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北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?
2017-1-5 3:26:00           作者: 卫星与网络

美国的GPS透过二十四颗卫星构成的卫星网,能够有效覆盖全球大约97%的面积。正在加紧建设的欧洲“伽利略”定位系统,规划三十颗卫星,最高精度比GPS高十倍。中国的北斗导航系统规划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止卫星组成,定位精度为十米。

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

GLONASS(俄罗斯的全球定位系统)、GPS(美国)、COMPASS(即北斗,中国)的一部分和Galileo(欧洲)的卫星都运行在地球中轨道(MEO),高度分别为19,100km、20,200km、21,500km、23222km。别家需要全球覆盖的的卫星数目分别为24、24和27。

先简单讲讲GPS。GPS需要24颗卫星只是最基本的数目。这个数目可以保证全球每个地方任何时刻至少能看见4颗卫星,通过4个方程可以解出空间三维坐标和时间四个变量。这24颗卫星分布在6个轨道面,每个轨道面有4颗卫星。GPS系统的接收机都是采用无源定位方式(就是接收机不需要发送信号)。北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

好,下面开始讲为什么北斗要35颗:

北斗的工作原理和和GPS一样,而轨道高度比GPS略高比Galileo略低,理论上24颗也能提供GPS一样的无源定位服务了——实际上北斗和伽利略一样用了27颗地球中轨道卫星,一个原因是因为他们的轨道高一些,需要略多数目保证卫星离接收机不太远,另一个主要原因是这些卫星的轨道同GPS不同,只有3个轨道面,每个轨道面9颗,轨道面之间为相隔120°均匀分布。这种分布方式是北斗需要比GPS多3个卫星的原因。慢着——没完呢,北斗不是35颗吗,还有8颗哪里去了?

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

这要涉及到卫星系统这样的庞大系统工程的周期问题,上述27颗卫星的发射是漫长的过程,即使是初步覆盖中国全境也需要20颗左右才能做到,从发射第一颗到最后一颗中间有可能会有10~20年的时间,而且先发射的使用寿命只有8年——27颗没有准备齐呢,老的卫星开始往下掉了,显然这种做法浪费太大了,在前十几年系统根本不能正常使用!如何让系统尽快工作呢?于是北斗发明了一个巧妙的想法——首先发射3颗倾斜同步轨道卫星,这些倾斜同步轨道卫星高度和地球同步卫星类似,绕地球一周也是24小时,但是轨道并不正好在赤道上,而是和地球赤道面有个夹角。这种卫星在地球固定一个位置看到的轨迹是这样的类似于日行线的形状,同经线平行的一个8字形(需要一点儿想象力才能理解)。这3颗卫星虽然不是完全同地面静止,但是大部分时候中国境内仍然能看到,所以对系统立即可用帮助很大——可是还差5颗呢?。

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

这就要回到北斗系统本身来讲,北斗除了像GPS一样用无源接收机工作之外,还有两个独到的功能,就是用有源接收机(接收机主动发信号给卫星)和收发短报文(卫星短信)功能。最后还有5颗地球同步轨道卫星就是主要针对这两个功能都要求发上去的。当然,这5颗星也支持无源定位方式。下图就是地球同步轨道卫星的照片,可以看到卫星真的不动,周围的星星会在天空划出轨迹。

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

为了能尽早发挥作用,北斗系统实际上是(不太严格地)按照上述3(地球同步轨道)、2(地球倾斜轨道)、1(中轨道)的顺序发射部署的,甚至倾斜同步轨道卫星发了4颗。未来理论上来讲,只要27颗中地球轨道卫星就能完成全球定位功能的覆盖了,但是3和2两部分卫星主要覆盖中国及周边国家,对于提高国内的定位精度和提供特殊服务(比如卫星短信)有重要作用。

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

补充:事实上目前GPS正在运行的也不是24颗,而是有32颗卫星;而GLONASS实际上有29颗。多出来的星除了做备份,还可以增加系统精度,比如GPS可以保证绝大部分地方通常能看到至少9颗卫星,能明显提高定位精度。Galileo目前因为欧洲各国扯皮,进展缓慢,只放上去4颗(功能不全)的卫星,未来什么时候发挥作用还是猴年马月的事情。相比之下中国放上去四五颗卫星立即就能提供定位服务和特殊服务,加速技术向市场转化速度,这个思路还是非常值得称赞的。所以,中国人还是有创造力的!

