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(bào),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
（四川中水成勘院測(cè)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(hào)，一顆星載原子鐘失效的衛(wèi)星IRNSS-1A用來(lái)播發(fā)短報(bào)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(diǎn)；發(fā)展計(jì)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(bào)文服務(wù)0 引言
2020年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號(hào)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）建成開(kāi)通，正式向全世界提供定位、導(dǎo)航及授時(shí)（positioning,navigation and time, PNT）服務(wù)。自此，已經(jīng)建成并向世界各國(guó)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(gè)，除BDS-3外，還有美國(guó)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(gè)GNSS外，在我國(guó)的鄰國(guó)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(kāi)發(fā)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：2013年7月2日開(kāi)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(wú)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(yǔ)中表示“領(lǐng)航者”或者“舵手”。ISRO又解釋說(shuō)，NavIC為“Navigation with Indian Constellation（印度星座導(dǎo)航）”的縮寫(xiě)[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(diǎn)及服務(wù)性能。1 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(shí)巴基斯坦的軍隊(duì)及其支持者占據(jù)了Kargil地區(qū)的冰雪峽谷。印度軍隊(duì)在采取軍事行動(dòng)前，想從美國(guó)得到巴基斯坦軍隊(duì)駐扎地的有關(guān)位置數(shù)據(jù)，但遭到美國(guó)的拒絕。該事件促使印度意識(shí)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(xiàng)目，計(jì)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。
2 IRNSS的發(fā)展現(xiàn)狀及計(jì)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(cè)距與完好性監(jiān)測(cè)站；TT&C（telemetry, tracing and control）為遙測(cè)、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。2.1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(gè)軌道面上，其軌道傾角均為29°，升交點(diǎn)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(duì)稱分布，這樣在印度本土區(qū)域內(nèi)，連續(xù)可見(jiàn)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(lái)發(fā)播短報(bào)文，因此，IRNSS的空間段現(xiàn)在擁有8顆衛(wèi)星。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(hào)，IRNSS L5頻段導(dǎo)航信號(hào)的中心頻率為1176.450 MHz，帶寬為24 MHz；S頻段導(dǎo)航信號(hào)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(hào)與美國(guó)的GPS Block IIF衛(wèi)星的L5頻段導(dǎo)航信號(hào)（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(hào)（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(hào)（中心頻率為1176.45 MHz，帶寬為12.5 MHz）的中心頻率相同，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(mén)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(hào)。其中SPS的設(shè)計(jì)定位精度為優(yōu)于20 m；RS的設(shè)計(jì)定位精度優(yōu)于SPS的定位精度，具體的設(shè)計(jì)精度是多少，目前仍處于保密狀態(tài)。2.2 地面段
地面段負(fù)責(zé)IRNSS星座的維護(hù)與運(yùn)行，包括監(jiān)測(cè)星座的運(yùn)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(gè)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(gè)IRIMS和一個(gè)TT&C站。圖3中：IRNWT（IRNSS network timing centre）為IRNSS網(wǎng)絡(luò)授時(shí)中心；IRCDR（IRNSS CDMA ranging stations）為IRNSS CDMA測(cè)距站，IRSCF（IRNSS spacecraft control facility）為IRNSS飛行器控制中心。2.3 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3IRNSS地面設(shè)施示意[8]【審圖號(hào)：GS（2021）3659號(hào)】【審圖號(hào)：GS（2021）3659號(hào)】2.4IRNSS發(fā)展計(jì)劃
