北斗卫星导航系统星座设计案例研究 

籍利平（中国测绘科学研究院，北京 100036） 

各位同事：

下午好！

我的报告题目是：《北斗卫星导系统星座设计的方法论思想案例研究》。

北斗卫星导航系统（ 以下简称北斗 ）是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统。2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式建成、开通，面向全球提供卫星导航服务。

20世纪80年代，陈芳允院士提出“双星定位”构想。

1994年导航卫星工程立项，至今过去了30年。北斗三号也运行了四年，系统稳定可靠、服务性能世界一流。产业应用实现了可持续发展。

回顾一下北斗星座的设计方法，对于以后的发展是有益的。

大地测量与卫星导航专家、杨元喜院士的文章《北斗为何是国之重器？》提到：

前有美国的GPS，欧洲的伽利略，俄罗斯的格洛纳斯，我国为何还要集结400多个单位、30余万科研人员，几十年磨一剑，打造自己的全球卫星导航系统？用别国的导航系统，不自主，不可控！典型的案例，是1993年“银河号”事件。关键技术因素，就是我们还没有独立自主的卫星导航系统。当时，美国第一代导航卫星“子午仪”系统已经运行二十多年；第二代卫星导航系统——GPS也基本建成，发挥了很强的军事和经济作用。

现在，大家比较熟悉北斗导航卫星了。可是，如果时光倒流30年，这个名词还没有出现。我们的卫星导航工程，刚刚开始立项。

时光倒流79年——1945年呢？我们不得不提到一个英国人，阿瑟·克拉克。阿瑟·克拉克爵士出生于1917年，2008年病逝于斯里兰卡。担任空军上尉的克拉克，1945年10月在《无线电世界》发表了论文。

论文标题是《地外中继：火箭站能提供全世界无线电覆盖吗？》。他提出用3颗地球静止卫星，实现全球卫星通信设想。

3颗静止卫星的轨道高度是36000公里，运行周期都是24小时，安置在东经30°、150°和西经90°上空。

这个设想，比苏联第一颗卫星发射成功早了12年，比1965年4月6日美国成功发射“国际通信卫星1号”早了近20年。阿瑟·克拉克后来成了太空主题科幻大师。他1968年的科幻小说《2001：太空漫游》被拍成了电影。我国科幻小说作家刘慈欣，是他的忠实粉丝。

克拉克被誉为卫星通信理论的奠基人。他提出的地球静止轨道被称为克拉克轨道。克拉克轨道为此后我国双星卫星系统提供了轨道雏形。

1983年，军旅生涯七年、陈芳允院士（1916—2000）提出用两颗地球静止卫星，构成星基快速定位通信系统。这个设想满足我国发展独立自主导航定位的需求。

他是浙江黄岩人，18岁考入清华大学机械系。陈芳允院士是无线电电子学家，专业特长是卫星通信和测控。陈芳允院士60岁从军，成为某研究所副所长。这个经历，让他的军旅生涯跟加富有传奇色彩。甘愿成为“少帅”的副手和搭档，显示了他对名利的淡泊，从军目的是——更好地从事国防领域的科研。

1984年我国成功发射通信卫星。

1987年，陈芳允等人在《中国空间科学技术》发表论文《发展我国的星基定位通信系统》，再次论证了双星地位通信定位必要性和可行性。

1994年，卫星导航工程终于立项。《中国新闻周刊》曾经发表长篇文章《北斗前传》，披露了立项之前后的一些故事和细节。

2000年10月，我国第一颗北斗试验卫星终于发射；12月份，发射了第二颗试验卫星。可惜，陈芳允院士已经辞世于4月29日。

早在1980年代，解放军测绘学院就开始了《人造卫星大地测量学》的课程教学。这就自然而然地引出了下一个人物——许其凤院士（1936-2020），这本教材的编者之一。

许其凤院士是大地测量出身，本科就读于解放军测绘学院（北京：1953-1958）。他17岁入伍，从军、从教60多年。

鉴于美国GPS已经建成，我国不具备全球布设测控站的条件。为了发展独立自主的区域卫星导航系统，许其凤在2001年的论文里提出：

1）地球同步卫星和倾斜轨道同步卫星适于区域卫星导航系统。

2）地球同步卫星和倾斜轨道同步卫星，对区域卫星导航系统而言，具有较高的利用率；用来组成卫星星座，可以较经济地实现区域卫星导航。

3）倾斜轨道同步卫星，在局部地区轨道测定精度高、卫星钟钟差外推时段短且精度高；对卫星钟稳定性的要求可适当降低，适合我国国情。

4）中圆轨道卫星，测轨精度虽有部分轨道根数测定精度较低，但对导航定位精度没有显著影响。

5）中圆轨道卫星对区域卫星导航系统而言，在轨道测定精度、卫星钟差测定精度、外推时间等方面不具有优势。

在克拉克、陈芳允论述过的地球静止轨道基础上，在美国GPS采用的中圆卫星轨道之外，增加倾斜轨道同步卫星，可以解决无法在国外设立卫星监测站的问题。

      卫星导航星座的性能指标

一是共视性要求：在规定的截止仰角（5度或10度）下，在任何时刻、服务区内任意点，同时可见导航卫星数目不少于4颗。

二是定位精度因子。可以用几何精度因子、位置精度因子、水平精度因子、垂直精度因子等，衡量星座的导航性能。

三是星座值。覆盖区内，精度因子小于某一限定值的区域占整个服务区的面积百分比，在全时段上的平均值。

四是可用性，指的是系统为用户提供可用的导航服务的时间百分比。

还有，就是星座覆盖分析。比如覆盖带方法，可以用于区域连续覆盖和全球连续覆盖等各种星座的设计。   

美、俄、欧的导航星座都是单一的中圆轨道。北斗星座是拥有三种轨道类型的复杂星座。吉星、爱星轨道高度都是三万六千公里。萌星轨道高度为两万多公里，比美、俄的同类卫星轨道高，比欧盟的同类卫星轨道低。（四种系统的轨道，互不干扰）

           结束语

导航卫星星座设计，不是单纯的技术和工程问题，还受制于国家的军事策略、经济发展水平。本文所述不够全面，希望大家批评，以便于完善。

感谢大家！

  (以上为11月中旬在华侨大学召开的 第九届科技方法论研讨会上的口头发言稿，插图略去了。)