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北斗三號(hào)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

添加時(shí)間：2019-01-31 10:57:40 來(lái)源：上海北斗導(dǎo)航創(chuàng)新研究院

　　
上海微小衛(wèi)星工程中心研究員 任前義
 
　　為什么說(shuō)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)系統(tǒng)，但又是非常復(fù)雜的工程系統(tǒng)？這主要是由用戶的高精度要求所決定的。衛(wèi)星導(dǎo)航以衛(wèi)星作為基準(zhǔn)點(diǎn)和信號(hào)源，為用戶提供精確的位置和時(shí)間信息。用戶通過(guò)測(cè)量多顆衛(wèi)星之間的距離以獲得自己的精確位置，因此需要衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間維持精確的時(shí)間同步。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)極其微小的時(shí)間和空間誤差都會(huì)影響用戶的定位精度。
 
　　用戶終端位置的測(cè)量誤差主要包括三方面：與衛(wèi)星相關(guān)的誤差、與信號(hào)傳播相關(guān)的誤差，以及與接收機(jī)相關(guān)的誤差。作為衛(wèi)星的研制方，我們主要解決的問(wèn)題是衛(wèi)星引入的軌道誤差、星載原子鐘誤差，以及天線相位中心誤差。天線相位中心誤差可以精確標(biāo)定，因此我們主要從衛(wèi)星高精度導(dǎo)航時(shí)間生成、維持技術(shù)以軌道鐘差兩方面來(lái)論述。
 
　　如何衡量原子鐘的性能？或者衡量其是否適用于導(dǎo)航衛(wèi)星？主要根據(jù)原子鐘的準(zhǔn)確性，也就是頻率的準(zhǔn)確度來(lái)進(jìn)行判斷，同時(shí)要求原子鐘具有良好的頻率和頻率穩(wěn)定性。北斗二代采用了銣原子鐘，北斗三代采用了氫原子鐘結(jié)合銣原子鐘的方式，解決了氫原子鐘和銣原子鐘的頻率跟隨問(wèn)題。
 
　　對(duì)比原子鐘的核心性能指標(biāo)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，北斗的氫原子鐘與GPS、伽利略的原子鐘是持平的，將來(lái)我們還將發(fā)展冷原子鐘。冷原子鐘作為空間原子鐘的未來(lái)發(fā)展方向，無(wú)論從性能還是重量等方面考量，均適合用作導(dǎo)航星載原子鐘。通過(guò)激光冷卻技術(shù)將工作原子溫度降到UK量級(jí)，從而提高原子鐘的穩(wěn)定度，整體性能提升了半個(gè)量級(jí)以上，準(zhǔn)確度性能指標(biāo)提高了一個(gè)量級(jí)以上。
 
　　
 
　　由于北斗系統(tǒng)無(wú)法獲得在軌衛(wèi)星全弧段觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行軌道鐘差聯(lián)合解算，導(dǎo)致導(dǎo)航電文更新時(shí)間長(zhǎng)，電文精度低。因此，我們通過(guò)使用星間雙向測(cè)量數(shù)據(jù)支持星地聯(lián)合定軌，并提高定軌精度。
 
　　對(duì)星間觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量主要通過(guò)穩(wěn)定性指標(biāo)衡量。穩(wěn)定性要求小于0.1納秒，以實(shí)現(xiàn)對(duì)定軌和鐘差的計(jì)算，并使用重疊弧段進(jìn)行定軌精度評(píng)估。URE的指標(biāo)相對(duì)星地定軌模式降低了50%。針對(duì)用于時(shí)間同步的評(píng)估結(jié)果，在最極端的情況下，誤差也可由4納秒提升至1納秒。將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括發(fā)展高速星間鏈路、高低軌聯(lián)合定軌與自主導(dǎo)航，以支持衛(wèi)星進(jìn)行集中式定軌。
 
　　北斗衛(wèi)星是關(guān)乎國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前針對(duì)北斗衛(wèi)星的時(shí)間生成與維持、軌道鐘差的確定與預(yù)報(bào)，主要通過(guò)搭載高精度的氫原子鐘，提高衛(wèi)星鐘差的解算精度來(lái)進(jìn)行。未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星將會(huì)搭載更高精度的原子鐘，以實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度和更大帶寬的的星間鏈路，并提供導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。
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