周建华:基于地月拉格朗日点的新型卫星导航系统构想

泰伯网2017-09-16 15:38:54

摘要: 周建华说,北斗肯定要走一条跟GPS不一样的路。

  泰伯网讯 9月16日,第六届中国卫星导航与位置服务年会暨首届卫星应用国际博览会在深圳龙岗召开,本次会议以“超越卫星导航 共享天地信息”为主题,由中国卫星导航定位协会、中国遥感应用协会、中国卫星全球服务联盟合作主办。

  在本届大会的高端论坛上,北京卫星导航中心总师周建华做了题为《基于地月拉格朗日点的新型卫星导航系统构想》的主题报告。

周建华:基于地月拉格朗日点的新型卫星导航系统构想

  以下为北京卫星导航中心总师周建华的主题演讲(内容未经本人核实):

  很高兴今天能来参加这个会,这次主题好像是高精度定位,这次产业界比较多,我很想介绍一下高精度定位这个事情,在正式讲之前我先说一下,大会给了一个题目叫GPS颠覆性报告,我说这个报告名称很好,我们立志于做这些,但是今天可能还不敢说这些话。

  从2002年北斗开通以后一直在做性能的改进,现在如果是高精度定位差分信号用了以后能够做到1-2米这个水平,这样的用户应该可以做到1米以下,希望大家能用这样的系统,这个系统现在发布的系统非常稳定,就在北斗B1、B2、B3都有。

  这次年会立志于北斗未来怎么去做,做了一些研究,这个研究今年申报了导航测绘奖,大会邀请来做一下这个报告。这个报告题目是讲现在的导航里面我们重点要解决一个什么问题,我就讲这三个方面,它的背景,这是我们都有的几个导航系统,我就不说了。目前我们面临着几个什么问题呢?现在我们都知道卫星导航系统是严格依赖于地面的操控,所以离开地面站以后这个系统就不能工作,在自然灾害或者军事行动当中,这样一个小系统可能性能就不能维持,在后现代计划当中都是立足于怎么不依赖地面系统还能够很好的工作,目前我们在不依赖地面下,短期我们目前保证性能的时候可能只能支持一天,现在随着技术越来越好它也能支持几天,卫星导航系统只是对地的,对地上空1000公里,对这样的飞行器能够支持导航,为了解决系统自主运行的问题,还能够支持更大范围,低空飞行器甚至高轨甚至深空活动,我们就提出来这样一个项目。

  这个项目是一个什么基本概念呢?学天文的都知道,在限制性三体问题上,地球和月球之间有五个拉格朗日点,一个围着月球旁边,一个是在和地球月球呈等边三角形位置上,还有一个在月球地球对面,这个动力学特性可以把飞行器打在这个地方,便利它的操控,维持这样的性能。用这样的性能我们就能支持刚才说的两大问题,一个是解决卫星导航系统在地面没有的时候它的精准在哪里,可以把我们的活动拓展,探空活动肯定在地月空间,在火星范围,这样的系统能够支持地月空间包括火星探测需要。

  需要一些地面的链路,我们知道地球到月球是30万公里的范围,把卫星布上几个拉格朗日卫星,在卫星搭上一些链路,可以在这个星座当中选择几个卫星,和它共同构建成一个联合观测,这样的联合观测就可以支持深空探测器,也可以支持低轨网络、高轨网络和深空网络的所有运行。

  这是我们可以被选出来的星座,这是各种可选的轨道,有哈罗轨道等等,这就不讲了,我们要选择在这些点上周期性的轨道。这样的周期性轨道,有不同的卫星,对月内有什么样的覆盖,就可以看到,在单星、双星下就能够有比较好的覆盖,有一层覆盖也能够对飞行器进行定轨,也能够对飞行器进行深空通讯等活动。如果卫星多的话,它的重叠覆盖可以更好,这就是我们说的我们要选择,到底选择什么样的星座比较好呢?

