GNSS系統發展概況及啟示

韓夢澤,李克昭

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454003)

GNSS系統發展概況及啟示

韓夢澤?,李克昭

(河南理工大學測繪與國土信息工程學院,河南焦作 454003)

全球導航衛星系統及其應用領域在不斷地擴大和深化,世界各大國都在競相發展自己的衛星導航系統。簡要介紹了GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS、IRNSS的發展概況,探析了它們之間的兼容和互操作性,最后得出了幾點啟示。

GNSS;GPS;BDS;兼容和互操作性;衛星導航

1 前 言

全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)是個綜合性概念,泛指全球所有的衛星導航系統,包括全球導航系統、區域導航系統和星基增強系統[1]。GNSS系統對于一個大國的安全和發展至關重要,是重大的空間信息基礎設施,世界各大國都在競相發展自己的GNSS系統。目前已建成或在建的全球導航系統有美國的全球定位系統(global positioning system,GPS)、俄羅斯的全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GLONASS)、歐洲的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system,Galileo)和中國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system,BDS);區域導航系統有日本的準天頂衛星系統(quasi-zenith satellite system,QZSS)和印度的印度區域導航衛星系統(Indian regional navigational satellite system,IRNSS)。本文簡述了這6大GNSS系統的發展現狀和未來計劃,分析了它們之間的兼容和互操作性,得出了幾點啟示。

2 GNSS系統發展概況

2.1 GPS

GPS起步于1973年,建成于1994年。GPS最初規劃為24顆衛星,運行在6個軌道面上,近幾年在軌工作衛星通常保持在30顆以上。GPS是美國全球戰略的一部分,它以軍用為主,民用為輔。長期以來, GPS在美國的軍事行動和國家安全方面發揮了不可替代的作用,在全球民用導航市場更是占據了壟斷地位,已成為衛星導航的代名詞。

為了強化GPS的地位和作用,美國實施了GPS現代化計劃。原本GPS有L1、L2兩個頻率,發送1個民用測距碼L1C/A和2個軍用測距碼L1 P(Y)、L2 P(Y)。2005年9月,GPS-2R-M發射升空,開始播發第2個民用測距碼L2C,同時增播了L1M、L2M兩個軍用碼。與L1C/A相比,L2C不僅有數據通道,還有導頻通道,導頻通道上不調制導航電文,可增強信號跟蹤的健壯性。

2010年5月,GPS-2F衛星升空,增加了第三頻率L5,在其上調制了第3民用碼L5C。L5頻段位于受制度保護的航空無線電導航服務(aeronautical radio navigation service,ARNS)頻段內,所受干擾較少,可用于生命安全服務。GPS-2F是第2代GPS衛星的最后型號,設計壽命12年,計劃制造12顆。2014年8月2日,第7顆GPS-2F衛星發射升空,這顆衛星將在9月中旬運作;下一顆GPS-2F衛星將在10月下旬發射;美國計劃在2016年中期完成全部12顆GPS-2F衛星的發射。截至2014年8月2日,GPS在軌衛星數為33顆,包括7顆GPS-2A、12顆GPS-2R、7顆GPS-2RM和7顆GPS-2F。

GPS-3是第3代GPS衛星,它有3種型號GPS-3A、GPS-3B、GPS-3C;GPS-3A設計壽命15年,計劃于2016年發射,在其上增播第4民用信號L1C,L1C將最終取代L1C/A。目前,美國正加緊實施GPS-3計劃,計劃在2030年之前用GPS-3系列衛星替代現有所有型號的衛星,確保美國在衛星導航領域長期保持領先地位。與第2代導航衛星相比,GPS-3信號發射功率更大,抗干擾能力更強,定位精度能達到1 m以內,并將有望支持室內定位。

2.2 GLONASS

與GPS不同,GLONASS采用頻分多址(frequency division multiple access,FDMA)的信號體制,衛星靠頻率不同來區分;GPS采用碼分多址(code division multiple access,CDMA)體制,根據調制碼不同區分衛星。FDMA信號不利于與CDMA信號互操作,在定位精度上也弱于CDMA信號,阻礙了GLONASS的商業化應用。近幾年,俄羅斯在升級導航星座的同時,也注重了導航信號的革新,開始增播CDMA信號。GLONASSK1上發送了系統首個CDMA信號L3OC。GLONASSK2將發射4個CDMA信號,L1OC、L3OC為民用, L1SC、L2SC為軍用。GLONASS-KM上將增加L5載波,其CDMA信號將達到8個,其中包括2個能與GPS和Galileo兼容互操作的信號[2]。

