北斗卫星导航系统星座设计与实现

经过近半个世纪的发展，航天技术的应用已深入到通信、导航、气象、资源、科学、军事应用和星际探测等领域，对人类社会的经济发展和社会文明的进步产生巨大而深远的影响。早期的飞行任务主要是由单颗卫星完成的，随着卫星应用领域的不断扩展和任务复杂程度的提高，越来越多的飞行任务仅靠单颗卫星已无法完成。为适应通信、导航、侦查、监视和地球观测领域的广泛需求，已经有一系列卫星星座成功部署，其中较著名的有用于通信领域的铱系统(Iridium)和星链系统（starlink）等，用于导航领域的美国全球定位系统(global positioning system, GPS)、俄罗斯全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GLONASS)和中国北斗卫星导航系统等。此外，还有大量的卫星星座正在研制和部署中。

卫星星座的设计与实现是星座系统最顶层、最核心、最重要的工作，是影响系统性能、规模、经费、建设周期等的首要因素，与其他系统技术之间存在相互影响、相互制约的耦合关系，贯穿工程研制建设的始终。开展星座优化设计研究等工作，不但可以实现指定覆盖区域最优的系统性能，而且能够节省系统建设成本和星座长期维持费用，对系统性能指标的合理分配、星座卫星增补、星座在轨备份策略及星座构型改进与拓展都具有十分重要的工程意义。

在20 世纪工程技术进展中，卫星导航技术是最重大技术变革之一，对于加强国防实力和发展国民经济具有重大意义。当前，美国正积极推进GPS 的现代化，俄罗斯的GLONASS系统进行不断升级和完善，欧洲也在积极部署以民间和商业开发利用为主的伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system，简称Galileo 系统)。面对复杂的国际国内形势，中国正积极发展自己的卫星导航系统。中国已经完成了北斗一号双星导航系统、北斗二号区域导航系统的部署与运行，并在国防、经济、科学研究等领域展现出重大的战略意义，发挥了巨大的作用，中国的北斗三号全球导航系统于2020年7月31日完成部署，系统正式建成开通，面向全球提供卫星导航服务。此外，日本、印度等国都在积极发展和部署其区域导航系统。

▲ 北斗三号系统星座构成示意图

纵观卫星导航技术的发展历程，GPS 有许多值得借鉴的经验和教训，GPS 的星座方案在工程上马之后进行了两次较大的改动，到GPS 正式建成时在轨卫星数目已达24 颗，分布在6 个轨道面上。截至2023年年底，GPS 有30多颗卫星在轨提供正常服务，其星座方案已不是Walker 分布，而是基于优化实现的。

为了实现我国卫星导航系统建设投入低、见效快、性能优的任务目标，北斗卫星导航系统在原有导航星座设计成熟的理论基础上，紧密结合中国技术水平、工程能力和经济条件等国情，创新性地设计了世界首个多轨道混合导航星座，并完成了北斗卫星导航系统星座的工程实现。由于北斗卫星导航系统星座设计的独特性，将全新的多轨道混合星座应用于卫星导航技术，必然面临理论研究、仿真分析与工程实践中亟待解决的大量问题。因此，开展相关的理论与应用研究，对于发展我国北斗卫星导航系统具有重要意义。这些问题的解决，将为我国卫星导航系统建设与应用奠定坚实的基础。

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（杨慧等著．北京：科学出版社，2024.1）一书取材于作者近20 年在该领域所取得的研究及应用成果。首先系统介绍了北斗卫星导航系统星座的设计约束条件，提出北斗卫星导航系统星座的性能评价体系；然后，全面汇集北斗一号双星导航系统、北斗二号区域导航系统和北斗三号全球导航系统在星座设计与工程实现方面取得的研究成果，主要包括北斗卫星导航系统星座任务分析、建模仿真、组网维护、性能评估及备份策略等内容；最后，为保证该轨道的持续可用及飞行器安全，详细论述了北斗卫星导航系统倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit, IGSO)和中地球轨道(medium earth orbit, MEO)卫星寿命末期的离轨处置原则与策略。

