全球定位系統(GPS)現代化運行控制段(OCX)的進展與現狀*

陳 勖,李爾園

(1.北京安華北斗信息技術有限公司,北京100084;2.北京合眾思壯科技股份有限公司,北京100015)

0 概 述

美國的全球定位系統(GPS)和歐洲的伽利略(Galileo)計劃都是為全球用戶提供全天候、全天時的導航、定位和授時服務。它們均由三部分組成:即空間段、控制段和用戶段。其中,傳統的GPS控制段主要由1個主控站(MCS)、1個備份主控站和11個專用的監測站組成。目前在建的伽利略計劃控制段包括4個主控制站(MCC)、34個完好性監測站、5個地球導航站和其他相關設備構成。隨著GPS星座現代化的到來,傳統的控制段很難滿足GPSIII的需求。因此,美國政府委托空軍航天司令部建造新的GPS運控段(OCX)。這一新的現代化運控段將完全取代目前的控制系統,接管對GPSI和GPSII衛星星座的維護,負責GPS III星座的全面運行和控制。OCX兼容了更多的GPS新信號,提高了星座性能,更有效地保證其安全性。OCX的建設始于2007年分為兩個階段進行開發,第一階段的開發已經在2009年底完成。第二階段預計到2014年整個OCX將建設完畢,正式投入運行。

1 GPS、Galileo計劃的空間段和用戶段

美國全球定位系統(Global Positioning System,GPS)和歐洲伽利略(Galileo)系統都是全球導航衛星系統(GNSS)的組成部分。兩個系統的空間段主要由太空中的衛星星座及其相關增強航天器組成。合理的衛星分布保證了定位的精度,并結合其他航天器提高整個系統的完好性和可用性[1]。具體的星座參數如表1所示。

表1 GPS和Galileo的空間段參數

GPS的用戶段包括成百上千的軍用GPS精密定位服務(PPS)接收機,以及數以百萬計的民用、商用標準定位服務(SPS)接收機。所有的GPS接收機通過接收空間衛星的廣播信號,為用戶提供三維位置及精確的時間信息。一般來說,GPS接收機由一個天線、一個調制解調器、接收機處理器,及一個高穩定的時鐘組成。

Galileo計劃目前的用戶段主要是進行系統的確認和信號的測試,其目的是保證導航設備的可用性及系統的完好性。Galileo的用戶段包括:開放的民用、商業接收機;生命安全服務接收機;公共管理服務接收機;搜救信號站設備及其它輔助的測試工具,例如衛星星座的仿真系統。

2 GPS和Galileo運控段的現狀

GPS運行控制段由美國軍方負責管理,最初擁有了一個主控站(科羅拉多斯普林斯施里弗空軍基地)、一個備份主控站(科羅拉多)和五個專門監控站(位于夏威夷、阿松森島、迪戈加西亞島、瓜加林島和卡納維拉爾角)。如圖1、2所示,2005年9月,6個全球性的國家地理空間監測站(NGA)也投入使用,分別位于英格蘭、阿根廷、厄瓜多爾、巴林島、澳大利亞和華盛頓,如圖3所示。目前,每顆衛星至少被同時兩個監測站進行監測,保證了軌道的精確度和星歷的計算能力。對于用戶段來說,運控段的改造使得廣大用戶群擁有更高的定位精度。未來幾年中,GPS還將在監測網絡中再增加5個NGA監測站,每顆衛星至少同時被3個監測站監測,從而保證整個衛星和系統的完好性監測水平。

圖1 夏威夷衛星跟蹤站

圖2 施里弗空軍基地

GPS接收機系統,它能夠監測所有可能跟蹤到的衛星,收集衛星信號傳遞的數據。然后把收集到的原始數據發送到位于施里弗空軍基地的主控站中,進行數據處理。主控站不間斷地對來自各個監測站的數據進行實時分析,解析衛星軌道和時鐘的信息,盡可能快地檢測/排除衛星可能出現或者發生的故障[2]。

此外,主控站的另一個職能是發布改正數據。通過解析原始數據,主控站計算得到新的星歷數據,以每天1到2次的頻率向衛星進行數據輸入。新的星歷數據和其它指令通過位于阿松森島、迪戈加西亞島和瓜加林島的上行天線站(同時也是監測站)以S波段信號的形式傳輸到衛星上,校正衛星鐘差及衛星軌道的誤差。然而現代化GPS星座中的Block IIR衛星具有衛星間交換數據的能力,能夠自動糾正軌道數據,因此,不需要地面監測站如此頻繁的通訊,通訊周期最長可達180天。

圖3 GPS地面監測站分布

伽利略(Galileo)系統的控制段組成類似于美國的GPS,它由4個主控制站(MCC)、34個完好性監測站、5個地球導航站和其他相關設備組成[3]。完好性監測站實時監測衛星數據,并且通過通信網絡把數據傳送到主控制站中。主控制站進行數據分析和計算,同時發布新的星歷和軌道信息,通過任務上傳站(ULS)把改正信息上傳到衛星上。另外,主控制站把衛星數據通過地球導航站為用戶段提供定位和導航服務。圖4中的(a)、(b)、(c)分別是伽利略的主控站、完好性監測站和地球導航站的分布。

從職能上看,整個控制段由兩個控制中心組成,它們分別為地面控制段(GCS)和地面任務段(GMS)。GCS的任務是對航天飛行器進行控制,檢測和維護星座可能發生的故障。它通過 5個TT&C(跟蹤、遙測及命令)站定期地與每顆衛星進行通信。GMS的任務是負責導航系統中出現的控制問題。30個Galileo傳感站(即完好性監測站)組成了一個全球性的監測網絡,對所有衛星的信號進行連續監測,再通過通信衛星或者電纜進行地面數據傳送。最后,GMS通過5個任務上傳站與Galileo衛星進行通信,上傳相應的改正信息。