2.3 BDS

BDS是我國按照“先區域、后全球,先有源、后無源”的發展思路建設的衛星導航系統。它的建設分3步:首先是在2000年初步建成北斗衛星導航試驗系統,具備了區域有源服務能力;接著在2012年底建成了北斗區域系統,具備了區域無源服務能力;最后是在2020年,建成北斗全球系統,具備全球無源服務能力。

我國在2000年成功發射了2顆北斗試驗衛星,形成了系統服務能力,完成了第1步計劃;2003年5月又發射了1顆備份衛星,完全建成了北斗導航試驗系統。從2007年4月～2012年10月,我國發射了16顆北斗導航衛星,完成了亞太組網,于2012年底宣告建成了北斗區域系統,完成了第2步計劃。目前,北斗區域系統運行良好,建設北斗全球系統的核心技術已經基本突破,我國將從2014年底開始陸續發射4～5顆實驗衛星,隨后再發射正式衛星,2020年完成全球組網的時間表不變。

色譜柱：ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱（2.1 mm×100 mm，1.7 μm）；流動相：0.1%甲酸（A）‐乙腈（B），金芪降糖片定性分析實驗流動相洗脫程序為 0～3min，98%～85%A；3～5min，85%A；5～15min，85%～79%A；入血移行成分測定實驗流動相洗脫程序為0～3 min，98%～71%A；3～5 min，71%A；5～10 min，71%～5%A；10～10.1 min，5%～98%A；體積流量0.3 mL/min，檢測波長為270 nm；柱溫37℃；進樣量10 μL。

北斗系統采用空間混合星座,它的衛星軌道有三種:地球靜止軌道(geostationary earth orbit,GEO),傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous satellite orbit, IGSO)和中圓軌道(medium earth orbit,MEO)。GPS、GLONASS和Galileo均采用單一中圓軌道,這種軌道能以最少衛星數量實現全球覆蓋,但在高緯度極區會有盲區,且對我國本土利用率不高。目前的北斗區域系統星座構成為“5GEO+5IGSO+4MEO”,計劃中的北斗全球系統的空間星座則為“5GEO+3IGSO+ 27MEO”[3]。

與其他全球導航衛星系統相比,北斗系統具有很多特色,如具有短報文通信和位置報告功能,這種能力為北斗系統提供了很多增值服務空間,目前在海洋漁業、水文監測,應急通信等方面已得到廣泛應用。由于星座中有GEO衛星,北斗系統中融入了星基增強系統,可自主提供廣域差分服務,不需要像GPS那樣還要另建專門的廣域增強系統[4]。此外,北斗系統具備三頻導航信息服務能力,在B1和B2上發射開放服務信號,在B1和B3上發射授權服務信號,使軍用、民用均可實現雙頻導航。

B1頻段為1 559.052 MHz～1 591.788 MHz,B2頻段為1 166.22 MHz～1 217.37 MHz,B3頻段為1 250.618 MHz～1 286.423 MHz。目前BDS發送B1a、B1b、B2I和B3導航信號,中心頻率分別為1 561.098 MHz、1 589.742 MHz、1 207.14 MHz和1 268.52 MHz。BDS完全建好后,導航信號會與現在不同,將發送B1c、B2和B3信號,中心頻率分別為1 575.42 MHz、1 191.795 MHz和1 268.52 MHz。其中B2信號采用AltBOC(15,10)圓包絡調制方式,包括B2a和B2b導航信號,中心頻率分別為1 176.45 MHz和1 207.14 MHz[5]。

2.4 Galileo

Galileo是歐盟為擺脫對GPS的依賴,打破其壟斷,而建立的衛星導航系統。Galileo計劃首次公布于1999年2月,在2002年3月的歐盟15國交通部長會議上被正式批準啟動。歐盟于2005年12月28日和2008年4月27日各成功發射了1顆Galileo試驗衛星,用于占用頻率資源和驗證關鍵技術。2011年10月21日,首批2顆Galileo工作衛星成功發射;2012年10月12日,第二批2顆Galileo衛星也順利升空;這4顆星是在軌驗證衛星,也是正式的Galileo工作衛星。4顆星是滿足導航服務的最小數量,這4顆星可以組成一個迷你小星座,初步發揮地面三維定位功能,對全系統進行在軌驗證,并為后續衛星的精確入軌提供支持。2014年8月22日,歐盟成功將第5顆和第6顆Galileo衛星送入太空,但沒能進入預定軌道。按照計劃,至2015年,Galileo星座將有18顆衛星,具備初始運行能力;至2020年,將完成全部30顆衛星的組網,具備全面運行能力。投入使用后Galileo將與GPS在L1和L5頻點上實現兼容和互用[6]。

