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楊振.印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報,2021, 9(3): 20-25.（YANG Zhen. Development status of the Indian regional navigation satellite system[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(3): 20-25.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20210304.

印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

楊振

（四川中水成勘院測繪工程有限責(zé)任公司，成都 610000）

摘要：2018年4月12日，印度成功發(fā)射了第8顆導(dǎo)航衛(wèi)星IRNSS-1I，完成印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（IRNSS）空間段的部署。目前IRNSS共有8顆在軌衛(wèi)星，其中7顆衛(wèi)星用于發(fā)送導(dǎo)航信號，一顆星載原子鐘失效的衛(wèi)星IRNSS-1A用來播發(fā)短報文。介紹了IRNSS的導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展歷程；導(dǎo)航星座的特點；發(fā)展計劃及INRSS的定位精度。

關(guān)鍵詞：區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航；導(dǎo)航星座；星載原子鐘；短報文服務(wù)

引言

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）建成開通，正式向全世界提供定位、導(dǎo)航及授時（positioning,navigation and time, PNT）服務(wù)。自此，已經(jīng)建成并向世界各國提供PNT服務(wù)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）達(dá)到了四個，除BDS-3外，還有美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system,GPS）；俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）；歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）。除了這四個GNSS外，在我國的鄰國日本和印度，也建有區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system,QZSS）及印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Indian regional navigational satellite system,IRNSS）。

IRNSS是由印度空間研究機(jī)構(gòu)（Indian Space Research Organisation,ISRO）開發(fā)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：2013年7月2日開始發(fā)射第一顆導(dǎo)航衛(wèi)星IRNSS-1A，2018年4月12日成功發(fā)射了第8顆導(dǎo)航衛(wèi)星IRNSS-1I，這期間一共發(fā)射了9顆組網(wǎng)衛(wèi)星[1]，其中2017年8月31日發(fā)射的IRNSS-1H導(dǎo)航衛(wèi)星，由于整流罩未能分離，導(dǎo)致IRNSS-1H無法入軌，宣告該次發(fā)射失敗[2]，目前在軌服務(wù)的導(dǎo)航衛(wèi)星為8顆。

2016年4月29日，在印度成功地發(fā)射第7顆導(dǎo)航衛(wèi)星后，印度總理納倫德拉·莫迪（Narendra Modi）宣布，將IRNSS更名為“納維克（NavIC）”，NavIC在梵語中表示“領(lǐng)航者”或者“舵手”。ISRO又解釋說，NavIC為“Navigation with Indian Constellation（印度星座導(dǎo)航）”的縮寫[3]。

本文介紹了印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程，現(xiàn)狀、星座特點及服務(wù)性能。

NavIC的發(fā)展歷程

1999年，印度和巴基斯坦在卡吉爾（Kargil）地區(qū)發(fā)生軍事沖突，當(dāng)時巴基斯坦的軍隊及其支持者占據(jù)了Kargil地區(qū)的冰雪峽谷。印度軍隊在采取軍事行動前，想從美國得到巴基斯坦軍隊駐扎地的有關(guān)位置數(shù)據(jù)，但遭到美國的拒絕。該事件促使印度意識到建立擁有自我掌控的星基衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性[4]，2006年5月，印度政府批準(zhǔn)了IRNSS項目，計劃于2016年完成組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射并為用戶提供服務(wù)。表1為IRNSS發(fā)射的導(dǎo)航衛(wèi)星狀況。表1中：GEO（geostationary Earth orbit）為地球靜止軌道，IGSO（inclined geosynchronous orbits）為傾斜地球同步軌道。

IRNSS的所有星載原子鐘都是從瑞士精密儀器制造商斯佩克特拉·泰姆（SpectraTime）公司購買的銣原子鐘，在IRNSS的每一顆衛(wèi)星上，都安裝了三臺銣原子鐘，其中一臺原子鐘為主鐘，兩臺為備份鐘。2017年1月18日，Galileo發(fā)生星載衛(wèi)星原子鐘大量失效的事故：18顆在軌導(dǎo)航衛(wèi)星上的72臺原子鐘中，有10臺原子鐘發(fā)生故障，包括三臺銣原子鐘和7臺氫原子鐘，后來成功重啟了一臺氫原子鐘。9臺星載原子鐘的失效，使Galileo的導(dǎo)航服務(wù)中斷服務(wù)117 h。在Galileo星載原子鐘大面積發(fā)生故障后的2017年1月30日，印度IRSNN-1A上的三臺銣原子鐘也全部失效。星載原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，星載原子鐘只有具備了“高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性”的特征，才能夠為用戶提供可靠的導(dǎo)航服務(wù)。據(jù)文獻(xiàn)[6]報道，ISRO從SpectraTime公司一共采購45臺銣原子鐘，全部用都用到了IRSNN的導(dǎo)航衛(wèi)星及其備份衛(wèi)星上。