為了提高IRNSS服務(wù)的可靠性，印度計(jì)劃再發(fā)射5顆軌道傾斜角為 42°的IGSO衛(wèi)星，編號(hào)為IRNSS-1J、IRNSS-1K、IRNSS-1L、IRNSS-1M及IRNSS-1N[9]；研發(fā)擁有自主知識(shí)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(kāi)始，將在導(dǎo)航衛(wèi)星上增加一個(gè)民用頻段L1，并在L1C信號(hào)上實(shí)現(xiàn)與其他GNSS之間的兼容與互操作[10]；通過(guò)雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳遞（two-way satellite time and frequency transfer,TWSTFT）方法，將IRNWT的時(shí)間溯源到新德里（New Delhi）的國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（National Physical laboratory,IPL）保存的印度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（Indian Standard Time, IST）上[10]；ISRO將與其他部門(mén)合作設(shè)計(jì)新型芯片，以擴(kuò)大IRNSS的應(yīng)用范圍。3 IRNSS-1A的短報(bào)文服務(wù)
2017年1月30日，IRSNN-1A上的三臺(tái)銣原子鐘全部失效后，IRSNN-1A已經(jīng)無(wú)法作為導(dǎo)航衛(wèi)星使用了，目前ISRO將IRSNN-1A用來(lái)發(fā)送短報(bào)文，如圖5所示。用IRSNN-1A發(fā)送短報(bào)文的流程為：在發(fā)送短報(bào)文前，先要向INC申請(qǐng)注冊(cè)，注冊(cè)用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將需要發(fā)送的短報(bào)文發(fā)送到INC，INC通過(guò)導(dǎo)航軟件對(duì)需要發(fā)送的短報(bào)文分配身份標(biāo)識(shí)號(hào)（identity,ID），然后進(jìn)行編碼；INC將編碼后的短報(bào)文發(fā)送到IRNSS-1A衛(wèi)星上，IRNSS-1A衛(wèi)星再用L5頻率將短報(bào)文廣播出去；持有專用短報(bào)文接收機(jī)的授權(quán)用戶，可以接收到這些短報(bào)文，通過(guò)解碼即可以閱讀這些短報(bào)文。目前L5傳送短報(bào)文的速率為25 bit/s，短報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為220~2220 bit；首幀傳送短報(bào)文的長(zhǎng)度不能夠超過(guò)220 bit，如果短報(bào)文的長(zhǎng)度超過(guò)220 bit，則需要對(duì)短報(bào)文進(jìn)行分段并在后續(xù)幀中發(fā)送。持有短報(bào)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(bào)等短報(bào)文。ISRO將授權(quán)INRSS接收機(jī)生產(chǎn)廠家，研發(fā)能夠同時(shí)接收導(dǎo)航數(shù)據(jù)及短報(bào)文的芯片，這樣將來(lái)就能夠在導(dǎo)航接收機(jī)上閱讀這些短報(bào)文了。圖5IRNSS-1A發(fā)送短報(bào)文流程[11]4 IRNSS的定位精度
按照IRNSS的設(shè)計(jì)指標(biāo)，IRNSS提供的定位精度優(yōu)于20 m，授時(shí)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(duì)IRNSS的實(shí)際定位精度進(jìn)行了測(cè)試并與GPS的實(shí)際定位精度進(jìn)行了比對(duì)。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(hào)可以全部覆蓋印度國(guó)土，這樣可以有效地避免高山、峽谷及城市高樓對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)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(hào)會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)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(hào)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(hào)示意[12]文獻(xiàn)[13]在印度班加羅爾（Bangalore）的一個(gè)觀測(cè)站上進(jìn)行了31天（2018年8月1—31日）的觀測(cè)，接收數(shù)據(jù)包括GPS L1、IRNSS L5及IRNSS S三個(gè)頻段的導(dǎo)航信號(hào)，用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出、以均方根（root mean square,RMS）表示的點(diǎn)位精度，其結(jié)果見(jiàn)表2。表2 不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的點(diǎn)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(jì)指標(biāo)，也優(yōu)于GPS的定位精度。但限于實(shí)驗(yàn)條件，本文未能夠?qū)RNSS的實(shí)際定位精度進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證。
5 結(jié)束語(yǔ)
星基導(dǎo)航定位服務(wù)，是一個(gè)國(guó)家最為重要的基礎(chǔ)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(shí)服務(wù)，彰顯了印度在航天領(lǐng)域的實(shí)力。但I(xiàn)RNSS的核心部件即星載原子鐘全部來(lái)自國(guó)外，這在一定程度上制約了IRNSS的獨(dú)立性和可靠性，給國(guó)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(guó)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(dòng)局面。作者簡(jiǎn)介：楊振（1994—），男，四川南部縣人，大學(xué)，助理工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航在測(cè)繪工程中的應(yīng)用。
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