與現在的GPS相比,Galileo星座的軌道高度更高、軌道面傾角更大,具有更好的全球覆蓋性,建成后可為挪威、瑞典等北歐國家提供更好服務。Galileo原計劃在2008年建成,曾被認為是對美國GPS最有力的挑戰。不過,由于歐盟的政治體制,需要協調各方利益,系統建設進度被一再延誤,完成全球組網的時間已推遲到2020年,這使得Galileo喪失了搶占全球市場的大好機會。

2.5 QZSS

QZSS是日本按照“先增強,后獨立,兼容漸進”的發展思路建設的區域性導航系統[7]。QZSS可為GPS提供區域增強,系統發送L1C/A、L1C、L2C、L5C等信號,可將日本民用信號的精度從10 m提高到1 m以內。2010年9月11日,日本發射了首顆QZSS衛星,設計壽命10年,拉開了日本打造獨立定位系統的大幕。QZSS的空間星座原定為3顆IGSO衛星,可保證總有一顆IGSO衛星在日本本土的天頂附近,后又增加了1顆GEO衛星。具體計劃為,在2017年3月之前發射2號衛星, 2017年5月之前發射3號衛星,2017年7月之前發射4號衛星。從2018年開始全面啟用由“3IGSO+1GEO”構成的QZSS,再以此為基礎進行擴展升級,在2020后建成一個由“4IGSO+3GEO”構成的區域導航系統。

2.6 IRNSS

印度政府于2006年5月9日正式批準建設IRNSS,其空間星座由4顆IGSO衛星(2顆在軌備份)和3顆GEO衛星構成,衛星設計壽命約為10年。3顆GEO衛星分別位于東經32.5°、83°、131.5°赤道上空; 4顆IGSO衛星軌道傾角為29°,升交點分別位于東經55°和111.75°。系統建成后,可為印度本土及邊境以外1500 km范圍內的用戶提供精確定位信息服務。2013年7月2日發射了系統首顆導航衛星IRNSS-1A;2014年4月4日發射了第2顆導航衛星IRNSS-1B;2014年下半年還將再發射2顆衛星;整個IRNSS系統預計在2016年建成,之后擴展升級為一個由18顆衛星組成的全球導航系統。

3 對比分析與兼容互操作性

3.1 對比分析

由于QZSS和IRNSS是區域系統,不便與全球系統對比,現僅作四大全球導航系統的比較分析,具體參數如表1所示。

上述對比表明:

(1)導航衛星以MEO衛星居多,衛星軌道高度、傾角、運行周期基本一致。

(2)衛星信號均為偽隨機碼擴頻信號,各系統具有相同的定位原理和定位算法。

(3)GPS、Galileo和BDS均采用CDMA體制,便于信號兼容互用。

(4)系統間有共用中心頻率和頻譜重疊的情況,用戶設備可以用簡單的射頻前端實現多系統信號的接收。

(5)系統時空基準不同,但可以通過轉化得到統一。

3.2 兼容與互操作性

目前,各國GNSS系統競相發展,導航頻率資源十分緊張,加強導航信號間的兼容和互操作性已成共識。互操作性只針對開放信號,它要求各GNSS系統的互操作信號具有相同的中心頻率,但采用同一頻率會帶來系統間干擾,系統兼容問題更嚴峻。各GNSS系統常通過共用中心頻率及頻譜重疊的方式來實現信號的互操作,通過信號波形及擴頻碼的謹慎設計解決兼容問題。

2007年7月26日,美歐發表聯合聲明,Galileo L1OS將與GPS L1C共用MBOC(6,1,1/11)調制來實現民用信號的互操作[8]。在L5(E5a)波段,Galileo E5a信號采用AltBOC(15,10)調制與采用QPSK(10)調制的GPS L5C信號實現兼容與互操作。BDS B1c公開服務信號將采用MBOC(6,1,1/11)調制方式與GPS L1C/Galileo L1OS在L1頻段共用。B2a與GPS L5/ Galileo E5a中心頻率相同,將在L5頻段實現互操作。B2b與又E5b頻譜重合,具有很好的互操作性。

