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浅谈北斗二号退役GEO卫星的再利用

佚名 科学 2020年12月04日

浅谈北斗二号退役GEO卫星的再利用

随着北斗三号的组网建设,北斗二号卫星将逐步切出系统。通过分析,北斗二号“设计到寿”的GEO卫星在切出系统后还可在轨正常工作较长时间。本文对北斗二号即将退役的GEO卫星再利用进行了探讨,对在轨GEO卫星的服务能力、资源约束条件、服务区域、服务类型、服务需求的满足程度等方面进行了分析,为导航卫星的后续工作计划、空间资源最大化利用提供参考。


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1.前言


目前北斗二号卫星导航系统有7颗GEO卫星、7颗IGSO卫星和3颗MEO卫星在轨工作,提供我国及周边区域的定位、授时、报文通信、远程时间比对等服务。随着北斗三号完成全球组网并正式提供服务,北斗二号卫星或将逐步切出系统。按照卫星设计要求,到2020年底共有五颗GEO卫星在轨工作超过设计寿命。通过对卫星在轨寿命评估,“设计到寿”卫星在切出系统后仍能在轨正常工作较长时间。尤其是GEO卫星同时配置了RNSS、RDSS、CC转发器载荷,可提供服务种类多、可见时间长、可利用轨位资源多、姿态调整等能力较大。本文对北斗二号即将退役的GEO卫星再利用进行了探讨,为导航卫星的后续工作计划、空间资源最大化利用提供参考。


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2.北斗二号GEO


卫星载荷服务能力


2.1


RNSS 载荷服务


北斗二号导航卫星提供三个频段六路导航信号,其中B1I和B2I公开服务信号免费向亚太地区提供公开服务。服务区为南北纬55度、东经55度到180度区域,定位精度优于10米,测速精度优于0.2米/秒,授时精度优于50纳秒[1]。


2.2


RDSS和CC转发器服务能力


每颗北斗二号GEO卫星配置三类转发器:入站L/C转发器、出站C/S转发器,提供站间时间同步与数据传输服务的C/C转发器。利用这些转发器,北斗二号GEO卫星可提供精度10ns的双向授时服务、每小时54万次的服务短报文服务、满足北斗运控任务需求的数据传输能力和高精度的远程时间比对能力[4]~[9]。


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3.再利用服务模式分析


3.1


服务范围


通过比较广泛的调研及分析,为突出再利用的特色和价值点,北斗二号GEO卫星的再利用服务主要面向北斗三号服务不能支持的地区和领域,或者尚未有很好解决方案的重大任务和行业需求。期望的服务范围可划分为三个主要区域:


(1)“一带一路”区域:约南纬6°~北纬56°,东经4°~东经120°之间的区域。


(2)“南海热点及二岛链”区域:约南纬10°~北纬50°,东经100°~东经160°的区域。


(3)“北极航线”沿线区域:从中国大连出发,绕白令海峡,沿俄罗斯北部,至欧洲鹿特丹,覆盖区大约为北纬30°~北纬80°,西经10°~西经160°的区域。


图 1 北斗二号 GEO 卫星再利用期望服务区示意图


3.2


服务类型


北斗二号GEO卫星可支持的服务类型主要有:


(1)军事通信保障:针对我国境外的军事基地、亚丁湾护航、北极航线、南海热点地区的军事活动,调整卫星的覆盖区域,综合利用GEO卫星的L/C、C/S转发链路和C/C通信链路,实现用户到本土、用户与用户之间的双向链路通信保障。


(2)天基物联网中低速数据传输:针对跨境运输、海洋工程等重大行业的大范围、中低速监测数据传输需求,利用GEO卫星的报文通信服务或者转发通道,满足相关需求。


(3)境内外基于RNSS的区域增强服务:针对“一带一路”国家建设星基增强系统的需求,按照国内外星基增强系统的发展现状,要求至少支持250bps 以上的信息播发速率。可使用GEO卫星的C/S出站转发通道或者I支路导航导航进行播发,但需要根据信息内容对信息格式进行重新编排。


(4)卫星导航系统关键技术验证:面向部分国家建设区域卫星导航系统的需求,利用北斗二号导航卫星,可实现其卫星导航系统关键技术的在轨验证,如地面运控技术、增强技术、导航信号接收处理技术等。


(5)天基高精度授时及时间比对:面向精度需求优于5ns的高精度授时用户及政府和研究机构之间的高精度时间比对需求,基于GEO卫星的C/C时间比对载荷,使用双向时间比对方法实现高精度授时及时间同步服务。