  这样的星座,因为它是在拉格朗日点上,它是在纯粹的限制性三体问题下是不动的,但是实际上L5点是稳定的,其他点是不稳定的,它要跑,就要去维持它,采取一个比较有效的方式让它不能逃逸我们要去的点。怎么来布设这个网,我们可以找到这个点,怎么把它布上去呢?因为它是一个稳定的点,你要入轨也很难入,能量要耗的小,走那些低能轨道,给它很小的力让它向我这些点漂移,一箭四星就把这个方案部署过去,可以一箭打四星,剩下轨道可以通过地面转移过去。整个轨道的能量速度只要5000就可以了,一箭四星,大概周期转移过去,花300多天就可以把这个布好,一箭四星就可以完成这个问题。

  刚才说这个轨道要逃逸,你要对它进行控制,我们就提出来几个控制它的办法,现实的可以先用小喷器来喷它,要定期控制,不能连续控,连续控轨道系统不能用,这样导航系统也不能用。让它很精确的控制,不要逃逸这个轨道,这样就能解决我们的应用问题,要做这个系统就可以不同的轨道采取不同的控制方式,我们就不说了,比如15天到40天控一次,这样系统就可以维持一个稳定的工作。这是每次控制的手续、燃料等等。

  大家会说这么远的系统有这样很小巧的设备能够进行工作吗?这么距离远的时候我们提出来将来导航和导航系统之间工作的一个载荷,这样一个结构就可以通过一些空气的介质做这种助透剂的界限,加一些很少量的填充介质,做成这样一个结构的天线水平的时候可以多波柬扫描,这样就可以支持星和星之间的沟通。

  大家最熟悉的就是相控阵,其实这种方式可以做到工艺难度比较适中,性能又比较优良,它又比较轻巧,这样一个载荷这种原理到底行不行,做了一下,它到底有什么好处,但是这样一个载荷一箭四星就可以发,只要把相应的配套载荷都拷上去,500公斤的载荷可以解决卫星的应用问题。这是卫星的整个设计,我们可以采取这样一个结构,这是东方红卫星公司根据我们提出来的载荷,协同工作中需要的东西,这样一个卫星就可以一箭四星组网把它发上去以后,这样可以有比较可行的工程方案,这是整个配置的情况,还是有非常好的工程可实现性。

  这样一个系统怎么解决自主定轨的问题呢?我简单讲一下,我们知道卫星上的地球非常不能自主定轨,因为它受的引力是球对称的引力,这样一个系统如果没有地面精准给它的时候它是没法定轨的,我只要星星之间进行跟踪,在理论上可以在绝对的空间精准下把它的轨道定出来,它的原理就是我只要进行星间的观测,它就是可自主定轨的,不需要地面的依赖,只要星星之间的跟踪就可以了。我们选出来它的轨道,能够在稳定工作的周期轨道上进行工作。

  说一下结论,这样一个系统可以保证所有的轨道在没有地面情况下可以实现拉格朗日卫星和导航卫星轨道测量精度,而且它这个时间实际上是不随离开地面时间的影响,但是我们知道最后的应用要到地面上,所以我依赖地面的ERP就是地球框架上的东西,现在说预报180天还有很好的性能可能要受限制,这个要进一步提高,按照这套系统在目前现有的地球参考架上做出来的模型支持180天是没有的,我们展示了一下它能够进行将来提供导航空间信号精度多少,这是拉格朗日卫星,它能得到的定轨,如果我们的测量能力更好,应该能得到比这更好的精度。

  如果这样一个性能支持深空导航是什么情况呢?我们算了一下,如果这样一个系统的性能在地月空间进行工作的时候,我们可以有一个表来看,除了有一种轨道,其他的备选轨道位置误差都能控制在20米左右,这是在地月转移轨道下。在环月轨道下,我们要选一个月球的轨道,如果在环月轨道下可见性的情况,我就不展开讲了,在环月轨道下它也能够得到好于100米的性能,如果链路支持在火星探测这个范围之内,同样的技术、同样的方法去算这个轨道,能够在优于1公里的范围,这样的性能就对深空导航,未来的人到月球的深空活动就能提供很好的支持。

  这个题目设想这样一个性能,我们的导航如果能够进一步朝着这个方向发展的话,下一次一箭四星打上去,未来应该是能够实现这个目标,能够实现自主运行的问题。

  这是我重点想介绍的研究情况,我们也想北斗肯定要走一条跟GPS不一样的路,能够实现我们更强更好的能力,包括我在讲这个之前做的北斗自身增强,GPS空间信号精度也有,我们也在测,跟它发布的性能差不多,大概在0.7米左右,我们现在发布的精度也有,也达到这个性能。我们想通过这个东西,至少是在国内地区跟GPS竞争的是有它的竞争优势的,这是我今天特别要想的一个主题,我们能够做一个有国际竞争力的系统、项目和应用,现在系统应用的非常稳,通过这次改造以后基本服务导航性能都比过去要好,大家在用的过程当中有什么问题可以跟我们联系,谢谢大家。

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