IRNSS的發(fā)展現(xiàn)狀及計劃

與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，IRNSS也是由空間段、地面段及應(yīng)用終端組成[7]，圖1為IRNSS各系統(tǒng)示意圖。圖1中：IRIMS（IRNSS range and integrity monitoring stations）為IRNSS測距與完好性監(jiān)測站；TT&C（telemetry, tracing and control）為遙測、跟蹤及控制；CDMA（code division multiple access）為碼分多址；SCF（spacecraft control facility）為飛行器控制中心；INC（ISRO Navigation Center）為ISRO導(dǎo)航中心。

空間段

IRNSS的空間段由7顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成，其中三顆為GEO衛(wèi)星，四顆為IGSO衛(wèi)星，三顆GEO軌道衛(wèi)星分別定位于34°E、83°E和132°E處；四顆IGSO衛(wèi)星部署在兩個軌道面上，其軌道傾角均為29°，升交點赤經(jīng)分別為135°E和310°E，衛(wèi)星的地面軌跡在赤道兩側(cè)對稱分布，這樣在印度本土區(qū)域內(nèi)，連續(xù)可見的IRNSS衛(wèi)星數(shù)目為7顆，如圖2所示[8]；另外一顆為星載原子鐘失效的IGSO衛(wèi)星IRNSS-1A，現(xiàn)在用來發(fā)播短報文，因此，IRNSS的空間段現(xiàn)在擁有8顆衛(wèi)星。

圖1 IRNSS結(jié)構(gòu)示意

圖2 IRNSS空間導(dǎo)航衛(wèi)星分布[8]

IRNSS的衛(wèi)星播發(fā)L5頻段和S頻段的導(dǎo)航信號，IRNSS L5頻段導(dǎo)航信號的中心頻率為1176.450 MHz，帶寬為24 MHz；S頻段導(dǎo)航信號的中心頻率為2492.028 MHz，帶寬為16.5 MHz[5]。由于IRNSS L5頻段的導(dǎo)航信號與美國的GPS Block IIF衛(wèi)星的L5頻段導(dǎo)航信號（中心頻率為 1176.45 MHz，帶寬為12.5 MHz），歐盟Galileo E5a頻段的導(dǎo)航信號（中心頻率為1176.45 MHz，帶寬為20.46 MHz），日本QZSS L5頻段的導(dǎo)航信號（中心頻率為1176.45 MHz，帶寬為12.5 MHz）的中心頻率相同，可以實現(xiàn)信號兼容與互操作。

IRNSS為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（standard positioning service, SPS）及授權(quán)服務(wù)（restricted service, RS），授權(quán)服務(wù)RS主要為印度政府部門服務(wù)，其中軍方是最重要的用戶，可視作IRNSS的軍用加密信號。其中SPS的設(shè)計定位精度為優(yōu)于20 m；RS的設(shè)計定位精度優(yōu)于SPS的定位精度，具體的設(shè)計精度是多少，目前仍處于保密狀態(tài)。

地面段

地面段負(fù)責(zé)IRNSS星座的維護(hù)與運行，包括監(jiān)測星座的運行狀態(tài)、給出衛(wèi)星軌道參數(shù)修正值，注入導(dǎo)航數(shù)據(jù)等，IRNSS的主要地面設(shè)施如圖3所示，目前ISRO建有16個IRIMS，已經(jīng)與印度尼西亞簽署了合作協(xié)議，將在印度尼西亞建立一個IRIMS和一個TT&C站。圖3中：IRNWT（IRNSS network timing centre）為IRNSS網(wǎng)絡(luò)授時中心；IRCDR（IRNSS CDMA ranging stations）為IRNSS CDMA測距站，IRSCF（IRNSS spacecraft control facility）為IRNSS飛行器控制中心。

用戶端

IRNSS可以為印度本土及其毗鄰印度1500 km的區(qū)域提供標(biāo)準(zhǔn)及授權(quán)的導(dǎo)航定位服務(wù)，其服務(wù)區(qū)域如圖4所示。

圖3 IRNSS地面設(shè)施示意[8]【審圖號：GS（2021）3659號】

圖4 IRNSS服務(wù)區(qū)域示意[8]【審圖號：GS（2021）3659號】

IRNSS發(fā)展計劃

為了提高IRNSS服務(wù)的可靠性，印度計劃再發(fā)射5顆軌道傾斜角為 42°的IGSO衛(wèi)星，編號為IRNSS-1J、IRNSS-1K、IRNSS-1L、IRNSS-1M及IRNSS-1N[9]；研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的星載原子鐘，以防止出現(xiàn)IRNSS-1A星載原子鐘全部失效的情況[10]；從IRNSS-1J衛(wèi)星開始，將在導(dǎo)航衛(wèi)星上增加一個民用頻段L1，并在L1C信號上實現(xiàn)與其他GNSS之間的兼容與互操作[10]；通過雙向衛(wèi)星時間頻率傳遞（two-way satellite time and frequency transfer,TWSTFT）方法，將IRNWT的時間溯源到新德里（New Delhi）的國家物理實驗室（National Physical laboratory,IPL）保存的印度標(biāo)準(zhǔn)時（Indian Standard Time, IST）上[10]；ISRO將與其他部門合作設(shè)計新型芯片，以擴(kuò)大IRNSS的應(yīng)用范圍。

