第52卷第6期2020年12月
Vol.52No.6
Dec.2020南京航空航天大学学报
Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics
北斗三号卫星系统总体设计
陈忠贵，武向军
（中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京，100094）
摘要：北斗三号全球卫星导航系统（The third generation Beidou navigation satellite system，BeiDou⁃3）于2020年7
月31日正式开通运行。BeiDou⁃3不仅提供定位导航授时服务，同时提供具有北斗特色的多功能服务，包括区域
短报文、星基增强、精密单点定位、全球短报文通信、国际搜救等服务。本文从卫星系统设计角度，
详细分析介绍
了BeiDou⁃3的功能，并讨论了卫星采用的主要新技术，包括卫星信号体制、星间链路、时频基准、星载综合电子、高效电源以及器部件的自主可控等。最后，对三类轨道的卫星设计进行了综合论述。
关键词：导航卫星；卫星系统；北斗三号；总体设计
中图分类号：V474文献标志码：A文章编号：1005⁃2615（2020）06⁃0835⁃11
General Design of the Third Generation BeiDou Navigation Satellite System
CHEN Zhonggui，WU Xiangjun
（Department of Telecommunication and Navigation Satellites，China Academy of Space Technology，Beijing，100094，China）
Abstract:The third generation Beidou navigation satellite system（BeiDou-3）officially started full-scale global rvices on July31，2020.The Beidou satellites are designed to provide positioning，navigation and timing rvices，as well as certain specific functions，like local and global short message communication，satellite-bad augmentation，preci point positioning and international
arch-and-rescue rvice.This paper introduces the functions of BeiDou-3in terms of the design principles and new technologies that are integrated into the system.Some novel breakthroughs are particularly analyzed，including the satellite signal system，inter-satellite links，time and frequency standards，space-borne electronics，effective powers and overall automatic controls.Finally，the general design of satellites that specifically targets three kinds of orbits is reviewed.
Key words:navigation satellites；satellite system；the third generation Beidou navigation satellite system；
general design
北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。
中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”的原则建设和发展北斗系统，实施“三步走”发展战略[1]。
北斗一号卫星导航系统于1994年正式启动建设，于2000年12月建成并投入运行。在国际上首先实现了利用地球同步轨道卫星和双星定位原理完成定位授时服务，同时具备短报文和位置报告能力；用较少经费，构建了服务于中国及周边地区的双星定位系统，使中国成为世界上第3个拥有自主卫星导航系统的国家。
北斗二号卫星导航系统于2004年正式启动建
DOI：10.16356/j.1005⁃2615.2020.06.001
收稿日期：2020⁃10⁃30；修订日期：2020⁃12⁃01
作者简介：陈忠贵，男，博士生导师，研究员，北斗三号卫星系统总设计师。主要研究方向：卫星导航，飞行器设计，一般力学。
通信作者：陈忠贵，E-mail：*****************。
引用格式：陈忠贵，武向军.北斗三号卫星系统总体设计［J］.南京航空航天大学学报，2020，52（6）：835⁃845.CHEN Zhonggui，WU Xiangjun.General design of the third generation BeiDou navigation satellite system［J］.Journal of Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，2020，52（6）：835⁃845.
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男女搭配南京航空航天大学学报设，并于2012年12月正式开通运行，为中国周边提供连续稳定导航、定位、授时以及报文通信服务，向全世界发布接口控制文件。
