ， 并与世界其他卫星导航系统兼容的全球卫星导航系统 ， 可在全球范围全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务 。 完成“三步走”全部建设任务的北斗系统 ， 是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施 。
卫星导航|北斗：我国自主全球卫星导航系统
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图片来源：新华社图片
根据《中国北斗卫星导航系统》白皮书的要求 ， 北斗全球系统的建设目标是建成独立自主、开放兼容、安全可靠、技术先进、突出重点区域的世界一流卫星导航系统 。 为实现该目标 ， 我国需要持续建设完整的星座系统 ， 进一步提高卫星原子钟性能 ， 增强系统自主运行能力 ， 重点在性能指标的提高、技术体制的创新、用户体验的优化等方面持续攻关 。
导航信号高可靠、高可用技术
服务可靠性主要指服务的可用性、连续性、完好性 ， 是衡量系统提供可靠、稳定、连续服务的重要指标 。 服务可靠性不仅与用户段使用的环境和条件有关 ， 还与空间段星座的性能、单星可靠性及控制段导航业务运行的控制能力、卫星运行的管理能力密切相关 。 要建成一流的卫星导航系统、提供一流的系统服务 ， 卫星系统、地面运控系统、测控系统除了要满足常规的功能、性能指标要求外 ， 还必须满足服务可靠性提出的相关要求 。
目前 ， GPS的非计划中断时间可优于2次/（年·星） ， 北斗导航卫星的研制将重点在信号可靠性上发力 ， 力争2020 年后实现非计划中断指标0.4次/（年·星） ， 2030年前后实现非计划中断指标0.12 次/（年·星） ， 使卫星的研制水平达到高可靠和高可用 ， 并经得起用户和历史的检验 。 为突破该项技术 ， 短期来看 ， 我国必须加大时频系统连续稳定无缝切换技术、导航信号连续可用技术的攻关力度 。 时频系统连续稳定无缝切换技术包括时间信息自主恢复技术、原子钟自主无缝切换技术及秒脉冲自主恢复技术 ， 采用这些关键技术可以实现时频系统故障下导航信号的连续性 。 导航信号连续可用技术还包括下行大功率链路故障自主诊断、隔离及快速恢复技术 ， 导航任务处理机故障自主诊断、隔离及快速恢复技术等 ， 突破这些关键技术 ， 可以实现整个卫星导航信号的连续、可用 ， 降低虚警率和漏警率 。 为实现2030 年非计划中断指标的要求 ， 还需系统地提升平台和载荷的可靠性 ， 并进一步提升故障情况下快速切换及自主恢复的能力 。
长时间自主运行技术
通常情况下 ， 地面系统需对导航卫星进行维护 ， 并定期向卫星发送高精度的时间和空间信息 ， 这样卫星才能为用户提供高精度的导航服务 。 自主运行技术是指在特殊情况下 ， 卫星在与地面系统失去通信联系后 ， 仍具有较高精度的导航服务能力 。 为此 ， 导航卫星发展了自主导航、平台自主运行及自主健康管理技术 。 自主导航技术利用星间测距、通信及统一的自主导航算法 ， 可实现星座各卫星间的时间同步及星历的自主生成；平台自主运行技术利用平台各分系统的敏感器 ， 获得卫星当前状态和空间环境状态 ， 再由星载处理软件处理、比对、计算数据 ， 然后自主确定各执行器的相应动作 ， 从而维持卫星系统的正常运行；自主健康管理技术使用星载计算机 ， 综合分析各种遥测参数 ， 自主监测并识别出异常的设备 ， 进而通过指令控制 ， 将异常单机切换为冷备份或热备份设备 ， 从而保证星上设备工作的连续性和完好性 。
目前的自主运行方案 ， 可以保证卫星在无地面系统支持的情况下 ， 在60天内提供连续、较高精度的导航信号 。 2030 年前后的目标是实现180～360天或更长时间的自主运行 。 未来将通过引入更高的天文基准（如更高精度的原子频标、星间测距通信装置） ， 进一步改进自主导航的算法 ， 以实现更高精度的自主星历生成和时间同步 。 卫星平台通过引入新的敏感器和执行器 ， 并持续改进控制算法 ， 可增强平台自主运行的鲁棒性；进一步加强卫星的可靠性设计和抗空间环境设计 ， 可增强卫星的自主运行能力 。 在自主健康管理方面 ， 需深入研究设备的无缝切换、切换后数据的迅速恢复技术 ， 尽量缩短导航信号的中断时间 。 可以预见 ， 导航卫星未来将实现更长时间的自主运行 ， 形成更高精度的导航信号播发能力 。
