中國導航定位衛星係統的進展

中國導航定位衛星係統的進展


童 鎧

世界主要航天大國和國家集團不惜巨資發展全球衛星導航係統。其中，美國和俄羅斯已經建成這種係統，歐洲也即將組建他們自己的係統。中國已建成區域衛星導航定位係統，解決了自主係統的有無問題，但它是一個投資很少的初級區域性衛星定位係統，尚不能滿足今後中國對衛星導航係統的進一步要求。作為一個發展中的社會主義大國，為了迎接21世紀科學技術的挑戰，中國還需要進一步發展新一代性能更高的衛星導航係統。


一、衛星導航的重要作用

　　衛星導航的基本作用是向各類用戶和運動平台實時提供準確、連續的位置、速度和時間信息。

　　衛星導航定位技術目前已基本取代了無線電導航、天文測量、傳統大地測量技術，並推動了全新的導航定位技術的發展，成為人類活動中普遍采用的導航定位技術，而且在精度、實時性、全天候等方麵對這一領域產生了革命性的影響。

　　1．衛星導航為民用領域帶來巨大的經濟效益

　　衛星導航廣泛應用於海洋、陸地和空中交通運輸的導航，推動世界交通運輸業發生了革命性變化。例如，衛星導航接收機已成為海洋航行不可或缺的導航工具；國際民航組織在力求完善衛星導航可靠性的基礎上推動以單一衛星導航取代已有的其他導航係統；陸上長、短途汽車正在以裝備衛星導航接收機作為發展時尚。

　　衛星導航在工業、精細農業、林業、漁業、土建工程、礦山、物理勘探、資源調查、陸地與海洋測繪、地理信息產業、海上石油作業、地震預測、氣象預報、環保研究、電信、旅遊、娛樂、管理、社會治安、醫療急救、搜索救援以及時間傳遞、電離層測量等領域已得到大量應用，或已顯示出巨大的應用潛力。

　　衛星導航還用於飛船、空間站和低軌道衛星等航天飛行器的定位和導航，提高了飛行器定位精度，並簡化了相應的測控設備，推動了航天技術的發展。

　　衛星導航已經滲透到國民經濟的許多部門。隨著衛星導航接收機的集成微小型化，可以被嵌入到其他的通信、計算機、安全和消費類電子產品中，使其應用領域更加擴展。衛星導航用戶接收機生產和增值服務本身也是一個蓬勃發展的產業，是重要的經濟增長點之一。

　　當今社會，衛星導航已成為經濟發展的強大發動機，導航衛星係統已成為重要的基礎設施。

　　2．軍事應用曆來是衛星導航的重要領域

　　衛星導航可為各種軍事運載體導航。例如為彈道導彈、巡航導彈、空地導彈、製導炸彈等各種精確打擊武器製導，可使武器的命中率大為提高，武器威力顯著增長。武器毀傷力大約與武器命中精度（指命中誤差的倒數）的3／2次方成正比，與彈頭TNT當量的l／2次方成正比。因此，命中精度提高2倍，相當於彈頭TNT當量提高8倍。提高遠程打擊武器的製導精度，可使攻擊武器的數量大為減少。衛星導航已成為武裝力量的支撐係統和武裝力量的倍增器。

　　衛星導航可與通信、計算機和情報監視係統構成多兵種協同作戰指揮係統。

　　衛星導航可完成各種需要精確定位與時間信息的戰術操作，如布雷、掃雷、目標截獲、全天候空投、近空支援、協調轟炸、搜索與救援、無人駕駛機的控製與回收、火炮觀察員的定位、炮兵快速布陣以及軍用地圖快速測繪等。

　　衛星導航可用於靶場高動態武器的跟蹤和精確彈道測量以及時間統一勤務的建立與保持。

　　當今世界正麵臨一場新軍事革命，電子戰、信息戰及遠程作戰成為新軍事理論的主要內容。導航衛星係統作為一個功能強大的軍事傳感器，已經成為天戰、遠程作戰、導彈戰、電子戰、信息戰的重要武器，並且敵我雙方對控製導航作戰權的鬥爭將發展成為導航戰。誰擁有先進的導航衛星係統，誰就在很大程度上掌握未來戰場的主動權。


