北斗导航系统采用三轨道设计的原因揭秘
北斗导航系统采用三轨道设计的原因揭秘
北斗导航系统作为我国自主研制的全球卫星导航系统，采用了GEO（地球静止轨道）、IGSO（倾斜地球同步轨道）和MEO（中地球轨道）三种轨道的混合设计。这种独特的轨道布局不仅体现了我国在卫星导航领域的技术创新，也充分考虑了系统的实用性和经济性。本文将详细介绍这三种轨道的特点，并解析北斗系统采用这种轨道布局的原因。
GEO、IGSO和MEO轨道基本知识
中地球轨道（MEO：Middle Earth Orbit）
- 轨道高度：2000-36000公里
- 代表性系统：GPS、GLONASS
地球同步轨道（或称对地静止轨道）[同步转动]
- 轨道高度：约36000公里
- 特点：卫星运行方向与地球自转方向相同，运行轨道位于地球赤道平面，运行周期为23小时56分4秒，绕行速度约为3.1公里/秒，运行角速度等于地球自转角速度
- 应用：在地球同步轨道上部署3颗卫星，可实现除两极外的全球通信
地球同步轨道可分为三类：
- 地球静止轨道（GEO：Geostationary Orbit）
- 特点：轨道倾角为0，卫星在地球赤道上空运行，从地球上仰望卫星，仿佛静止不动
- 应用：零倾角的同步轨道叫静止轨道，静止轨道上运行的卫星叫静止卫星
- 倾斜地球同步轨道（IGSO：Inclined Geosynchronous Orbit）
- 特点：轨道倾角不为0，星下点轨迹是一个跨南北半球的“8”字，与赤道相交于一点，称为交叉点
- 极地轨道同步轨道（SSO：Sun-synchronous Orbit）
- 特点：卫星轨道平面和太阳始终保持相对固定，轨道倾角接近90度
- 应用：人造卫星能到达南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道
倾斜轨道和极地轨道同步卫星从地球上看是移动的，但每天可经过特定地区，常用于科研、气象或军事情报的搜集，以及两极地区和高纬度地区的通信。
北斗导航系统与GEO、IGSO、MEO轨道
北斗导航系统是我国自主研制建设的全球卫星导航系统，系统由地面控制部分、空间卫星星座和地面用户设备组成。卫星由地球静止轨道（GEO）卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中远地球轨道(MEO)卫星组成，不同于其他导航系统，北斗采用三种不同轨道混合设计。
北斗系统提供高精度位置，和精密的授时服务，北斗不同于美国的GPS和其它的导航系统，
- GPS只部署在MEO轨道上，
- 北斗采用三轨道部署
建设北斗时，分三步走的：
前两步：北斗分别要为中国和亚太地区提供服务，GEO卫星和IGSO卫星更有优势
第三步：全球定位，MEO卫星更适合，但单一MEO卫星需要全部24颗卫星才能有效运行，如要更高精度，还需GEO卫星进行区域加强或大量增加MEO卫星，并且如果全用MEO卫星，需要在全球范围内部署监测站，对监测系统提出了更高的要求。
北斗系统与原子钟
精密导航定位指动态分米级、静态厘米级。对于绕地球的MEO卫星，东西旋转，出于种种原因，很难做到监测站全球分布，采用三轨道混合可平衡精度需求和建设成本。
- IGSO卫星高度同GEO一样，但轨道倾角并不是0°，北斗系统ISGO卫星的轨道倾角是55度，在地面上观察轨道是近似一个“8字型”的轨道，IGSO卫星是南北转，对于地面监测站而言，它有一定的探测弧度范围。
- MEO卫星是从东到西绕着全球转，
- GEO卫星是始终不动的，固定在地球上方某一位置，
采用IGSO和GEO轨道可以增加了跟踪弧段，在国内设站的情况下，可实现对GEO和IGSO的全弧段监测，进而实时传输数据。
在北斗建设之初，我们星载原子钟精度低，而全弧段监测能“勤对表”，降低因星载原子钟性能原因带来的测量误差，当然目前有高精度铷原子钟、氢原子钟了，并已经在北斗上投入使用。
北斗系统与广域差分系统
GPS和伽利略为建立广域差分系统，实现不同精度的定位服务，需建立参考站、计算中心、注入站、同步卫星。
而北斗导航系统在建设之初就考虑了广域差分系统，导航系统本身有计算中心和注入站，并发射了五颗地球同步卫星，
广域差分系统融入北斗建设，这也是我国建成的第一个系统级的广域差分系统，相比国外，投入更少、性能更好。
同时同步卫星数量较多，在信号编排格式时，可为北斗，GPS，伽利略发播差分信息，是具备为三个系统服务的广域差分系统。
参考资料：
- 参考一：【技术点·航天】浅谈北斗导航的三种不同类型的轨道 - 知乎 (zhihu.com)
- 参考二：概念（航天）：LEO，MEO，GTO，GEO，IGSO，SSO - TruthSeeking - 博客园 (cnblogs.com)