上海微小衛星工程中心研究員 任前義
為什麼說衛星導航系統是一個簡單的數學系統，但又是非常複雜的工程系統？這主要是由用戶的高精度要求所決定的。衛星導航以衛星作為基準點和信號源，為用戶提供精確的位置和時間信息。用戶通過測量多顆衛星之間的距離以獲得自己的精確位置，因此需要衛星與衛星之間、衛星與地面之間維持精確的時間同步。衛星導航系統極其微小的時間和空間誤差都會影響用戶的定位精度。
用戶終端位置的測量誤差主要包括三方面：與衛星相關的誤差、與信號傳播相關的誤差，以及與接收機相關的誤差。作為衛星的研製方，我們主要解決的問題是衛星引入的軌道誤差、星載原子鐘誤差，以及天線相位中心誤差。天線相位中心誤差可以精確標定，因此我們主要從衛星高精度導航時間生成、維持技術以軌道鐘差兩方面來論述。
如何衡量原子鐘的性能？或者衡量其是否適用於導航衛星？主要根據原子鐘的準確性，也就是頻率的準確度來進行判斷，同時要求原子鐘具有良好的頻率和頻率穩定性。北斗二代採用了銣原子鐘，北斗三代採用了氫原子鐘結合銣原子鐘的方式，解決了氫原子鐘和銣原子鐘的頻率跟隨問題。
對比原子鐘的核心性能指標數據可以發現，北斗的氫原子鐘與GPS、伽利略的原子鐘是持平的，將來我們還將發展冷原子鐘。冷原子鐘作為空間原子鐘的未來發展方向，無論從性能還是重量等方面考量，均適合用作導航星載原子鐘。通過激光冷卻技術將工作原子溫度降到UK量級，從而提高原子鐘的穩定度，整體性能提升了半個量級以上，準確度性能指標提高了一個量級以上。
由於北斗系統無法獲得在軌衛星全弧段觀測數據，進行軌道鐘差聯合解算，導致導航電文更新時間長，電文精度低。因此，我們通過使用星間雙向測量數據支持星地聯合定軌，並提高定軌精度。
對星間觀測數據的測量主要通過穩定性指標衡量。穩定性要求小於0.1納秒，以實現對定軌和鐘差的計算，並使用重疊弧段進行定軌精度評估。URE的指標相對星地定軌模式降低了50%。針對用於時間同步的評估結果，在最極端的情況下，誤差也可由4納秒提升至1納秒。將來的發展趨勢主要包括髮展高速星間鏈路、高低軌聯合定軌與自主導航，以支持衛星進行集中式定軌。
北斗衛星是關乎國家安全和國民經濟的重要基礎設施。目前針對北斗衛星的時間生成與維持、軌道鐘差的確定與預報，主要通過搭載高精度的氫原子鐘，提高衛星鐘差的解算精度來進行。未來導航衛星將會搭載更高精度的原子鐘，以實現更高的測量精度和更大帶寬的的星間鏈路，並提供導航增強服務。
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