二、國外導航衛星係統發展概況

　　1．美國全球定位係統(GPS)

　　GPS計劃自1973年起步，1978年首次發射衛星，1994年完成24顆中高度圓軌道（MEO）衛星組網，共曆時16年、耗資120億美元。至今，已先後發展了三代衛星，共發射了41顆。目前，在軌工作衛星有28顆，其中還發射成功2顆新型的 2R型衛星，還將發射19顆，總共耗資190億美元。計劃從2003年開始部署33顆2F型衛星。此外，現在又開始了全改進型GPS－3的概念研究，以適應2030年未來的係統級要求。GPS係統由美國國防部運作。

　　GPS是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞係統。空間部分由24顆衛星組成，衛星高度20182千米，位於6個傾角為55度的軌道平麵內，周期近12小時。衛星用2個L波段頻率發射單向測距信號，區別不同衛星采用碼分多址。它是一個軍民兩用係統，提供兩個等級的服務。即為軍事用戶提供L1（頻率1575．42MHz）、L2（頻率1227．6MHz）雙頻P碼測距、優於22米的水平精度、27．7米的垂直精度和100納秒的授時精度（條件：5度仰角，PDOP=6，2σ或95％的精度，以下同）的精密定位服務（可加反欺騙（AS）Y密碼），為其他用戶提供L1單頻C／A碼測距加選擇可用性（SA）人為幹擾的標準定位服務（SPS），位置精度降低到100米，授時精度降低到340納秒。為了提高導航精度、可用性和完整性，世界各地發展了各種差分係統。特別是利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域差分增強係統（如美國民航局開發的WAAS，歐洲的EGNOS及日本的MSAS），可提供附加區域衛星導航測距信號、導航精度校正數據和在軌導航衛星的可用性信息，成為顯著提高導航精度和可靠性的重要手段，並使SA幹擾失去作用。

　　美國政府為了加強其在全球導航市場的競爭力，已於2000年5月1日午夜撤銷對GPS的SA幹擾技術，標準定位服務定位精度雙頻工作時實際可提高到20米、授時精度提高到40納秒，並承諾以後逐步增加兩個民用頻率，即L2增加C／A碼和民航安全專用的L5(頻率1176MHz），希望以此來抑製其他國家建立與其平行的另一個係統，並提倡以GPS和美國政府的增強係統作為國際使用的標準。美國為保持其獨家利用衛星導航係統的軍事優勢，提出了導航戰的戰略方針。其內容在戰時包括3個方麵：對戰區內抑製民用信號，如施放幹擾和恢複SA手段，拒絕敵方使用其所有有用導航功能；確保本方使用，加強反幹擾、反欺騙能力和抗摧毀能力，如加大P（Y）功率，在L1和L2上增加M碼，並已開發出軍碼在民用碼受幹擾和關閉時的獨立捕獲的自我生存能力，增加星間鏈路和提高衛星原子鍾頻率長期穩定度以增加星座自主導航能力，導航接收機采用可控方向圖天線，對多個幹擾源方向形成天線方向圖零點以降低幹擾能量等；雖宣稱要保留戰區以外的民間應用，但波及的範圍估計不可能太小。

　　2．俄羅斯GLONASS全球導航衛星係統

　　俄羅斯要用20年時間發射76顆GLONASS衛星。1995年完成24顆中高度圓軌道衛星加1顆備用衛星組網，耗資30多億美元，由俄羅斯國防部控製。GLONASS空間部分也由24顆衛星組成，衛星高度19130千米，位於3個傾角為64．8度的軌道平麵內。這一高度除避免和GPS同一高程以防止兩個星座相互影響外，其周期為11小時15分鍾，8天內衛星運行17圈回歸，3個軌道麵內的所有衛星都在同一條多圈銜接的星下點軌跡上順序運行。這有利於消除地球重力異常對星座內各衛星的影響差異，以穩定星座內部的相對布局關係。係統工作基於單向偽碼測距原理，不過它對各個衛星采用頻分多址，而不是碼分多址。它的碼速率是GPS的一半。GLONASS未達到GPS的導航精度。它的主要好處是沒有加SA幹擾，民用精度優於加SA的GPS。其應用普及情況則遠不及GPS。GLONASS衛星平均在軌道上的壽命較短，後期增長為5年。前一時期由於經濟困難無力補網，原來在軌衛星陸續退役，1998年12月和2000年10月各發射3顆星，目前在軌道上隻有6顆星可用，不能獨立組網，隻能與GPS聯合使用。其計劃改進型衛星GLONASS－M平均壽命7年，民用頻率將由1個增加到2個，正在對外尋求合作以彌補經費不足。