未來,GLONASS-KM衛星將發射L1OCM和L5OCM兩個互操作信號,中心頻率分別為1 575.42 MHz和1 176.45 MHz,與其他系統在L1和L5頻點兼容共用。QZSS能發射與GPS完全相同的L1C/A、L1C、L2C、L5C信號,與GPS具有最好的互操作性,發射的E6-LEX又能與Galileo E6信號兼容互操作。IRNSS在L5和S頻段上發射CDMA信號,其中L5波段與GPS L5/Galileo E5a波段重合,以此實現互操作。可以看出,GNSS系統之間的兼容共用集中在L1和L5頻段。

4 啟 示

4.1 GNSS系統始終以軍用為主

盡管衛星導航系統的民用范圍比軍用更廣,但其本質上仍是軍用屬性。美俄建設衛星導航系統的出發點是為了滿足軍事需求;我國建設BDS的初衷也是為了解決國防安全和重點行業應用的安全問題;Galileo雖說是民用性質,但實質上也是為了擺脫對GPS的依賴,為建設歐洲獨立防務創造條件。各國不惜巨資建設自己的GNSS系統就是不想在軍事上受制于人。

4.2 建成一個GNSS系統需要20年

GPS起步于1973年,建成于1994年,用了約20年;GLONASS起步于1976年,建成于1995年,也用了約20年;BDS從2000年發射第一顆試驗衛星到2020年建成,也是20年;Galileo從1999年首次公布到2020年左右建成,也是需要20年。因此,GNSS系統的建設和發展需要做長遠規劃,必須堅持探索論證一代、研發生產一代和部署運行一代同步進行。

4.3 GEO和IGSO衛星逐漸受到重視

BDS、QZSS和IRNSS的空間星座中均有GEO和IGSO衛星,因為這兩種軌道的衛星對特定區域的利用率比MEO衛星高,衛星軌道監測也方便,非常適合區域導航系統。GEO衛星的引入也便于融合星基增強服務和通信功能,節省系統設計資源。導航與通信集成有望成為下一代衛星導航系統的發展方向。

4.4 衛星壽命對系統的長期穩定運行至關重要

GLONSS和GPS建成的時間僅差一年,后來的發展卻大相徑庭,一個重要因素的就是當時GLONASS衛星的工作壽命太短,系統投入運行不足3年就有一半衛星需要替換。現在各國都特別重視導航衛星的設計壽命。GLONASS-K1的設計壽命已達10年,正在研制的GLONASS-KM設計壽命為15年;GPS-2F的設計壽命是12年,GPS-3的設計壽命為15年以上;Galileo在軌衛星的設計壽命為12年以上;目前我國北斗導航衛星的設計壽命為8年,后續的全球組網衛星設計壽命可達10年～12年。

4.5 系統間兼容與互操作已成必然

目前,各GNSS系統已基本實現兼容性,并將逐漸在L1和L5頻段實現互操作。兼容與互操作表面上是國際合作,實際上是各導航大國在民用領域的技術競爭和國力角逐,最終將導致全球GNSS市場的重新洗牌。不能融入世界GNSS體系的系統將無法分享國際和國內市場,兼容與互操作的程度也會對系統的發展產生影響。

5 結 語

近40多年來,GNSS系統競相發展,呈現出GPS一路領先,GLONASS曲折發展,BDS分步邁進,Galileo躑躅前行,QZSS和IRNSS不甘落后的態勢。GNSS系統的多極化發展,正是世界格局多極化的縮影。目前GNSS面臨著系統在升級、技術在創新、產業在轉型的戰略機遇期,呈現出“多系統融合并存、跨產業融合發展”的趨勢。GPS一家獨大的局面將被打破,各GNSS系統將實現兼容共用,多模多頻導航將為用戶提供更好的服務。GNSS產業將與移動通信、互聯網、物聯網、智慧城市等融合發展,迎來時空信息服務泛在化、智能化的新時代。

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Overview of the Development of Global Navigation Satellite System

Han Mengze,Li Kezhao
(School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

The global navigation satellite system and its application fields are extending and deepening.Big countries are actively developing their own satellite navigation system.The current status and future plans of GPS,GLONASS, Galileo,BDS,QZSS and IRNSS were introduced briefly.The compatibility and interoperability of GNSS was analyzed.Finally,several enlightenment was drawn.

GNSS;GPS;BDS;compatibility and interoperability;satellite navigation

1672-8262(2014)06-28-05

P228

B

2014—08—13

韓夢澤(1988—),男,碩士研究生,主要從事衛星導航方面的研究。

國家自然科學基金(41272373,41202245)