现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析

中国科学Ｅ辑：技术科学ＷＷＷ．ｓｃｉｃｈｉｎａ．ｃｏｍ２００９年第３９卷第４期：６８６—６９５＜中国科学＞杂志社ＳＣＩＥＮＣＥｌＮＣＨＩＮＡＰＲＥＳＳｔｅｃｈ．ｓｃｉｃｈｉｎａ．ｃｏｍ现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析陈忠贵木，帅平，曲广吉中国空间技术研究院总体部。北京１０００９４‘Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｚｈｏｎｇｇｕｉ＠ｅａｓｔ．ｃｎ收稿日期：２００８．０８．２３：接受日期：２００８．１０－１７国家高技术研究发展计划（“８６３”计划）（批准号：２００８ＡＡｌ２２３０４）助项目摘要简要介绍了美国ＧＰｓ系统、俄罗斯ＧＬＯＮＡＳＳ系统、欧洲Ｇａｌｉｌｅｏ系，统、中国北斗卫关键词卫星导航系统星座维持自主导航星间链路导航信号调制星导航系统、以及日本和印度的区域卫星导航系统的发展状况．重点研究了ＧＰｓ系统星座维持、有效载荷、自主导航、信号调制和地面站改造等最新技术特征，以及ＧＰＳＩＩＩ系统技术及研究进展，分析论证了卫星导航系统技术的发展趋势，为我国卫星导航系统建设规划提供参考．现代战争以陆、海、空、天一体化战场环境为其主要特征，在空间攻防对抗中卫星导航系统为各类运载工具和先进武器提供高精度时空基准和精确制导信息．近１０余年来，ＧＰＳ系统在几次局部战争中的成功实践，充分展示了现代卫星导航系统的重大军事利用价值；同时，ＧＰＳ在国民经济的各个领域得到广泛应用，已发展成为对全球经济有相当影响的巨大产业，倍受世界各国关注．目前，已建成和正在规划建设的卫星导航系统除美国的ＧＰＳ系统外，还有俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ系统、欧洲的Ｇａｌｉｌｅｏ系统、中国的北斗卫星导航系统、以及日本和印度的区域卫星导航系统．本文在简要论述现代卫星导航系统技术发展现状基础上，重点研究近年来ＧＰＳ系统的最新技术特征，以及ＧＰＳＩＩＩ系统技术与发展规划，并分析论证卫星导航系统技术的发展趋势，为我国卫星导航系统建设规划提供参考．定位精度，增强系统的连续性、完好性、可用性、抗干扰性和自主生存能力，美国积极推进ＧＰＳ系统的现代化，使之成为国际卫星导航的标准系统．ＧＰＳ系统现代化采取的技术措施和步骤包括：（１）关闭选择可用性（ＳＡ）软件；（２）新增军用Ｍ码和民用Ｌ２Ｃ码；（３）增设民用频率Ｌ５；（４）实施新一代ＧＰＳＩＩＩ系统计划【ｌ】．当前，正处于ＧＰＳ系统现代化的第２阶段，部署现代化改造卫星系列ＢｌｏｃｋＩＩＲ—Ｍ．截至２００７年７月，ＧＰＳ星座拥有３０颗在轨运行卫星，包括１５颗ＢｌｏｃｋＩＩＡ卫星、１２颗ＢｌｏｃｋＩＩＲ卫星和３颗ＢｌｏｃｋＩＩＲ—Ｍ卫星．其中，在第１－４轨道面上各有５颗卫星；在第５轨道面上有４颗卫星；在第６轨道面上有６颗卫星．当前的ＧＰＳ星座已不是早期设计的经典Ｗａｌｋｅｒ２４／３／２星座构形，而是趋向于一种６个轨道平面的卫星均匀分布与非均匀备份混合星座构形［２１．这样的星座设计能够保证导航卫星信号的全球连续性覆盖，满足系统可用性指标要求，有利于实现接收机自主完好性监测（ＲＡｔＭ），获得安全可靠的高精度导航信息．１卫星导航系统发展状况１．１美国的ＧＰＳ系统自２０００年以来，为了进一步提高ＧＰＳ系统导航６８６用户测距误差（ｕＰｓ）是评价卫星导航系统性能的关键指标，与卫星导航系统地面控制部分和空间星座部分密切相关，由卫星星历及时钟误差在用户至卫星视线方向的投影计算得到．在图１中展示了１９９０—２００５年ＵＲＥ均方根误差（ＲＭＳ，即用户测距精度）的长期统计结果．从图ｌ中可以看到，自１９９５年ＧＰＳ星座具备完全可操作能力以来，用户测距精度提高了６２％。到２００５年已达到１．１ｍ．随着ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩ刚ＩＩＲ．Ｍ卫星系列的部署，加入星间链路测距数据。ｍ．薹∞至匣图１ＧＰＳ系统用户测距精度持续改进过程可见，ＧＰＳ系统用户测距精度逐渐提高是ＧＰＳ卫ＧＬＯＮＡＳＳ系统与ＧＰＳ系统具有相似的系统构ｈ以上．俄罗斯宣布，将在２００７年下半年进１８颗，以满足初步导航应用能力；２００９年，恢复全部到目前为止，已发射９５颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星。包ＭＨｚ）和Ｇ２（１２４０。１２５６ＭＨｚ）频段上采用频分多址（ＦＤＭＡ）方式调制军中国科学Ｅ辑：技术科学２００９年第３９卷第４期卫星设计寿命为１０年。