　　3．歐洲伽利略導航衛星係統計劃

　　歐洲在經過幾年的醞釀研究之後，1999年初正式推出伽利略導航衛星係統計劃。該計劃方案由21顆以上中高度圓軌道核心星座組成，公布的衛星高度為24000千米。經概算估計，回歸軌道衛星高度應為24045千米，周期為52810．10秒（或0．6129恒星日），每31圈回歸一次，回歸周期為19個恒星日。衛星位於3個傾角為55度的軌道平麵內，另加3顆覆蓋歐洲的地球靜止軌道衛星，輔以GPS和本地差分增強係統首先滿足歐洲需求（估計全球增強需要9顆地球靜止軌道衛星），位置精度達幾米。這是一種具有區域加強的全球係統。係統計劃幾經挫折後，終於在2001年4月5日歐盟交通部長會議上獲得批準；確定30顆衛星總投資為35億歐元，主要投資將由歐洲聯盟、歐空局提供，並從歐洲工業界和私人投資商集資。預計係統於2008年投入運行，運營費和維持費由私營企業組成的運營公司承擔。伽利略係統獨立於GPS，頻段分開，但將與GPS係統兼容和相互操作，包括時間基準和測地坐標係統、信號結構以及兩者的聯合使用。根據歐委會的文件，伽利略雖是民間係統，但仍受控使用，采取反欺騙、反濫用和反幹擾措施，在戰時可以對敵方關閉。

　　4．日本區域性導航衛星係統計劃

　　日本科學與技術廳於1996年提出建立一個區域性導航衛星係統，擬通過在通信衛星上搭載導航載荷來實現，其星座由1顆地球靜止軌道衛星和3顆或8顆低軌道衛星組成。這一建議雖因美國的反對而擱淺，但日本並未徹底放棄原來的打算。日本科學與技術廳於1997年3月要求日本宇宙開發事業團用7年時間開發導航衛星的關鍵技術，如研製星載高精度氫原子鍾和精密定軌技術、衛星軌道保持技術等。日本計劃在1999年以後發射“多功能運輸衛星”(MTSAT)。該衛星服務於國際民航組織提出的通信導航監視／空中交通管理係統，並建立基於MTSAT衛星的GPS增強係統，包括增發GPS格式的測距信號。


三、中國民間衛星導航應用的情況

　　按照美國的經驗，開展導航軍事應用的同時開發民間應用，可廣泛帶動導航產品市場。美國政府部門在2000年5月宣稱，其GPS設備全球範圍有用戶400萬以上，有關GPS商品和服務的應用市場在今後3年內將翻一番，即由80億上升至160億美元以上。歐洲導航市場估計在2025年間用戶設備收益為880億歐元，服務收益為1120億歐元，由伽利略引起的歐洲設備工業出口為700億歐元，總和為2700億歐元。其中新興的最有希望的道路交通應用占77％，海運占1％，民航和鐵路各占不到1％，其他如精細農業、海上勘探、大地測量和精密時間同步等占21％。伽利略計劃投資為35億歐元，預計2005～2025年間（相當於兩代伽利略衛星）民用經濟效益為900億歐元，返回政府的直接與間接稅收是450億歐元，提供10萬個高新技術就業機會。

　　中國民用衛星導航市場廣闊，潛在經濟效益巨大，是今後可持續發展的重要因素。在本國自主衛星導航係統正式運行以前，中國民用衛星導航目前主要集中於對GPS的應用。

　　1．交通運輸

　　衛星導航首先在遠洋和近海實現了普及應用，尤其是已有10萬條漁船裝備了GPS接收機，占中國全部漁船的1／3。交通部為了向船舶提供差分修正信息，在中國沿海已相繼建立了GPS差分信息短波發送站（每個台站覆蓋半徑近300千米），基本覆蓋了沿海地區及部分大陸。交通部開發的電子海圖可以提供對遠洋運輸船舶的監控與指揮。