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4.再利用服务设计的约束条件


4.1


可用的北斗二号卫星资源


GEO卫星各路转发器共同完成对我国及周边地区的多重覆盖。转发器的输入输出特性、信道容量等基本确定,天线均为固定安装,其指向相对卫星本体不可移动。通过调整卫星的轨道和姿态能够改变各个波束的覆盖区域,从而支持对应的用户需求。


到2020年10月,北斗二号5颗GEO卫星全部达到设计寿命,且北斗三号的3颗GEO组网卫星也全部发射升空,与北斗二号的2颗备份GEO卫星共同“继承”北斗二号GEO卫星的任务。在这种情况下,北斗二号的5颗GEO卫星均可“切出系统”,为各类用户提供再利用的空间资源。


4.2


GEO 卫星轨位资源约束


GEO卫星切出系统后可以根据任务需求工作在合适的轨位。北斗二号的5颗地球静止轨道(GEO)卫星,分别定点于58.75°E、80°E、110.5°E、140°E 和 160°E[10]。由于北斗三号的在轨服务,至少需要使用五个轨位,综合考虑轨位受限于与服位间隔等因素,北斗二号GEO卫星再利用至少有两个轨位可以优先考虑使用。除北斗卫星申请的轨位外,还可优先选择我国申请的其它二十多个GEO轨位资源,根据需要进行分析协调后,可以将GEO卫星调整到相应轨位提供服务。


4.3


测控站跟踪约束


地面测控系统主要是通过国内测控跟踪站对卫星平台进行在轨长期运行管理。通过对国内测控站的调研分析,国内测控站可满足跟踪需求,即我国所有申请的的 GEO 卫星轨位资源范围内,国内测控站均可满足跟踪要求。


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5.再利用方案初步分析


5.1


基于RDSS 转发器和


CC 转发器的通信服务


北斗二号的GEO卫星可提供的转发服务类型包括:


(1)短报文服务


(2)RNSS+RDSS的位置报告服务


(3)基于CC链路的精密授时服务


(4)基于转发器的通信服务


对于卫星当前的在轨状态来说,天线的波束覆盖在南北方向上仅能满足北纬10°~北纬55°的要求,若要扩大或调整服务范围,一种办法是利用卫星本身的偏置能力,另一种办法是提高地面设备能力,让用户进行降增益使用,也可以降增益与偏姿态联合使用,根据覆盖范围需求可以灵活的进行卫星姿态和地面设备的设计。


5.1.1“一带一路”服务区域分析


综合考虑GEO卫星的覆盖区域和轨位的合法性,从已有的GEO卫星轨位资源中选择16.8°、37.8°、58.7°、98°、123°等 5个轨位进行分析。结果表明,在不进行姿态偏置的情况下,5 颗 GEO 卫星提供的 L 上行和 S 下行波束可基本覆盖北纬10度以上的一带一路区域,C上下行波束可覆盖北纬15°以上的一带一路区域,且5颗星的C波束均可覆盖我国西部地区,可选择合适地点作为地面中心站用于入站、出站信息接收和发送。根据波束仿真分析结果,在北斗二号RDSS技术指标下,覆盖范围可达70%。


5.1.2 “二岛链及南海热点区域”服务区域分析


单星覆盖即可基本满足经度覆盖要求,但无法满足纬度至南纬10°的覆盖要求,对于南纬的覆盖,可以考虑进行降增益使用或滚动偏置。


选择160°E的GEO卫星进行波束覆盖分析,可以看出,该GEO卫星在160°E时提供的L上行和S下行波束可基本覆盖北纬10度以上的二岛链及南海热点区域,C波束可覆盖北纬15°以上的二岛链及南海热点区域区域。根据波束仿真分析结果:L、S 波束在降增益使用6dB的情况下,约能覆盖至赤道。


5.2


地基/天基增强信号播发


5.2.1 利用 CS 出站通道进行播发


利用GEO卫星的转发器进行地基增强信号的播发,是一种透明转发方案,星上不进行处理,电文格式、信息速率约束小,使用灵活。卫星具有3种转发器,其中C/S的S频段发射信号的落地电适宜用户机的接收。


选用不同码速率、不同编码方式,可获得性能不同。从S通道链路预算上来看:使用上行C、下行S,可播16kbps 播发速率的信号。


该方案优点在于可以使用现有的电文格式,不需进行重新编排和更改,采用透明转发模式对用户进行播发,可达到较高的码速率,同时对各类信息的播发频度没有限制,地面可视使用情况进行电文播发频度、播发内容的调整。