不过话说回来,在北斗系统现在每套近万元的情况下,利用垄断的力量强制货运车辆安装这种流氓做法我个人表示鄙视。

要学到的东西:技术需要尽早拿到市场上检验,不要像欧洲人那样追求完美,最好初期就能开始盈利,若有可能可以借助行政力量,但是未来还是要靠市场运作。

再上点儿花絮:谷歌地图上可以看到所有的卫星

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?这些卫星的名字:

北斗有35颗卫星,而GPS有24颗卫星,为什么二者数量不同?

补充许其凤教授(中国工程院院士,北斗卫星导航系统总工程师。)一次演讲的文字记录j节选。

原文如下:

感谢大会给我这样一个机会,来宣传一下北斗。

为什么说这样话呢?这两年我接触一些业务圈以外的人士,包括用户。好像他们对整个北斗系统的了解不是特别多,或者说不是特别系统,存在了很多问题,所以我觉得宣传是一方面,建设也很重要,让客户以及更多的人了解北斗,这样才可以使用。

我主要向大家宣传卫星导航系统,也就是北斗系统。因为在座很多都是产业界的人士,我尽量联系一下产业方面的情况和思路。

产业的发展是成败的标志,我指的是卫星导航系统。卫星导航系统成功在于广泛的应用,并且取得效益。

另外就是相关产业的发展是广泛应用的标志,作为卫星导航系统,应用的方面很多。现在GPS已经占领了市场,北斗产业究竟怎么发展?说的更直接了当一点,不说我的身价性命,就是这点家当投进去保险吗?这样的问题我不能回答。我提供北斗的情况,请大家自己做结论。

关于GPS占领市场,北斗到底有没有出路的问题,卫星导航系统的性能,是性能相对优越的基础,我们说性能要优越包括两个方面,一个是我的接收机、我的用户系统,我的整个系统性能好,还有一方面就是产业界有自主权的,就是心里有数的,但是没有数的就是整体的性能如何。
卫星导航系统是由一定数量分布的卫星,包括卫星的高度、卫星的倾角、卫星的轨道组成的空间部分,这个叫做卫星星座,比如GPS是由24颗组成的,叫做中轨卫星MEO。还有一部分是地面监测站不断观测所有的卫星,对所有卫星计算轨道,计算钟差。通过注入站将轨道、钟差参数注入到卫星,用户接收机利用卫星发播的测距信号测距,依靠卫星的位置,用测量的距离解算自身的位置。如果简单点就是这三点。

避短扬长的北斗星座设计,我们完全可以发展GPS发展我们国家自己的系统,我们也学习,但是不能完全照搬。全面照搬是最简单的问题,也是最省事的问题。但是我们学习GPS还是遇到一些问题,这个是很难在全球布设监测站,我们说高精度定轨需要卫星全弧段的监测。比如我就测一小段,这个圆画不准的。

有一个实际的数据,卫星位置的误差,左边是有监测数据的,右边是没有监测数据,完全靠外推的,我观测一小段推一段,这个位置误差会很大,一旦没有监测数据,误差会急剧增加。

对于绕地球的GPS卫星是中轨道卫星,东西旋转。对于这样监测站要全球分布,这一点美国可以做,我们做起来有困难。我们很难做到全球分布。

第二个问题就是星载原子钟相对滞后,依靠卫星的位置,通过测距来解算定位,测距怎么测?就是依靠信号传播的距离,距离=传播时间×光速,如果数字错一点,那个误差就大多了。所以对于星上的钟,所有的信号都是根据钟来发播的,那就要求很稳定的度星载原子钟,那就是10的13次方,大约就是百万年差一秒。

我们国家星载原子钟发展相对滞后,我们也都从美国、欧洲进口很高精度的原子钟,他们知道我们要搞卫星导航系统,结果就禁运了,一台也不卖给我们。像这样的两个问题,我说可以算是两个瓶颈问题,这样的问题很难在短时间解决。全球布站,我们很难短时间内发展,这个确实有一定困难。提到星座设计我们首先有三种卫星轨道,这是全球的图。一种是中轨卫星轨道MEO,高度是两万千米,像GPS,计划钟伽利略都是这样的高度,绕着全球转。

还有一种轨道是同步卫星轨道,这个是3万6千千米,就是要在赤道面上,同时要维持这个高度。同步卫星就是跟着地球一起转的高度,只有在这个高度才能跟地球自转一致起来,从地球上来看就是不动的。

还有倾斜轨道的同步卫星IGSO,这个高度同GEO一样,只不过不在赤道上,GEO是在赤道上,倾斜的角度我们采用是55度,在地面上观察轨道是像“八字型的”的轨道,从地面上观察来讲是有不同的特点。MEO是从东到西绕着全球转,GEO卫星是始终不动的,在我们国家上空发一个GEO,我们随时随地都可 以看到的。IGSO卫星是南北转,而且有一定的弧度范围。