　　中國民航做過一些用GPS進行飛機導航和精密近場著陸的試驗。但鑒於民航對飛機導航安全性要求很高，而用戶為數不多、投資有限，實際投入使用相對遲緩。民航單一應用衛星的前景有待民用衛星導航精度、可用性和完好性的大幅度提高。

　　在國外，陸上交通車輛是GPS應用最為廣泛的領域，據全球統計，幾乎占整個用戶數的2/3，日本已達數百萬台。中國也已經開始了這一領域的應用，目前市場逐步成熟，進入迅速發展的態勢。一些大城市，如北京、上海已開始在公共汽車、出租車的監控、調度與管理中應用GPS導航設備。據估計，在未來1～2年內年裝車量可達5～10萬輛，相關產值可達7～8億元。GPS車輛係統的功能一般可分為自我導航和中心對車輛定位並調度指揮（如出租汽車的調度，公安、銀行、保險以及運輸危險物品等部門對車輛的跟蹤監控，失竊車輛的自動定位告警等）兩類。前者往往需要在微機上自備電子地圖和目的地路徑引導軟件，後者必須與移動通信、指揮調度中心相配套，甚至於全國聯網。其移動通信早期常采用專用移動通信網，如集群電話或衛星通信，廉價的方法則是采用公用移動通信網，例如現在中國已經廣闊覆蓋了GMS移動通信係統，使用其短信息業務尤其經濟。指揮控製中心一般通過數據網絡與移動通信接口，配置相應容量的計算機係統和數據庫，並有按任務需求的地理信息係統和眾多遠端車輛位置同時在電子地圖上顯示的能力。

　　總的說來，交通運輸與衛星導航相結合，社會效益顯著，經濟效益巨大。衛星導航用於城市交通管理，可防止交通擁擠和堵塞現象，用於公路管理可提高運輸能力30％。

　　2．測繪、資源勘探等靜態定位

　　這是國內開展GPS定位應用較早的另一個領域，現已建成連續運行的GPS觀測站30多個，其中7個納入國際GPS服務站（IGS）網，全國GPS二級網站布測534點，平均邊長約160千米，從根本上解決了中國測量使用參考框架的問題，其絕對定位精度好於0．1米，相對定位精度好於10－7，比傳統測量方法提高效率3倍以上，費用降低50％，精度大幅提高。同時，在過去人跡罕至的高原、沙漠、海洋獲得了大量的定位成果，為國家製圖、城鄉建設開發、資源勘察等做出了貢獻。與此相關的還有中國地殼運動觀測網，網中包括25個基準站、56個基本站和1000個分布在主要地震帶上的區域站，其數據處理結果為全國大地震活動趨勢分析提供了新的依據。此外，還廣泛、有效地應用於城市規劃測量、廠礦工程測量、交通規劃與施工測量、石油地質勘探測量以及地質災害監測等領域，產生了良好的社會和經濟效益。

　　3．高精度授時

　　這是衛星導航應用領域的另一個重要項目。中國長波台的授時精度為微秒級，GPS在取消SA以後有可能獲得4納秒精度，且裝備簡易，在國內已經普遍應用，如用於各級計量部門、通信網站和電力輸送網等。當用衛星導航係統授時接收機做成電子手表成為商品時，更是未來非常巨大的應用市場。

　　4．科學研究

　　例如，利用GPS研究電離層延遲及電子濃度變化規律，建立中國區域的電離層網格模型，完成了全國分布式廣域差分科學試驗，為廣域差分GPS技術應用推廣做了有益有效的前期工作。地麵GPS觀測在氣象學上的國內應用也逐步受到重視，它可提供幾乎連續的、高精度的可降水汽量數據，有可能用於惡劣天氣預報。

　　5．衛星導航與信息化

　　一些大中城市已在規劃中將GPS信息綜合應用服務體係納入其城市信息化建設計劃之中。數字地球、數字中國也離不開衛星導航，衛星導航與個人移動通信手機相結合可能是一個市場規模更大的領域。用手機報警、請求安全援助或醫療急救，對方非常需要手機的精確位置。當今在這方麵技術上是成熟的，但隻有GPS組件的成本不致顯著增加手機價格時，經濟效益才能成為現實。

