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为北斗打CALL：从北斗三号组网卫星谈北斗三代的三大特点

发表日期：2017年11月10日出处：未来空天【编辑录入：飞沙】

首先搬一段北斗系统总师的访谈：

（北斗网讯记者陈飚）2017年11月5日，北斗三号第一、二颗组网卫星发射成功，开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。北斗网记者专访了北斗卫星导航系统总设计师杨长风。

记者：北斗三号组网星首发成功，请您介绍下北斗三号系统相比北斗二号系统，有哪些创新点？

杨长风：相比北斗二号系统，北斗三号系统技术更先进、建设规模更大、系统性更强，详细体现在以下几方面：一是技术更先进，采用先进的技术体制和先进技术，通过集智攻关，攻克了一系列的技术难题，系统性能、卫星寿命、服务精度等指标全面优于北斗二号，达到世界一流水平。特别是，星上设备完全自主可控比肩世界一流。二是建设规模大，2020年我们要完成30多颗北斗三号卫星组网，比北斗二号的组网卫星多了一倍，时间紧，任务重。为此，通过优化流程，使卫星的研制周期缩短近30%，通过组批生产、组网发射的方式，完成北斗三号建设；三是系统性更强，增加星间链路，形成了星星组网、星地组网的复杂系统，极大提升了系统的一体化水平。在实现北斗三号信号平稳过渡方面，也充分考虑了老用户使用问题，在使用北斗三号新信号的同时，仍旧为老用户播发原有信号，让用户实现无差异平稳过渡。

另外，北斗三号在进一步提高基本导航服务能力基础上，按照国际民航标准提供星基增强服务（SBAS），按照国际搜救卫星组织标准提供国际搜索救援服务（SAR）。

杨总师的答案概括了北斗三代的三大特点。具体来说：

一、卫星个数多了

北斗二代只完成了亚太地区的定位服务覆盖，其星座构型中有5颗地球静止卫星（GEO）悬停在我们大中华地区的头顶上，以及5颗IGSO卫星，而环地球飞行的MEO卫星比较少，只有4颗，所以在世界其他地区只能收到不足四颗北斗卫星的信号，不足以完成定位计算。北斗三代将陆续补上更多的MEO卫星，以完成全球覆盖，让其他国家和地区也能享用到北斗的定位服务。而且更多的卫星也让卫星构型变的更好，定位结果更准。

图1 北斗二代星下点轨迹情况（固定点为GEO卫星，8字型为IGSO卫星，蚯蚓型为MEO）

卫星定位的原理其实就是个空间几何题，假如你知道三颗卫星到你的距离，且知道卫星的空间位置，是不是可以以你的三维坐标x、y、z为未知数列出三个三元二次方程，然后你又知道自己在地表上，所以可以舍弃一个明显在地心的解，就得到自己的位置了。

，其中是卫星的坐标，是卫星到你的距离。

图2 平面上三个圆交于一点。空间中是三个球面相交于两点，舍弃一个在地心的点

现在假设这三颗卫星在一个点上，那么三个方程就完全重复了，相当于只有一个有效方程，是解算不出你的位置的。当然这是极端情况。现在把这三颗卫星在空间的分布稍微拉开一些（假如三颗都在你的东边），就能够解算方程，但是解出来的位置在东西方向上精度不高，因为你的西边没有卫星，东边的卫星误差会偏向于一个方向，从而出现有偏噪声。

图3 卫星构型对定位精度的影响二维示意图。左、右图分别为两颗卫星轨道较近和较远的情况，黑线代表实际轨道，黄色区域为轨道误差。轨道越近，黄色相交区域越不均匀，测量噪声越容易成为有偏噪声

现在再把三颗卫星均匀分布于东、北、西方向，精度必然提高。再多放一些卫星在不同的方位上，就有了多个方程，用最小二乘法来求解三个未知数，就得到更高的精度。

上面说到的是简化模型，实际上还有一个接收机钟差未知数，所以至少需要4颗卫星才能定位。

二、定位精度提高了

这里面涉及到很多技术进步，杨总一笔带过了。这里拣我知道的说几条：

1.卫星到你的距离是通过卫星信号的传输时间乘以光速得到，大家知道光速是个很大的量，所以要得到精确的距离，就需要精确的时间，因此卫星钟的精度就很重要。而这种高技术的东西欧美肯定是要对我国进行封锁的，所以我们只能自力更生，自主研发。据知，我们的原子钟精度已经达到国外的精度，只是在稳定性上还有所差异，而且每年都有进步。这次新发的卫星，使用了更精确的铷原子钟，天稳定度达到 10E-14量级，相当于300万年只有1秒误差[1]。GPS目前用的原子钟为铯原子钟，天稳定度为10E-14量级[2]。老美研发的最高精度原子钟精度为10E-15量级[3]。

卫星的时间精度很高，可是地面上接收机时钟的精度低多了，传输时间等于接收机接收信号时刻减去卫星发射信号的时刻，这就引入了接收机钟差。为了消除接收机钟差的影响，所以要在上文的方程中加入一个未知数。所以卫星导航需要至少4颗卫星。

2.卫星信号在大气层中传输的过程中，会受到电离层和对流层的影响，引起测量距离误差，所以需要知道电离层、对流层的数学模型，用来补偿掉这些误差。而这些模型都是靠地面站长期测量进行反演得到的，目前GPS使用的Klobuchar通用模型只能改正约50%的电离层误差，欧洲则根据自身区域的观测数据建立了NeQuick模型，据称在欧洲地区可以改正72.4%的电离层误差。我国近几年由中科院测地所袁运斌老师团队建立了BDSSH模型，在中国地区可以改进80.2%以上的电离层误差，在全球范围内可以改进77.2%的电离层误差，优于Klobucha和NeQuick模型[4]。北斗三代将会播发这种模型给用户使用，提高定位精度。

三、星间链路

知道了卫星到你的距离，还要知道卫星的精确位置，才能解算出你的绝对位置。而卫星的位置怎么确定呢？同样的道理，也是空间几何题。假设你知道三个地面上点到一颗卫星的距离，并且知道这三个地面点的精确坐标，是不是就能解算出卫星的坐标？这里的地面点也存在构型的问题。如果这三个地面点分布范围广，相互之间角度大，就能得到更为精确卫星的位置。但是呢，因为国际关系方面的原因，我们很难在世界其他地区建立观测点。目前境外好像只在巴铁、南美某国、非洲某国建了观测站，其他的观测点都在国内以及我们的远望号测量船上。这就限制了我们北斗的发展。可是劳动人民的智慧是无穷的，我们的科学家开发出了星间链路这种技术，简单来说就是通过卫星间的位置相互定位，假如某一些卫星的位置定的比较准确了，就把它们的位置也作为观测点，联合其他地面观测点去定位其他的卫星。这样一来，卫星的位置精度就能够得到大幅提高。