我们说如果选择MEO或者IGSO轨道,如果可能绕过前面讲的两个瓶颈。因为这两个卫星不是东西跑,是南北跑,这个总跑不出我们国家,会离开我们国家的境内,但是不远,我们可以看得见,就是可以监测的到。这样我们就增加了跟踪弧段,IGSO和GEO我可以跟踪,如果和GPS一样的MEO,我们观测的弧段那只占全弧段的40%,那个精度就差了。

在国内设站的情况下,可以实现对GEO和IGSO的全弧度监测,这样就解决了我们没有办法在全球布站的问题,这样降低了星载原子钟的要求,要想取得准确的时间,我可以表好,比如说是欧米茄,我也可以天天和中央人民广播电视台对表,一个是表好,一个是勤对,如果不能勤对,那就是表好。但是如果GEO和IGSO我随时可以看得见,我随时都可以对表,因此在国内设站的条件下,可以实现勤对表。这样降低了对星载原子钟的技术要求,给我们国家发展高精度原子钟争取了时间,不是不发展,我们还是要发展。但是想立刻拿出来,这个拿不出来。这个不像包饺子,这个需要一个国家,有时候需要十年,甚至更长。国外比我们时间还要长,我们必须要一个发展的时间。

我们既然避开了两个发展的瓶颈,我们还要充分发挥GEO和IGSO的利用率高的特点,我们不是搞全球系统,而是一个区域系统,我们一会可以看到这个区域系统究竟有多大。

对于区域系统来讲,我们说这两种卫星的利用率是可以达到80%以上的,对于MEO我们国家的区域系统来讲40%,差了一倍。利用率高就意味着我们可以用比较少的卫星来达到同样的效能,这个是划算的,投入性能比也比较好。

在具体设计当中,经过了很多的探测,五个GEO和五个IGSO也就是十个卫星取得了满意的效果,对于覆盖区域大体上也接近地球的三分之一。

作为北斗二号,第一期就是区域系统,第二期就是全球系统。第一期星座就是5GEO+5IGSO。在赤道上分布了五个红点,就是地球同步卫星,同时在蓝色的地方是IGSO卫星,红色是不动,蓝色是沿着轨道运动。

如果说按照测距误差是两米的话,我们可以达到,甚至更高一点,我们估计一下这个系统究竟怎么样?我们给了一个图,这里分成几种颜色,绿色、蓝色、红色,绿色里面是由数字组成的。如果是6,这个就表示24小时之内最大的标准差是6米。蓝色的6,这个就不是6米了,是定位精度16米,红色6是26米。我们最关心的是橙色的,为什么最关心这个呢?这里有很多的蓝色的符号,都是美军在我们国家周边的军事基地,美军军事基地放在这里我们不关心行吗?不关心我们很可能会得到和伊拉克、利比亚、科索沃一样的结局。所以把最关心的放在这里,我们基本上6米到7米的样子,我们精度GPS也是一样。

刚才我们还讲了,采用这种卫星是利用率非常高,充分利用了利用率高的特点,其实这不是最早的方案,最早的方案是采用地球同步卫星和美国GPS一样大MEO卫星,这个方案已经上报给***,而且得到了首肯。

4GEO+12MEO效果是一样,我们最关心就是北半球,也就是说用16颗卫星还赶不上10颗卫星的性能好,就是我们重新发挥了IGSO和GEO利用率高的特点。总结起来就是前面的避短扬长,避开我们的瓶颈,扬长高利用率。

区域系统有区域系统的优势,系统级的广域差分,这个是美国人为了降低民用精度搞的SA,这个就是人为加入轨道误差和钟差误差,就是从30米降低到100米,美国民用最开始测试是30米,结果达到的是20多米。但是美国军方认为这个不行,因为民用美国人可以用,那世界其他军方也可以用,那就是降低到100米,当时为了解决这个问题,其实也是美国先提出来的,就是差分。最后发现比较好就是广域差分,广域差分原理很简单,就是布测一些参考站,这些站我是精确知道的,我也是利用GPS定位,利用你不对我来反求出来卫星轨道偏了多少。为了做到这一点,需要建立差分参考站,像我们国家需要20来个。

另外需要计算中心,还要通过注入站向地球同步卫星发射,把数据发射给卫星,地球同步卫星再告诉用户,这个同步卫星是GPS以外的。参考站观测卫星,通过注入同步卫星向用户发

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