　　6．產業化問題

　　GPS衛星導航的廣泛深入應用為中國培育了衛星導航用戶機的產品市場。但是，產業化需要有較大規模的商業經營運作和價廉物美的規模化產品。目前，這方麵差距很大。我們所用的設備，尤其是基礎性產品，幾乎全部是進口的。因此，必須大力解決專用核心芯片和OEM板的生產問題，從而促進導航用戶機的產業化發展。


四、中國自主研製的第一代衛星導航定位係統

　　2000年10月31日和12月21日中國相繼成功發射第一顆和第二顆導航定位試驗衛星。報道稱中國將自行建立第一代衛星導航定位係統——北鬥導航係統。

　　1．北鬥導航係統

　　北鬥導航係統是全天候、全天時提供衛星導航信息的區域性導航係統。這個係統建成後，主要為公路交通、鐵路運輸、海上作業等領域提供導航服務，對中國國民經濟建設將起到積極推動作用。

　　北鬥導航係統在國際電信聯盟登記的頻段為衛星無線電定位業務頻段，上行為L頻段（頻率1610～1626．5MHz），下行為S頻段（頻率2483．5～2500MHz）；登記的衛星位置為赤道麵東經80度、140度和110．5度（最後一個為備份星星位）。

　　美國的靜止衛星公司和歐洲的本地衛星公司曾從事RDSS係統的研製工作，但都失敗和破產了。中國首先實現了RDSS係統這項衛星導航定位創新工程。工程投資是很少的，它將導航定位，雙向數據通信和精密授時結合在一起，係統自身包含廣域差分標校以提高定位精度。當用戶提出申請或按預定間隔時間進行定位時，不僅用戶知道自己的測定位置，而且其調度指揮或其他有關單位也可得知用戶所在位置。

　　北鬥係統由2顆經度上相距60度的地球靜止衛星（GEO）對用戶雙向測距，由1個配有電子高程圖的地麵中心站定位，另有幾十個分布於全國的參考標校站和大量用戶機。它的定位原理是：以2顆衛星的已知坐標為圓心，各以測定的本星至用戶機距離為半徑，形成2個球麵，用戶機必然位於這2個球麵交線的圓弧上。電子高程地圖提供的是一個以地心為球心、以球心至地球表麵高度為半徑的非均勻球麵。求解圓弧線與地球表麵交點即可獲得用戶位置（參見圖4）。

　　2．北鬥導航係統即將順利投入運行

　　它的研製成功解決了中國自主衛星導航定位係統的有無問題。它是一個成功的、實用的、投資很少的初級起步係統。此外，該係統的建設並不排斥國內民用市場對GPS的廣泛使用。相反，在該係統的基礎上，還將建立中國的GPS廣域差分係統，可使受SA幹擾的GPS民用碼接收機的定位精度由百米量級修正至數米級，可以更好地促進GPS在民間的利用。目前，衛星運行一直正常，係統調試與試運行表明該導航定位係統在國內及周邊服務區的定位精度是很好的，簡短雙向數據很正常，滿足係統預定要求。北鬥導航係統尤其適合於同時需要導航與移動數據通信的場所，例如交通運輸、調度指揮、有關地理信息係統的實時查詢等。其正式運行將進一步促進中國導航應用市場的快速發展，刺激大批量用戶機的迫切需求。

　　北鬥導航係統需要中心站提供數字高程圖數據和用戶機發上行信號，從而使係統用戶容量、導航定位維數、隱蔽性等方麵受到限製，在體製上不能與國際上的GPS、GLONASS及將來的伽利略兼容。因此，中國還需要在第一代導航衛星係統成就的基礎上發展第二代導航衛星係統，以滿足今後國家對衛星導航應用和長遠經濟發展的需求。