基于激光星间链路的测距与通信网络技术
为了满足对天基信息网络和高精度空间测量日益增长的需求 ， 基于激光的星间链路的研究获得广泛支持 。 未来利用激光星间链路 ， 可实现亚厘米级的高精度测距 ， 以及不低于千兆速率的高可靠、高实时、高安全的信息传输 。 而多颗配备激光终端的卫星在高性能路由器的支持下 ， 可构建起高吞吐量的空间骨干网 。 总之 ， 通过搭载激光星间链路 ， 可大幅增强导航卫星的测距与数据传输功能 ， 但要达到这个目标 ， 仍需攻克一些关键技术 。
导航载荷一体、小型化技术
航天发射高昂的成本与宝贵的在轨能源 ， 要求卫星在设计时尽量节省重量和能源 。 作为为导航卫星直接提供导航服务的核心部分 ， 目前导航卫星载荷占用了整颗卫星的绝大部分能源 ， 因此 ， 载荷的“瘦身”和节能势在必行 。 地面用户实现定位 ， 需要导航卫星提供自身的轨道和钟差 ， 而导航卫星又需要地面的控制中心来提供所需的位置和时间信息 。 因此 ， 导航卫星载荷既包括接收机 ， 又包括发射机 。 手机也同时具备接收机和发射机的功能 ， 我们在上网时需要把要下载的内容请求发送给基站 ， 然后接收基站反馈给我们的内容 。 如果把导航卫星比作手机的话 ， 导航卫星的小型化实际上和手提电话“大哥大”发展到智能手机的演变历程一样 。 元器件水平的发展 ， 使手机的诸多功能可在一块电路板上实现 ， 导航卫星的载荷也是一样 。 随着元器件小型化的发展 ， 以及抗空间辐射能力和数字化能力的提高 ， 未来的载荷将向芯片化和集成化方向发展 ， 以实现重量和能源的“瘦身” 。
新型星载超高精度原子钟技术
星载原子钟是导航卫星的“心脏” ， 是导航卫星高精度时间基准的源泉 。 北斗系统已广泛使用高精度铷原子钟和氢原子钟 ， 这些原子钟在轨运行情况稳定 ， 表现优异 。 星载原子钟的工作原理涉及量子力学、电子学、材料学和热学等多个学科 。 为进一步提高空间、时间基准 ， 北斗系统正在积极推进新型星载高精度原子钟的研制（如星载铯原子钟、汞离子钟、冷原子钟等） ， 未来将在准确度和稳定度上有跨越式发展 。
器部件长寿命、高可靠技术
航天领域正在面临需求的转型 ， 航天产品呈现出多型号并举、高密度发射的特点 。 随着航天产品应用范围的不断扩大 ， 对其高可靠、长寿命、稳定服务的要求也日益增强 。 然而 ， 航天产品又普遍具有高要求、高风险和小子样的特点 ， 这些特点与工程任务一次成功的要求之间存在突出矛盾 ， 因此 ， 提高器件的固有可靠性是掌握其长寿命、高可靠技术的关键 。 为突破该项技术 ， 需要在技术和管理两个层面同时着手 。 首先 ， 在技术层面 ， 需要解决元器件的规范选型、优化设计问题 ， 使之具备良好的空间环境防护能力 ， 并进行充分的地面试验验证 。 此外 ， 需要开展核心关键单机的长寿命、高可靠试验（如寿命加速试验） ， 突破薄弱环节 。 其次 ， 在管理层面 ， 以覆盖全面、预防为主、控制源头、常抓不懈的质量理念为核心思想 ， 将航天产品研制的基本规律与导航产品的高质量、高可靠要求相结合 ， 推进重大专项的全过程、全系统、全特性和规范化、精细化的质量管理 。 预计在2030 年前后 ， 随着基础工业水平的进一步提高 ， 新工艺 ， 新材料 ， 更好的测试、试验、检验手段将不断出现 ， 器部件长寿命、高可靠技术的水平将大幅提升 ， 系统的可靠性将进一步提高 。
卫星导航|北斗：我国自主全球卫星导航系统
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本文摘编自《中国空间领域2035技术预见》 ， 首发于“科学人文在线”微信公众号 。


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