什么是导航卫星?

什么是导航卫星?

[拼音]：daohang weixing

[外文]：navigation satellite

为地面、海洋、空中和空间用户导航定位的人造地球卫星。导航卫星属于卫星导航系统的空间部分，它装有专用无线电导航设备。由数颗导航卫星构成导航卫星网（也称导航星座），具有全球和近地空间的立体覆盖能力。因此，导航卫星能实现全球无线电导航并具有卫星测地功能。导航卫星在空间作有规律的运动，它的轨道位置每时每刻都可以精确预报。用户接收卫星发来的无线电导航信号，通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等导航参数，并根据卫星发送的时间、轨道参数求出定位瞬间卫星的实时位置坐标，从而定出用户的地理位置坐标（二维或三维坐标）和速度矢量分量。自1960年4月美国发射世界第一颗导航卫星“子午仪”1B号以来，美国和苏联共发射数十颗各种类型的导航卫星。

分类

导航卫星按导航方法分为多普勒测速导航卫星和时间测距导航卫星。前者供用户测量导航信号的多普勒频移来求出距离变化率进行导航定位；后者供用户测量导航信号传播时间来求出距离进行导航定位。导航卫星根据用户是否需要向卫星发射信号分为主动式导航卫星和被动式导航卫星；按照轨道高度还可分为低轨道、中高轨道和地球同步轨道导航卫星；依用途不同又可分为军用导航卫星和民用导航卫星等。现代应用的两代导航卫星中“子午仪”号和“导航星”号属于被动式导航卫星；交通管制卫星和搜索营救卫星属于主动式导航卫星。

技术特点

导航卫星在系统要求和卫星设计方面都有一些显著的特点。

导航星座

为了提供全球覆盖的导航能力，必须由若干颗导航卫星构成空间导航网，即导航星座。低轨道多普勒导航卫星的星座由4～5颗卫星组成(图1)，以保证全球任何地方的用户能在平均间隔为1.5 小时左右利用卫星定位一次。中高轨道时间测距导航卫星的星座要由十几颗到二十几颗卫星组成(图2)，以保证全球任何地方或近地空间的用户在任何时间一般都能同时看到 6颗以上的卫星，以便从中选择 4颗卫星进行连续实时的三维定位和测速。

轨道

选用圆形轨道，高度从低轨道、中高轨道直到地球同步轨道。多普勒导航卫星（如“子午仪”号）选用上千公里的圆形极轨道，既能减少大气阻力对轨道的影响，又不会使多普勒频移减小和传递误差增大；极轨道还使轨道进动最小和导航网比较稳定。被动式时间测距导航卫星大多采用2万公里左右圆形倾斜轨道，以求用较少的卫星实现连续实时的全球覆盖。

频率

多普勒导航卫星选用易于穿透电离层的甚高频频段，并采用双频来修正电离层的折射影响；时间测距导航卫星多选择L波段，并采用适当的调制技术，以满足精密测距对宽频带和长周期的导航信号要求。

控制

导航卫星必须进行姿态控制，使发射导航信号的定向天线对地定向。低轨道导航卫星一般采用重力梯度稳定，定向精度可达3°～5°。为了进一步提高轨道预报精度，必须对大气阻力等引起的轨道摄动进行实时扰动补偿。中高轨道导航卫星对控制精度要求较高，一般采用长寿命、高精度的三轴姿态控制（见航天器姿态控制），同时还须进行轨道控制，以实现轨道捕获、轨道保持和各卫星间的相位控制。

导航设备

导航卫星作为导航用户的定位基准，必须装备为用户提供导航定位信息的专用设备系统，它由高稳定度时钟、遥控接收机、导航电文存贮器（或计算机）、播发导航信号的双频发射机和定向天线组成。其中时钟是导航卫星最关键的设备，对频率稳定度的要求很高，例如，多普勒导航卫星上时钟用的晶体振荡器，频率稳定度达1×10-10左右;而时间测距导航卫星的时钟，必须采用原子频标，频率稳定度较晶体钟高三个数量级左右，氢原子钟的频率稳定度甚至高达1×10-14。导航电文存贮器用以存贮地面注入的卫星星历表、各种校正参数和其他信息。

主要卫星系列

美国和苏联先后发展了低轨道和中高轨道的导航卫星系列。此外，通过国际合作还发展了具有定位能力的民用交通管制和搜索营救卫星系列。

“子午仪”号导航卫星系列

美国低轨道导航卫星系列（见“子午仪”号导航卫星）。

“导航星”全球定位系统

美国中高轨道导航卫星系列（见“导航星”全球定位系统）。

交通管制卫星

包括航空和海事卫星，主要用于空中和海上交通管制，通过卫星中继用户和地球站之间的无线电信号，对飞机或舰船进行位置监测和通信联络。

搜索营救卫星

用于搜索和营救遇难飞机和船只的人造地球卫星。这类卫星能接收并转发遇难飞机或舰船应急信标机发出的呼救信号，经地面台站处理后获得遇难者的位置信息。苏联1982年发射的“宇宙”1383号是第一颗装有搜索营救系统的卫星，它曾帮助加拿大营救了飞机遇难者。美国已将搜索营救系统装到“诺阿”号气象卫星上，它能实时中继，也能存贮和转发遇难信号（见卫星救援）。

“宇宙”号导航卫星

混编在“宇宙”号系列中的苏联低轨道导航卫星和中高轨道导航卫星系列，它们的轨道和导航体制分别类似于美国的“子午仪”卫星导航系统和“导航星”全球定位系统。

参考书目

帕金森等编著，曲广吉等译:《导航星全球定位系统》，测绘出版社，北京，1983年。（B. W.Parkinson，The NAVSTAR/Global Positioning System， NAVIGATION，Journal of the Institute of Navigation，Vo1.25，No.2，Washington，1978.）