五、發展中國第二代導航衛星係統的個人設想

　　筆者對發展中國第二代導航衛星係統有如下設想。　　　　

　　1．第二代導航衛星係統的體製

　　第二代導航衛星係統與第一代導航衛星係統在體製上的差別主要是：第二代用戶機可免發上行信號，不再依靠中心站電子高程圖處理或由用戶提供高程信息，而是直接接收衛星單程測距信號自己定位，係統的用戶容量不受限製，並可提高用戶位置隱蔽性。其代價是：測距精度要由星載高穩定度的原子鍾來保證，所有用戶機使用穩定度較低的石英鍾，其時鍾誤差作為未知數和用戶的三維未知位置參數一起由4個以上的衛星測距方程來求解。這就要求用戶在每一時刻至少可見4顆以上幾何位置合適的衛星進行測距（見圖5），從而使得星座所需衛星數量大大增多，係統投資將顯著增加。建立高精度衛星軌道基準和衛星時間基準是新衛星導航係統技術的核心，需要開展深入的研究工作。為了獲取對中國未來的導航頻率的國際保護，需要加快向國際電聯申請和協調。

　　中國第二代導航衛星係統複雜，全係統的設計研製和運行管理尚缺少經驗，但中國對衛星的測控技術已有一定基礎。北鬥導航係統和廣域差分係統的研發直接為中國第二代導航係統的研製和運行鍛煉了技術隊伍和積累了經驗，各地麵台、站設施等可在第一代導航衛星係統已有設備基礎上進行擴建，衛星平台、運載火箭、雙向數據移動通信等均可以繼承或采用成熟技術。國內GPS的廣泛應用為中國未來的衛星導航提供了應用基礎和廣闊的市場。發展新一代導航衛星係統不僅是必要的，而且在技術、經濟上也是可行的。

　　2．第二代導航衛星係統發展途徑

　　（1）充分保證民用導航精度

　　提供雙頻信號以消除電離層引起的誤差，不實施SA幹擾降低導航精度，C／A碼公眾自由使用並與國際格式兼容，不收費用；對授權用戶提供雙頻和廣域差分信息，以進一步提高導航精度和提供準實時完好性信息。GPS廣泛開發民間應用，形成重要產業，其軍民用之比已達1∶20。由於民用接收機的普及、批量生產和商業競爭，民用產品的數字化、小型化和性能大大提高，價格顯著下降，反過來又促進了GPS的軍事應用，更大程度地滿足了需求。相反，俄羅斯沒有開發民用市場，軍用接收機隻生產了2000部，價格昂貴，性能不高。因此，中國在建立第二代導航係統的同時，應發揮中國導航C／A碼精度高、含有亞洲區域加強係統的優勢，首先開發國內民用市場，開發出批量生產的廉價國產導航接收機，普及國內民間應用，逐步取代進口產品，形成產業，進而開發中外導航信號雙模式兼容、並可接受區域加強的高精度高可用性接收機，進一步拓寬需高安全性的中外用戶在亞洲的應用市場，逐步建立中國導航係統今後持續發展的物質基礎，為將來發展全球性的國際市場做好準備。建議中國指定相應領導部門加強民用衛星導航的開發和應用工作的管理。

　　（2）以建立全球導航係統為長遠目標，分步實施

　　中國的衛星導航係統究竟應該是區域的還是全球的，這是中國導航界專家廣泛關注的一個重要問題。當前為了首先確保在國內及附近海域的需求（少數國際民航飛機和航海船隻除外），並力求減少初期一次性投資額度，在近期內仍以建成北半球約120度經度範圍內的區域係統為宜。但從長遠發展打算，中國經濟和科學技術的發展離不開衛星導航，低軌飛行器的定軌也要求有全球導航係統支撐，要認真考慮中國區域係統今後順利發展成為全球係統的可能性。這也有利於和俄羅斯、歐洲一起打破美國GPS獨霸世界的局麵，有利於民用方麵今後開發導航產業的國際市場，滿足國際航空、航海和航天器全球導航的需要。因此，從前瞻性考慮，建議以建立全球導航係統為長遠目標，按技術經濟條件采取先區域後全球的兩步實施方針。實現這一方針的可行性在於當前區域係統必須和未來全球係統在體製上兼容，區域星座可以擴展為全球星座，今後可根據中國國力和實際需要，隨著後續衛星的發射，以最小的代價平穩地發展成全球係統。這一技術途徑的可行性在於尋找到合適的衛星星座，下麵為可考慮的幾種區域星座軌道類型。