作者团队

《北斗卫星导航系统星座设计与实现》作者是国内在该领域率先开展理论紧密结合实际研究工作的开拓者，也是完成星座设计与部署实施的主要参与者。

杨慧，北京空间飞行器总体设计部研究员，博士生导师。我国卫星导航及应用领域专家，北斗二号卫星系统总指挥、总师，中国航天科技集团公司和五院学术技术带头人。长期从事卫星导航及其应用领域研究，取得了一系列重大成果。在二十多年的科研工作中，创新性地完成了北斗二号、北斗三号混合导航星座设计与实现，并极力推动北斗导航星座系统在各领域的应用。先后完成总装备部导航卫星高精度光压摄动建模研究等3项，以及其他横向课题等10余项。在国内外期刊和会议上发表论文及国防报40余篇；出版专著《北斗导航卫星可靠性工程》，制定国家标准1项；获国家与国防授权专利约20余项，其中“多约束多航天器飞行间距预示及碰撞规避方法” 获2016年中国专利金奖；获得国家科学技术进步特等奖1项，卫星导航定位科学技术特等奖1项，军队科技进步一等奖1项，国防科技进步二等奖2项，国防科技进步三等奖3项；并获全国"巾帼建功标兵"、全国创新争先奖1项，航天创新奖、航天贡献奖各一项、北斗二号卫星工程建设突出贡献个人、科技盛典-2012年度科技人物特别奖等，享受政府特殊津贴。

周静，北京空间飞行器总体设计部研究员，从事航天动力学与控制领域科研工作，主要负责完成了北斗二号和北斗三号星座与轨道设计，先后完成总装备部预先研究项目1项与其他横向课题2项。在国内外期刊和会议上发表论文20余篇，其中2篇EI检索论文；获国家与国防授权专利20余项，获得2016年中国专利金奖和2022年中国专利优秀奖；获得卫星导航定位科学技术一等奖1项，军队科技进步一等奖1项，国防科技进步三等奖1项。

孟轶男，北京跟踪与通信技术研究所助理研究员，从事卫星导航总体设计工作，主要负责星座设计、系统试验评估等，获部委级科技进步一等奖2项、二等奖1项。

范丽浙江大学湖州研究院智能空天系统中心主任，研究员，她领衔了多项国家级包括北斗、载人航天等国家重大专项项目，成果获国家科技进步二等奖（排名第2）1项，部委级科技进步一等奖3项、三等奖2项，航天基金奖1项，荣立二等功，发表论文40余篇，获得专利40余项、获得软件著作权20余项。

本书的特色主要表现在三个方面：

• 创新性：完成世界首个多轨道混合导航星座设计与工程实现，完善了现有星座设计理论，实现了我国卫星导航系统建设低投入、见效快、性能优的任务目标；针对北斗卫星导航系统IGSO 和MEO卫星，首次提出寿命末期的离轨处置原则与策略，有效确保了星座的运行安全。

• 系统性：系统介绍基于中国技术水平、工程能力与经济条件的导航星座设计多维度约束条件，全方位总结作者所在团队近年来针对北斗一号双星导航系统、北斗二号区域导航系统与北斗三号全球导航系统星座顶层设计研究与工程实现中取得的成果。

• 实用性：研究成果均应用于北斗卫星导航系统工程实践并经过了在轨验证，具有较强的理论研究与工程应用价值。

本书理论联系实际，有较强的工程实用性，适合从事卫星导航技术研究和设计的工程技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业研究生的参考书。

本文摘编自《北斗卫星导航系统星座设计与实现》（杨慧等著．北京：科学出版社，2024.1）一书“前言”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

（北斗卫星导航系统丛书）

“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目

ISBN 978-7-03-076796-7

责任编辑：姚庆爽

本书是卫星导航工程技术领域的一本专著。本书系统介绍基于我国国情的北斗卫星导航系统星座的设计约束条件和性能评价体系，全面汇集北斗一号双星导航系统、北斗二号区域导航系统和北斗三号全球导航系统在星座设计与工程实现方面取得的研究成果，主要包括北斗卫星导航系统星座任务分析、建模仿真、组网维护、性能评估，以及备份策略等，详细论述北斗卫星导航系统倾斜地球同步轨道和中地球轨道卫星寿命末期的离轨处置原则与策略。

（本文编辑：刘四旦）

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