北斗三号卫星导航系统（The third generation Beidou navigation satellite system,BeiDou ⁃3）于2009年正式启动研制，2015年发射5颗新技术试验卫星，2020年6月完成了全部30颗组网卫星发射任务，并于2020年7月31日正式开通，标志着北斗全球卫星导航系统全面建成。
北斗三号全球卫星导航系统本着服务全球、富有特色、自主可控、世界一流的研制目标，经过了关键技术攻关、在轨试验和组网星发射3个历程，实现了国际一流的基本导航定位授时服务，和具有北斗特色的多功能服务，形成了具有中国特色的全球卫星导航系统。
1
北斗三号卫星系统与服务功能设计
1.1
卫星星座组成
北斗三号卫星系统是由3类轨道卫星组成的
混合星座（图1）。3颗卫星布署在地球同步轨道（Geosynchronous orbit,GEO ），即地球赤道面，轨道高度为35786km ，轨道周期约24h ，分别位于东经80°、110.5°、140°；3颗卫星布署在地球倾斜
同步轨道（Inclined geosynchronous orbit,IGSO ），分布在3个轨道面，且轨道面与赤道面夹角55°，轨道高度和周期同GEO 轨道，轨道面间相距120°，每个轨道面布署一颗卫星，3颗卫星星下点轨迹为8字形，中心位置为东经118°；24颗卫星布署在中圆地球
轨道（Medium earth orbit,MEO ），分布在3个轨道面，轨道面与赤道面夹角55°，轨道高度21528km ，轨道面间相距120°，每个轨道面布署8颗卫星，卫星星下点轨迹为波浪形，为7天13圈回归轨道。“3GEO+3IGSO+24MEO ”轨道卫星组成的混合星座，是中国在自主独立、兼容渐进、平稳过渡发展历程中形成的独特星座设计。1.2
卫星系统坐标与时间
北斗卫星系统采用北斗坐标系（BeiDou coor⁃dinate system,BDCS ）。北斗坐标系的定义符合国际地球自转服务组织规范，与2000中国大地坐标系（CGCS2000）定义一致（具有完全相同的参考椭球参数），其主要参数如表1所示。
北斗系统的时间基准为北斗时（BeiDou time,BDT ），BDT 采用国际单位制（SI ）秒为基本单位，连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC ）00时00分00秒。BDT 通过UTC （NTSC ）与国际UTC 建立联系，BDT 与国际
茶树菇炖排骨UTC 的偏差保持在50ns 以内（模1s ）[2]
。
1.3通信链路
北斗三号卫星的通信链路主要包括上行注入、
导航电文播发、测控、星间数据传输等通信链路。地面注入站通过上行L 频段链路向卫星上注导航电文等相关业务信息，并进行星上测距，实现星地双向时间比对和时间同步；卫星在与地面站长期中断状态下，可在星上自主完成导航电文的生成并可自主运行60d 以上，且对用户定位精度没有显著影响。卫星通过下行导航频段链路向地面用户播发导航定位信号，星上具有导航信号完好性监测与告警能力。卫星的测控采用S 频段扩频测控体制，通过卫星地面测控站对卫星进行遥测和遥控，完成卫星轨道和姿态机动、状态监视和维护管理等任务。卫星和卫星之间采用Ka 频段星间链路实现相互通信和测距。测控、上行注入、星间数据信息通过卫星综合电子系统进行数据融合处理和路由交换，将所有卫星和地面站相互连接，实现单个或多个地面站对整个卫星系统的测控和业务管理。1.4
卫星系统服务功能设计
北斗三号卫星系统通过3类轨道卫星不同功
能和性能的设计，实现了对用户的6大服务功能。北斗系统提供的服务类型如表2所示[1]
。
图1
北斗三号卫星导航系统星座组成
企业伦理学Fig.1
Constellation of BeiDou⁃3
表1北斗坐标系主要参数Table 1Parameters in BDCS
参数长半轴A /m 地心引力常数（包含大气层）μ/(m 3
·s -2
)
扁率f
地球自转角速度Ωe .
/(rad·s -1)
值6378137.03.986004418×10141/298.257222101
7.2921150×10-5
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第6期陈忠贵，等：北斗三号卫星系统总体设计
1.4.1基本导航定位授时服务北斗系统的基本导航定位授时服务（Radio navigation satellite system,RNSS ）在全球范围提供定位、测速和授时服务，空间信号精度优于
0.5m ；定位精度全球优于10m ，测速精度优于0.2m/s ，授时精度优于20ns ，实测精度优于前述指标。RNSS 组成结构如图2所示。
北斗三号信号播发频率、调制方式和数据速率如表3所示。民用信号为公开信号B1C [3]、B2a 、B2b ，在24颗MEO 卫星和3颗IGSO 卫星上播发，
提供全球信号4重以上覆盖。为了实现与北斗二号平稳过渡，同时在全部卫星上播发北斗二号B1I 和B3I
信号。
图2RNSS 设计组成结构图Fig.2
Framework of RNSS
表3北斗三号卫星信号体制Table 3
Signal system of BeiDou⁃3
频点
B1豆腐串
B2
B3
信号分量B1I B1C_data
B1C_pilot B1A_data B1A_pilot B2a_data
B2a_pilot B2b_I B2b_Q B3I
B3Q B3A_data B3A_pilot
中心频率/MHz 1561.098
1575.421176.451207.141268.52调制方式BPSK(2)BOC （1,1）QMBOC(6,1,4/33)
BOC （14,2）QPSK （10）BPSK （10）TBD QPSK(10)QPSK （10）
符号速率/(symbol·s -1)
夏洛特的网50100050020001000TBD 505001000
服务类型公开公开授权公开公开公开授权授权
表2
北斗三号卫星服务类型Table 2
Services of BeiDou⁃3
区域
全球范围
中国及周边地区（东经75°~135°，北纬10°~55°）
服务类型定位导航授时
全球短报文通信
国际搜救
星基增强精密单点定位区域短报文
信号/频段B1I/B3I B1C 、B2a 、B2b