3 GPS現代化運控段(OCX)

傳統的GPS控制段主要對GPS的L1頻率上的C/A碼和P碼,以及 L2頻率上的P碼衛星信號進行處理和控制,但是即將到來的現代化GPS(GPSIII)在保持原有的信號之外,還增加了L1C、L2C、L5和M碼信號。這種更先進的衛星星座在衛星之間就可以進行完好性的監測,減輕了地面監測站的工作量,因此,需要一種新的GPS OCX來運行控制GPS III衛星星座。受美國政府的委托,由美國空軍牽頭,于2007年開始進行現代化運控段(OCX)的開發和建設[4]。

新型GPS III衛星星座的主要目的,除了提供PNT服務之外,還包含遇險報警衛星系統(DASS)和其他相關系統[5]。其功能包括:

1)在遮蔽環境條件下提供軍事上的高精度可用性;

2)提高時間傳遞的準確性;

3)提高民用定位精度;

4)提供更好的系統完好性、向后兼容性和可用性;

5)提高衛星信號與伽利略系統及其他全球系統的互操作性。

為了滿足GPS III的發展和需求,和傳統的控制段相比,建設中的OCX在硬件設備上補充了以下幾個部分:PNT體系結構發展計劃(AEP)規定的運行控制段(OCS);早期軌道異常和處理功能(LADO);GPS系統模擬器(GSS);PNT體系結構發展計劃(AEP)中規定的交替主控制站(AMCS)和一個綜合任務實施支持中心(IMOSC)。在初期階段,OCX主要側重于對GPS系統現代化信號(L2、L5和M 碼)的控制,并且發射新的空間段衛星,即GPS IIIA衛星。同時,OCX繼續對GPSIIR衛星、IIR-M 衛星、IIF衛星和GPS III衛星提供傳統控制段的支持,同時,對即將增加的衛星及其新功能進行推動,比如新衛星信號、導航戰能力和其它附加的載荷服務。

在軟件部分,OCX分為若干個子系統,分別支持如下的功能:對所有航天飛行器的遙感遙測、跟蹤和指令發布(TT&C),單一航天飛行器的TT&C、任務規劃及導航功能。OCX的能力將逐步得到實現,新功能必須全方位地兼容和支持GPSIII星座的服務。從開發進度上看,OCX最先實現的功能包括如下幾方面:

1)從P(Y)碼的單一監控延伸到對所有導航信號的監控;

2)生成現代化的導航信息;

3)滿足航空安全飛行需求;

4)對整個GPSIIIA衛星提供TT&C;

5)實現衛星任務自動分配能力。

OCX在保持對IIR和IIR-M星座的維護同時,首先在IIR-M和IIF衛星上實現現代化GPS的功能。另外,OCX將與新的GPS III衛星一起對新服務提供指令和控制(C2)功能,它是GPS III星座服務發展的基礎。

對于用戶段來說,GPS運控段的關注重點是,從對GPS衛星的控制轉向基于用戶的操作,更加重視用戶服務的效果。同時,OCX還幫助美國軍方提高了GPS的軍事運行服務,加強了其作戰力量,并且促進了民用合作,吸收大量國際合作伙伴和用戶。通過更優秀的OCX有效地進行導航任務規劃,美國還將為所有GPS用戶提供精確的定位、導航和授時信息。

2005年2月18日美國政府宣布將與商業合作伙伴一起共同開發OCX。2007年11月21日美國軍方宣稱與加利福尼亞州的Northrop Grumman公司和科羅拉多州的 Raytheon公司簽署GPSOCX合作合同,分別從事空間使命系統和智能信息系統的研發。這兩個合同價值各1.6億美元,計劃在18個月內完成。2010年初,價值9,700萬美元的OCX第二階段開發合同將繼續進行,預計到2014年完成。根據第一階段的開發成果,OCX的第二期開發將完成與GPS III衛星的整合,徹底取代傳統GPS控制段的指令和控制(C2)系統,允許新的L2C、L5和M 碼信號投入使用。

由于OCX的建設采取循序漸進的發展方式,最終完全取代傳統的控制段。這種方式可以在未來三十年里滿足GPS的軍事和民用的需求,并且接管整個系統的完好性(SI)監控。

4 結 論

介紹了美國GPS和歐洲Galileo計劃的三部分組成,即空間段、運控段和用戶段。并且著重研究分析了兩個系統運控段的特點和工作原理。隨著現代化GPS III的到來,傳統的GPS控制段很難滿足衛星星座需求,因此,需要一個新的運控段(OCX)。這個現代化OCX將在未來五年內取代傳統的控制段,逐步接管GPS整個衛星星座,并且為GPS III衛星的運行做好準備。目前,OCX正處于開發階段,Northrop Grumman公司和 Raytheon公司與美國空軍簽訂合同,分別從事空間使命系統和智能信息系統的研發。現代化的OCX將全面對空間段進行管理,提高GPS的可用性和安全性,保證對軍事和民用的支持,滿足全球化通用的服務需求。

[1]Global Positioning System[R].Wikipedia Org,2005.

[2]National Positioning,Navigation and Timing Architecture Study[R].National Security Space Office,2008.

[3]The GALILEO Programme Feature[R].ESA,2005.

[4]GPS III Operational Control Segment(OCX)[R].Globalscurity Org,2009.

[5]The GPS System Control Segment(Monitor Stations)[R].Kowoma Corp,2009.