由于电文编排灵活,扩展度好,可以随着北斗三号的建设不断进行信号(星号)扩展。而且目前的导航+RDSS接收机很成熟,使用S下行对用户接收机成本增加有限。


该方案的主要不足是S波束设计为覆形波束而非覆球波束,即仅能对S波束覆盖区内的用户提供服务,但可以通过多个波束拼接的方式扩展服务覆盖区域。


5.2.2 使用 RNSS 导航信号 I 支路播发


GEO卫星I支路具备码速率500bps的基本导航电文播发能力。根据卫星与地面的ICD文件,GEO卫星I支路播发D2码。D2码由超帧、主帧和子帧组成。每个超帧180000bit,历时6min。一个超帧由120个主帧组成。每个主帧1500bit,历时3s。一个主帧由5个子帧组成,每个子帧为300bit,由10个字组成,历时0.6秒。每个字为30bit,历时0.06 秒,包含导航电文信息及校验码两部分内容[11]。


每子帧字1的前15bit信息不进行纠错编码,后11bit信息采用BCH(15,11,1)方式进行纠错,信息位共有26bit。其它9个字均采用BCH(15,11,1)加交织方式进行纠错编码,信息位共有22比特。


D2码电文内容通过卫星自主生成和上行注入信息获取两种方式,根据对GEO卫星有效载荷可利用电文的详细分析,统计结果见表2:每一主帧(3s)下传信息至少为908bit,但由于各类信息启用时间、更新速率的限制不同,对用户的需求的满足度需要进一步分析。


该方案的优点在于,可以使用现有的北斗接收机进行信息接收,只需对信息提取重新进行定义即可完成信息的接受,用户成本小,且RNSS信号为覆球信号,容易实现大 范围播发。


该方案的缺点在于:卫星上下行的接口要重新进行定义,上行注入策略、下行播发信息编排均要在原北斗二号的基础上重新填装;根据星上的实现情况,播发频度具有强约束性,需要根据需求仔细设计。


5.3


地面设备支持情况分析


对于基于GEO卫星转发器通信应用,主要有两种方案:一是采用目前RDSS服务体制,其优点是技术成熟,用户设备无需改动;但需要根据服务区域重新建立中心处理站,如服务一路一带区域可在喀什设站,服务南海及二岛链区域可使用北京或三亚站,服务北极航线区域在北京或在哈尔滨等地设站。具体任务上,需与目前的RDSS服务系统进行协调。二是根据需要重新设计服务体制,优点是针对需求,服务高效、灵活,能最大限度的发挥北斗卫星的能力;缺点是需要重新研制用户设备和中心处理站,同样面临需要建站问题。


对于增强信号发播服务,无论使用C/S通道还是导航信号的I支路进行发播,都需要根据需求重新进行增强电文设计、改造地面上行注入设备。


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6.总结


北斗二号退役GEO卫星服务可分为三大服务区、两种服务类型。三大服务区分别为“一带一路”服务区、“二岛链及南海热点区域”服务区、“北极航线”服务区。两种服务类型分别为RNSS服务(增强服务)、转发器服务。通过对各服务区、服务类型、需求满足性进行的分析,北斗二号GEO卫星数量多、覆盖范围广,可提供的服务类型多,通过对用户的针对性设计,通过对在轨卫星工作状态较少的改动即可以满足相当多的用户需求,从而实现北斗二号“到寿”GEO 卫星资源的最大利用。


参考文献:


[1]中国卫星导航系统管理办公室发.《北斗卫星导航系统公开服务性能规范》(1.0 版),2012.


[2]郭树人:北斗三号导航定位技术体制与服务性能[J].测绘学报,2019,(7):110~115.


[3]欧阳晓凤.北斗导航系统信号质量分析与评估技术[D].国防科技大学,2013.


[4]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1—6


[5]吕伟,朱建军.北斗卫星导航系统发展综述[J].地矿测绘,2007,(9):29~32.


[6]于洪喜,崔骏业.中国导航卫星有效载荷技术的进展[J]。空间电子技术,2002(1):19~22.


[7]张虹,广伟,袁海波.TWSTFT 与北斗共视数据融合算法研究[C]. 第九届中国卫星导航学术年会论文集,哈尔滨,2018.


[8]孔垚,杨旭海,孙保琪等.基于"北斗"观测数据的C波段双向卫星时间频率传递中的电离层改正[J].时间频率学报.2012(7):148~152.


[9]王宏兵,温日红.北斗卫星RDSS载荷定位转发器在轨测试方法研究[C].第一届中国卫星导航学术年会论文集,北京,2010.


[10] 陈志鹏,胡彩波,刘昌洁. 基于系统服务性能提升的北斗卫星备份星轨位方案分析:第七届中国卫星导航学术年会论文集[C].长沙:中国卫星导航学术年会组委会,2016.


[11] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件-公开服务信号B1I(1.0 版),2012.12.


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来源: 国家空间科学中心


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