上行：L 下行：GSMC⁃B2b 上行：UHF 下行：SAR⁃B2b BDSBARS⁃B1C 、BDSBARS⁃B2a
PPP⁃B2b 上行：L 、下行：S
播发手段
3GEO+3IGSO+24MEO
3IGSO+24MEO 上行：14MEO 下行：3IGSO+24MEO
上行：6MEO 下行：3IGSO+24MEO
3GEO 3GEO 3GEO
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南京航空航天大学学报RNSS 就是通过接收地面运控管理中心上行注入的导航定位相关的参数，通过星上存储、处理生成导航电文，并按照规定的信号频率、调制方式、数据速率和电文编排格式生成导航信号。3个频段通过3个通道经过滤波和信号功率放大，通过一副地球匹配赋形天线向广大用户连续不断地播发。
卫星播发信号为右旋圆极化，波束采用“马鞍形”覆球波束的天线设计（图3），以保障用户接收机在任何地点、任何时间接收到的不同卫星发射的功率电平相近并且稳定，工作在合适的动态范围内。
1.4.2全球短消息服务
北斗三号卫星具有全球短报文通信服务功能，为用户提供全球短消息传输服务，支持位置报告、短报文、非实时语音和图片传输等。卫星上行接收
用户频率为1624MHz ，信息速率为400bit/s ，具备每小时30万次的短报文服务能力，用户单次可传输40个汉字，下行可通过北斗三号IGSO 卫星和MEO 卫星的B2b 导航信号播发。报文通信载荷在14颗MEO 卫星装载，按地面用户仰角15°计算，可实现全球范围两重以上覆盖，如图4所示。
卫星接收用户上行信号，完成短消息信号的接收、解扩解调和信息处理，并生成用户回执信息。
按照与用户的接口要求生成用户回执信息。回执信息直接通过B2b 电文下传用户，同时将用户上传信息以及用户回执信息通过卫星与地面中心站通信链路下传给中心站，或者利用星间链路回传至境内卫星并下传到地面中心站。地面中心站向用户播发的信息通过地面站上传到可视卫星，卫星将发
送用户的上行信息通过星间链路传递到指定用户可见卫星，并通过B2b 信号向用户播发（图5）。
十七岁初体验
1.4.3国际搜救服务
北斗三号在6颗MEO 卫星上装载国际搜救载荷，实现全球一重覆盖，向全球提供国际搜救
服务[4]。
卫星接收用户上行报警信号，完成信号的接收、滤波和上变频后，
经放大器放大后通过天线向
图3天线波束设计示例Fig.3远开头的四字成语
Example of antenna
beam
图4
全球短报文覆盖示意图
Fig.4
Global coverage of short message
communication
图5
全球短报文系统架构
Fig.5
Systematic construction of global short message communication
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第6期陈忠贵，等：北斗三号卫星系统总体设计
地面中心发播，星上为转发模式，不进行信号的解扩解调和信息处理，星上组成如图6所示。
用户上行报警信号按照406MHz 信标的种类分为第一代信标信号和第二代信标信号两种。第一代信标采用BPSK 方式调制；第二代信标采用DSSS⁃OQPSK 方式调制。卫星搜救载荷下行信号主要提供给COSPAS⁃SARSAT 地面站使用。北斗MEO 卫星搜救载荷的设计符合COSPAS ⁃SARSAT 的相关标准，并与其他卫星导航系统搜救系统兼容。返向链路消息信号，即用户接收卫星回传信息下行信号，由北斗三号IGSO 、MEO 卫星B2b 信号播发。1.4.4
区域报文通信服务
北斗三号区域报文通信服务，即卫星无线测定服务（Radio determination satellite rvice,RDSS ），在3颗GEO 轨道卫星上实现。3颗卫星通过天线信号波束赋形设计，确保在中国及周边地区提供双重覆盖，满足中国及周边地区定位和报文通信的服务要求，其服务模式同北斗二号一样：用户需要定位服务时，利用用户终端通过L 频段上行链路发送信号至卫星，进行滤波、放大、变频后通过C 频段转发至地面中心；地面中心接收卫星信号，处理用户信息并解算用户位置后，通过C 上行链路发送至卫星；卫星通过S 频段向用户转发定位和通信信息。原理如图7所示。
北斗三号在北斗二号基础上进行了扩展改进，将单星固定覆盖波束由2个L 上行+2个S 下行波束增加到6个L 上行+6个S 下行。天线尺寸增大，天线增益提高约3dB ，以提高服务容量并充分利用频率带宽，并增加一路可动点波束以扩大服务范围。天线6波束和单波束设计和覆盖如图8所示。用户容量提升到
1000万次/h 以上，单次报文可传输容量14kbit （1000汉字），用户机发射功率小于3W 。用户上行采用频分+码分相结合，用户
可使用两个上行频率：Lf1，（1614.26±4.08）MHz ；Lf2，（1618.34±4.08）MHz ，采用BPSK 调制方式。用户接收频率为（2491.75±8.16）MHz ，采用QPSK 调制。
1.4.5星基增强服务
北斗星基增强服务(BeiDou satellite⁃bad aug⁃mentation system,BDSBAS)按照国际民航标准要求，通过地球静止轨道卫星向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现导航定位精度的提升和完好性报警信息的快速播发[5]。
BDSBAS 由3颗北斗三号GEO 卫星实现，分别定点于东经80°、110.5°和140°，对应的伪随机噪声（Pudo⁃random noi,PRN ）码分别为144、143和130
。
图6
搜索救援载荷实现原理图
Fig.6
Principle of loading for arch and rescuer
rvice
图7
RDSS 系统架构图
Fig.7
Systemic construction of
RDSS
图8
区域报文通信波束覆盖示意图
Fig.8
时光荏苒什么意思
Global coverage of antenna beams for RDSS
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