　　1.地球靜止軌道（GEO）：衛星星座可一天24小時靜止在規定的赤道位置上空，提供本區域導航服務，衛星利用率高。這就是北鬥導航係統采用的星座，而且地球靜止衛星也廣泛應用於全球導航係統的區域增強係統。由於地球靜止軌道衛星都處於赤道麵內，受導航定位所需幾何構形的限製，每個用戶隻能最多利用2顆相間隔30度以上經度的衛星。全區域究竟布設幾顆地球靜止軌道衛星則取決於導航服務區域大小，但單用地球靜止軌道衛星是不夠的，還必須有相對於地球移動的高緯度衛星參與導航星座。

　　2.大橢圓軌道衛星星座：最典型的是俄羅斯用於高緯度地區廣播衛星的“閃電”12小時衛星軌道。這是一種大偏心率（通常取0．7左右）軌道，軌道傾角63．43度，其遠地點在北半球本國高緯度上空，星下點軌跡移動緩慢，5日內可保持近10小時有效運行。一個軌道麵內均勻分布3顆星，即可保持一個高緯度星位的連續存在。其近地點在南半球，停留時間很短，衛星高度很低，用戶可見區域範圍小，對用戶的導航貢獻小。另有一個遠地點在地球背麵，經度上遠離服務區，本區域係統不能加以利用。另外，這種軌道的衛星高度變化劇烈，對信道設計很不利。因此，對大橢圓軌道不予考慮。

　　3.傾斜地球同步軌道（IGSO）：衛星星座的軌道傾角為55～63．43度的24小時地球同步軌道，即所謂的大“8”字形軌道，中心位於赤道某設定的經度上，高度與地球靜止軌道衛星相同，衛星星下點24小時軌跡在本服務區內南北來回運動，也是一種利用效率較高的區域星座，但隻限於在本經度區域內使用。在立足於國內台站測控的條件下，中國采用9顆傾斜地球同步軌道衛星與4顆地球靜止軌道衛星相結合可以建立區域導航係統，但接近服務區邊緣處因衛星定軌精度下降導致導航精度明顯惡化。歐洲曾對這種軌道星座方案作了多年研究，並企圖在全球尋找幾個區域係統聯網成全球係統的合作夥伴未果，最終放棄了這種方案。如果中國采用這種軌道星座，將來發展成為全球係統是不可能的。

　　4.中高度圓軌道（MEO）衛星星座：這是一種周期為12小時，傾角為55～63．43度的軌道，是經過GPS和GLONASS係統成功運行證明性能優良的全球星座軌道。分析計算證明，24顆傾角為55度的MEO衛星分布在3個軌道麵內，可滿足全球導航精度（3個傾角為54．74度的軌道麵通過地心相互正交，衛星在全球分布最均勻，明顯優於GPS的6個軌道麵）。這種單一由MEO衛星組成的星座必須布滿全部24顆衛星才能有效地投入運行，如要滿足民航可用性要求和精密近進，則必須增加地球靜止軌道衛星（GEO）進行區域加強，或大量增加MEO衛星。由於每一MEO衛星星下點軌跡曆經全球，其優點是可立足於本國國土內測控所有衛星。中國服務區地處北緯55度以南（實際上南半球地區同樣可以服務），東西經度範圍很大，占全球1／3，平均每顆星約有2／3的時間可為本區域係統內的用戶服務。采用其12顆星的子星座與4顆地球靜止軌道衛星相結合（12MEO＋4GEO），可滿足區域係統的導航要求。如果後續布滿24顆衛星，則發展成為高精度區域加強的全球係統，可達到民航精密近進導航要求。下表為各類軌道星座HDOP與VDOP值的比較，其中HDOP為水平幾何放大因子，VDOP為垂直幾何放大因子，它們和測距精度相乘可分別獲得水平與垂直定位精度。比較數據表明所建議的軌道和GLONASS型軌道都可滿足要求。前者，全球星座的精度更好；後者，所有中高度圓軌道衛星都曆經同一星下點軌跡，有利於消除地球重力異常對星座內各衛星影響的差異，同一地麵站可以分時監控到所有軌道麵的衛星。□