IRNSS-1A的短報文服務(wù)

2017年1月30日，IRSNN-1A上的三臺銣原子鐘全部失效后，IRSNN-1A已經(jīng)無法作為導(dǎo)航衛(wèi)星使用了，目前ISRO將IRSNN-1A用來發(fā)送短報文，如圖5所示。

用IRSNN-1A發(fā)送短報文的流程為：在發(fā)送短報文前，先要向INC申請注冊，注冊用戶通過互聯(lián)網(wǎng)將需要發(fā)送的短報文發(fā)送到INC，INC通過導(dǎo)航軟件對需要發(fā)送的短報文分配身份標(biāo)識號（identity,ID），然后進(jìn)行編碼；INC將編碼后的短報文發(fā)送到IRNSS-1A衛(wèi)星上，IRNSS-1A衛(wèi)星再用L5頻率將短報文廣播出去；持有專用短報文接收機(jī)的授權(quán)用戶，可以接收到這些短報文，通過解碼即可以閱讀這些短報文。

目前L5傳送短報文的速率為25 bit/s，短報文的數(shù)據(jù)長度為220~2220 bit；首幀傳送短報文的長度不能夠超過220 bit，如果短報文的長度超過220 bit，則需要對短報文進(jìn)行分段并在后續(xù)幀中發(fā)送。持有短報文接收機(jī)的印度漁民，可以收到潛在漁區(qū)（potential fishing zones, PFZ）、颶風(fēng)預(yù)警及海嘯警報等短報文。ISRO將授權(quán)INRSS接收機(jī)生產(chǎn)廠家，研發(fā)能夠同時接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)及短報文的芯片，這樣將來就能夠在導(dǎo)航接收機(jī)上閱讀這些短報文了。

圖5 IRNSS-1A發(fā)送短報文流程[11]

IRNSS的定位精度

按照IRNSS的設(shè)計指標(biāo)，IRNSS提供的定位精度優(yōu)于20 m，授時精度優(yōu)于50 ns[8]。在IRNSS導(dǎo)航衛(wèi)星星座布設(shè)完成后，已有很多人對IRNSS的實際定位精度進(jìn)行了測試并與GPS的實際定位精度進(jìn)行了比對。由于IRNSS的7顆導(dǎo)航衛(wèi)星都處于36000 km左右的高軌位置，發(fā)射的導(dǎo)航信號可以全部覆蓋印度國土，這樣可以有效地避免高山、峽谷及城市高樓對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的影響，而GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星全部為中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO），軌道高度僅為20200 km，而且一直繞地球旋轉(zhuǎn)，用戶接收到GPS衛(wèi)星信號會隨時間和地點變化，圖6為印度境內(nèi)山區(qū)用戶接收IRNSS與GPS衛(wèi)星信號的示意圖。

圖6 在山區(qū)的用戶接收IRNSS衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號示意[12]

文獻(xiàn)[13]在印度班加羅爾（Bangalore）的一個觀測站上進(jìn)行了31天（2018年8月1—31日）的觀測，接收數(shù)據(jù)包括GPS L1、IRNSS L5及IRNSS S三個頻段的導(dǎo)航信號，用這些數(shù)據(jù)計算出、以均方根（root mean square,RMS）表示的點位精度，其結(jié)果見表2。

表2 不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的點位定位精度[13]

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，IRNSS的定位精度優(yōu)于其設(shè)計指標(biāo)，也優(yōu)于GPS的定位精度。但限于實驗條件，本文未能夠?qū)RNSS的實際定位精度進(jìn)行過驗證。

結(jié)束語

星基導(dǎo)航定位服務(wù)，是一個國家最為重要的基礎(chǔ)上設(shè)施，IRNSS的建成并向印度及其周邊地區(qū)提供導(dǎo)航定位授時服務(wù)，彰顯了印度在航天領(lǐng)域的實力。但I(xiàn)RNSS的核心部件即星載原子鐘全部來自國外，這在一定程度上制約了IRNSS的獨立性和可靠性，給國家安全留下了隱患。IRNSS-1A星載原子鐘的失效，也給我們敲響了警鐘，在涉及國家安全等領(lǐng)域，必須擁有自主可控的技術(shù)，才能夠徹底擺脫受制于人的被動局面。

文章作者：楊振（1994—），男，四川南部縣人，大學(xué)，助理工程師，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航在測繪工程中的應(yīng)用

文章內(nèi)容來源：測繪學(xué)術(shù)資訊，原標(biāo)題《楊振.印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀》

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