“北斗二代”卫星导航系统的星座设计
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【摘要】本文阐述了“北斗二代”的星座设计需要考虑的问题，另外基于北斗史无前例的星座设计方案（中轨卫星MEO+地球同步卫星GEO+倾斜地球同步轨道卫星IGSO），增加星间链路，搭载北斗接收机，增加天线等方法进行卫星自主定轨。
【关键词】北斗二代；星座设计；自主定轨
[ Abstract ] this article elaborated " the two generation " of the constellation design considerations, and there was no parallel in history. Based on Beidou constellation design scheme ( satellite MEO+ geostationary satellite GEO+ inclined geosynchronous satellite IGSO ), increases inter-satellite link, with Beidou receiver, increase the antenna for satellite autonomous orbit determination.
[ Key words ] the two generation; constellation design; autonomous orbit determination
中图分类号：[G232.3]文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
引言
美国的GPS、俄罗斯的GLONASS促进了导航定位理论的发展与应用，也促进了相关产业的发展。继美国、俄罗斯，中国与欧盟先后启动建设自己的卫星导航系统北斗导航系统北斗系统和Galileo系统。北斗导航系统分为“北斗一代”与“北斗二代”，自二十世纪八十年代独立建设，于2003年完成北斗卫星导航验证系统“北斗一代”，多个领域得到了广泛的应用。接着开始新一代的全球导航定位系统的建设“北斗二代”。北斗卫星导航系统集导航定位、授时、用户监测、短报文通信于一体，是国家重要的基础设施, 也是国际导航系统的重要组成部分发展独立自主的卫星导航系统也是国家的重大国策。
北斗二代卫星导航系统
“北斗一代”卫星导航系统的工作原理、技术手段、设备等受限于当时的国情，在定位精度、可靠度、速度等方面效果差，并且只是区域性的，虽然，“北斗一代”的运营成功也为下一代的导航系统“北斗二代”的建设提供宝贵的经验。我国正在组建的“北斗二代”采用单程无源定位，定位原理与GPS等相同，提供全球性的定位导航服务，系统构成等与GPS类似，包括空间部分、地面监控部分、用户部分。空间部分包括卫星、卫星星座，地面监控部分包括主控站、监测站等，用户部分包括接收机、天线等。北斗二代系统组建时应借鉴、参考GPS系统，并且采用更为先进的技术手段和方法，改进GPS等已有系统的不足之处。
2.1 开普勒轨道根数
卫星在地心赤道坐标系O-XYZ中的运动，地心赤道坐标系的原点在地球质心，X轴在赤道面内，指向春分点，Z轴垂直赤道面，与地球自转角速度方向一致，Y轴与X轴、Z轴构成右手系，如图2所示。为确定卫星在卫星轨道上的运动，取6个轨道要数，也称为开普勒轨道根数。
椭圆轨道的长半径
椭圆轨道的偏心率
卫星轨道面与赤道面的夹角，即轨道倾角
升交点赤经，卫星由南半球飞往北半球与赤道的交点为升交点，升交点赤经是升交点与春分点的夹角。
卫星轨道面上近地点与升交点之间的地心角距，即近地点角距
卫星轨道面上卫星与近地点之间的地心角距，即真近点角。
其中和确定了开普勒轨道的大小和形状，和唯一地确定卫星轨道与地球之间的夹角，确定了开普勒椭圆在轨道面上的定向，确定了卫星在轨道上的瞬时位置。
图2 卫星轨道参数
2.2 Walker星座
卫星星座可以这样定义:具有相似的类型和功能的多颗卫星，分布在相似的或互补的轨道上，在共享控制下协同完成特定的任务。星座设计常采用的卫星星座有R星座，玫瑰星座，Walker2D星座等。其中Walker星座以其独特的优势，成为导航卫星星座设计中的首选。
Walker 在研究了给定卫星数量的情况下，就如何设计星座使得覆盖面积最优的问题，提出了一系列的星座，后来经过Ballard 的扩充改进，形成了被国际上广泛使用的Walker 星座体系。
Walker 具有很好的对称性，星座采用圆轨道，星座中所有轨道平面的倾角相同，各个轨道平面的升交点在赤道圆周上均匀分布，每个轨道面上的卫星数相同，各个轨道面上的卫星等间隔分布，为使不同轨道的卫星覆盖区能够实现最好的结合，相邻轨道面卫星间的初始轨道位置相隔一定的间隔，称为星间相位。Walker 星座共有4个参数，按照其星座的惯用符号和表示方法，可简单记为：i :T / P/ F 。其中， i 为卫星轨道倾角， T 为卫星总数， P 为卫星轨道数目， F 是相位因子且0 ≤ F ≤ P −1。例如全球定位系统GPS的最初星座计划为，轨道倾角63°，总卫星数24颗，卫星轨道数目3。
2.3 北斗二代星座设计
人造地球卫星按轨道高度可分为，低轨卫星LEO，中轨卫星MEO，高轨卫星HEO，地球静止卫星GEO。图3给出了各种轨道的高度比较示意图，各种轨道均以0°倾角画出。
图3 卫星轨道高度比较示意图
图中所示的内、外范·艾伦辐射带由于包含大量电子对电子电路的破坏性，选择卫星轨道时避开这两个区域，卫星轨道较低时，大气阻力对卫星的影响不能忽略，一般认为轨道高度＜700km时，大气阻力严重影响卫星的飞行，缩短卫星的寿命，轨道高度＞1000km时，大气阻力的影响可以忽略。所以，实际可用的轨道高度如表1所示。
表1 各种类型卫星的轨道可用范围
轨道类型 卫星高度（km）
LEO 700~1500
MEO 8000~20000
GEO 35786
HEO 远地点40000
星座设计的首要考虑的是以最少数量的卫星实现对指定区域的连续覆盖，北斗二代的卫星采用的是中轨卫星MEO+地球静止卫星GEO+倾斜地球同步轨道卫星IGSO组成。
地球静止卫星GEO覆盖面积广，与地球相对静止，便于管理，在卫星通讯领域有绝对优势，但是无法为高纬度特别是两极地区提供覆盖，星间链路损耗大，通讯时延长。中轨卫星相比GEO卫星具有较小的传输损耗和通信时延，并且容易实现全球覆盖，而地球同步轨道卫星IGSO主要解决高纬度、极地地区信号覆盖问题。
首先考虑卫星轨道高度，GEO、IGSO卫星的轨道高度很好确定，中轨卫星MEO的轨道高度则根据其运行周期（速度）确定，运行周期与轨道高度的关系为：
其中，为地球半径，为开普勒常数。
对中轨卫星，采用回归轨道，使其星下点轨迹每日重复，星座的覆盖特性以日为周期，在每天的一个时间段里通过某个固定的区域，有利于对固定区域的覆盖，例如GPS卫星的运行周期是11h58min。回归轨道可供选择的轨道有20183km、13929km、10355km，轨道高度影响到星座的覆盖性能，轨道越高卫星的覆盖范围就越大，应该尽量采用高轨道，北斗二代中轨卫星轨道高度为21500km。