杨振:关于印度区域卫星导航系统发展现状的研究
引文格式:
印度区域卫星导航系统的发展现状
2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统即北斗三号(BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3)建成开通,正式向全世界提供定位、导航及授时(positioning,navigation and time, PNT)服务。自此,已经建成并向世界各国提供PNT服务的全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)达到了四个,除BDS-3外,还有美国的全球定位系统(global positioning system,GPS);俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system, GLONASS);欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system, Galileo)。除了这四个GNSS外,在我国的邻国日本和印度,也建有区域卫星导航系统,即日本的准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system,QZSS)及印度的区域卫星导航系统(Indian regional navigational satellite system,IRNSS)。
本文介绍了印度区域卫星导航系统的发展历程,现状、星座特点及服务性能。
IRNSS的所有星载原子钟都是从瑞士精密仪器制造商斯佩克特拉·泰姆(SpectraTime)公司购买的铷原子钟,在IRNSS的每一颗卫星上,都安装了三台铷原子钟,其中一台原子钟为主钟,两台为备份钟。2017年1月18日,Galileo发生星载卫星原子钟大量失效的事故:18颗在轨导航卫星上的72台原子钟中,有10台原子钟发生故障,包括三台铷原子钟和7台氢原子钟,后来成功重启了一台氢原子钟。9台星载原子钟的失效,使Galileo的导航服务中断服务117 h。在Galileo星载原子钟大面积发生故障后的2017年1月30日,印度IRSNN-1A上的三台铷原子钟也全部失效。星载原子钟是卫星导航系统的核心,星载原子钟只有具备了“高精度、高稳定性、高可靠性”的特征,才能够为用户提供可靠的导航服务。据文献[6]报道,ISRO从SpectraTime公司一共采购45台铷原子钟,全部用都用到了IRSNN的导航卫星及其备份卫星上。
与其它卫星导航系统一样,IRNSS也是由空间段、地面段及应用终端组成[7],图1为IRNSS各系统示意图。图1中:IRIMS(IRNSS range and integrity monitoring stations)为IRNSS测距与完好性监测站;TT&C(telemetry, tracing and control)为遥测、跟踪及控制;CDMA(code division multiple access)为码分多址;SCF(spacecraft control facility)为飞行器控制中心;INC(ISRO Navigation Center)为ISRO导航中心。
01
空间段
IRNSS为用户提供标准定位服务(standard positioning service, SPS)及授权服务(restricted service, RS),授权服务RS主要为印度政府部门服务,其中军方是最重要的用户,可视作IRNSS的军用加密信号。其中SPS的设计定位精度为优于20 m;RS的设计定位精度优于SPS的定位精度,具体的设计精度是多少,目前仍处于保密状态。
02
地面段
03
用户端
04
IRNSS发展计划
为了提高IRNSS服务的可靠性,印度计划再发射5颗轨道倾斜角为 42°的IGSO卫星,编号为IRNSS-1J、IRNSS-1K、IRNSS-1L、IRNSS-1M及IRNSS-1N[9];研发拥有自主知识产权的星载原子钟,以防止出现IRNSS-1A星载原子钟全部失效的情况[10];从IRNSS-1J卫星开始,将在导航卫星上增加一个民用频段L1,并在L1C信号上实现与其他GNSS之间的兼容与互操作[10];通过双向卫星时间频率传递(two-way satellite time and frequency transfer,TWSTFT)方法,将IRNWT的时间溯源到新德里(New Delhi)的国家物理实验室(National Physical laboratory,IPL)保存的印度标准时(Indian Standard Time, IST)上[10];ISRO将与其他部门合作设计新型芯片,以扩大IRNSS的应用范围。
2017年1月30日,IRSNN-1A上的三台铷原子钟全部失效后,IRSNN-1A已经无法作为导航卫星使用了,目前ISRO将IRSNN-1A用来发送短报文,如图5所示。
目前L5传送短报文的速率为25 bit/s,短报文的数据长度为220~2220 bit;首帧传送短报文的长度不能够超过220 bit,如果短报文的长度超过220 bit,则需要对短报文进行分段并在后续帧中发送。持有短报文接收机的印度渔民,可以收到潜在渔区(potential fishing zones, PFZ)、飓风预警及海啸警报等短报文。ISRO将授权INRSS接收机生产厂家,研发能够同时接收导航数据及短报文的芯片,这样将来就能够在导航接收机上阅读这些短报文了。
按照IRNSS的设计指标,IRNSS提供的定位精度优于20 m,授时精度优于50 ns[8]。在IRNSS导航卫星星座布设完成后,已有很多人对IRNSS的实际定位精度进行了测试并与GPS的实际定位精度进行了比对。由于IRNSS的7颗导航卫星都处于36000 km左右的高轨位置,发射的导航信号可以全部覆盖印度国土,这样可以有效地避免高山、峡谷及城市高楼对卫星导航信号的影响,而GPS的导航卫星全部为中圆地球轨道(medium Earth orbit, MEO),轨道高度仅为20200 km,而且一直绕地球旋转,用户接收到GPS卫星信号会随时间和地点变化,图6为印度境内山区用户接收IRNSS与GPS卫星信号的示意图。
星基导航定位服务,是一个国家最为重要的基础上设施,IRNSS的建成并向印度及其周边地区提供导航定位授时服务,彰显了印度在航天领域的实力。但IRNSS的核心部件即星载原子钟全部来自国外,这在一定程度上制约了IRNSS的独立性和可靠性,给国家安全留下了隐患。IRNSS-1A星载原子钟的失效,也给我们敲响了警钟,在涉及国家安全等领域,必须拥有自主可控的技术,才能够彻底摆脱受制于人的被动局面。
文章作者:杨振(1994—),男,四川南部县人,大学,助理工程师,研究方向为卫星导航在测绘工程中的应用
文章内容来源:测绘学术资讯,原标题《杨振.印度区域卫星导航系统的发展现状》
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