增加Ｇ３（１１９０—１２１２ＭＨｚ）导航频段、星间链路和搜救载荷等设计，并可能在ＧＬｏＮＡＳＳ—Ｋ卫星Ｇ１，Ｇ３频段上采用码分多址（ＣＤＭＡ）方式调制导航信号，以同Ｇａｌｉｌｅｏ。ＧＰＳ民用导航信号兼容．ＧＬＯＮＡＳＳ．Ｋ卫星预计２００８年以后发射入轨，ＧＬＯＮＡＳＳ．Ｉ（Ｉｖ【，ＮＧ卫星预计２０１１年以后才能发射１４，５Ｊ．１．３欧洲的Ｇａｌｉｌｅｏ卫星导航系统２００２年３月２６日，启动欧洲民用导航卫星计划ＭＥＯ卫星组成，采用Ｗａｌｋｅｒ２７／３／１星座构形，并有３颗在轨备份卫星．卫星轨道倾角为５６０。轨道高度为２３６１６ｋｍ，轨道交点周期为１４ｈ２２ｍｉｎ．卫星在轨重量约为６５０ｋｇ，功耗７００Ｗ设计寿命为２０年怕Ｊ．Ｇａｌｉｌｅｏ卫星采用码分多址（ＣＤＭＡ）扩频通信，以及二进制补偿载波（ＢＯＣ，或二进制偏置载波）和二相移键控（ＢＰＳＫ）信号调制方式，在Ｅ５（１１６４—１２１５ＭＨｚ），Ｅ６（１２６０－１３００ＭＨｚ）和Ｅ２．Ｌ１．Ｅ１（１５５９－１５９１ＭＨｚ）频段上调制１０个导航信号。并在Ｌ６（１５４４—１５４５ＭＨｚ）频段内广播搜救信号１７１．Ｇａｌｉｌｅｏ系统提供５种基本的服务方式：开放服务（ＯＳ）、商业服务（ＣＳ）、生命安全服务（ＳＯＬ）、公共管理服务（ＰＲＳ）和搜救服务（ＳＡＲ）．２００５年１２月２８日，成功发射第１颗Ｇａｌｉｌｅｏ试原子时钟、空间辐射环境、以及卫星激光测距（ＳＬＲ）等进行在轨测试验证．Ｇａｌｉｌｅｏ系统原计划２００６年完成在轨测试验证，２００８年前完成全部３０颗卫星发射与组网．现计划推迟为：２００７年底发射第２颗试验卫星ＧＩＯＶＥ．Ｂ；２００９年发射Ｇａｆｉｅｏ卫星和在轨测试验用阶段．２０００年１０月，我国成功发射了第ｌ颗北斗导航２００７年４月１４日，我国在西昌卫星发射中心又ｋｍ的中圆轨道，标志着我国自行研制的北斗卫星导航进一步减小ＵＲＥ值．２００７年２月２１日，统计ＧＰＳ星座３０颗卫星的平均ＵＲＥ值已达到０．７４——Ｇａｌｉｌｅｏ卫星导航系统．Ｇａｌｉｌｅｏ卫星星座由３０颗星系统技术不断演化及地面控制站升级和完善的结果，满足军民用户高精度导航应用需求．验卫星——ＧＩＯＶＥ—Ａ，对导航频段、导航信号、星载证；２０１２年前完成全部星座卫星部署，并进入工程应１．２俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ系统成、定位原理和服务方式，其差异在于采用不同的信号通信、坐标参考系统、时间基准系统和广播星历格式川．ＧＬＯＮＡＳＳ星座现有１７颗卫星在轨运行，其中第１，ＩＩ和ＩＩＩ轨道平面分别有８颗、３颗和６颗卫星，４颗卫星为临时关闭状态，１颗卫星尚处于测试阶段，仅有１２颗卫星能够正常工作．目前，ＧＬＯＮ．ＡＳＳ星座全球可用性为８５％，每天平均间断时间在２．１行２次发射（６颗卫星），ＧＬＯＮＡＳＳ星座卫星数可达到２４颗卫星星座，具备完全可操作能力【３１．括８８颗ＧＬＯＮＡＳＳ卫星和７颗ＧＬＯＮＡＳＳ．Ｍ卫星．ＧＬＯＮＡＳＳ卫星在Ｇ１（１５９１－１６１０１．４中国的北斗卫星导航系统卫星．现已建成具有３颗北斗卫星的导航试验系统．该系统采用主动式导航，为我国境内及周边地区的中、低动态用户或静止用户提供定位和授时服务，对我国国民经济建设起着积极的推动作用．成功发射了一颗北斗导航卫星，进入高度为２１５００用和民用信号．新型的卫星系列ＧＬＯＮＡＳＳ—Ｋ和ＧＬＯＮＡＳＳ．ＫＭ／ＮＧ正在研制和开发之中．ＧＬ（）ＮＡＳＳ．Ｋ陈忠贵等：现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析系统进入新的发展建设阶段．我国将在未来几年里陆续发射北斗导航卫星系列，并进行星座组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统．该系统采用单向时间测距的被动式导航，具有定位、测速和授时等功能，主要用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务．１．５善，取得了良好的实际工程应用效果．每次发射进入ＧＰＳ星座的替补卫星，并不是对退役卫星站位的简单替换，其具体站位是由备份策略优化计算得到的．近８年来，ＧＰＳ星座在轨卫星数量一直保持在２８颗以上，表１中给出了在此期间发射的ＧＰＳ卫星及相应的退役卫星轨道面和站位分布情况．从表１中可以看到，发射ＧＰＳ替补卫星与相应的退役卫星在分布轨道平面和站位上没有必然联系，甚至不在同一轨道平面上．事实上，ＧＰＳ星座在轨备份策略是根据星座全球连续覆盖监测结果、系统性能指标、星座卫星健康状态、运载和发射能力、新型卫星研制状况、卫星及星座可靠性预算、发射时刻、发射场地、以及系统现代化进程等多种因素的量化数据。采用ＧＰＳ星座备份策略优化设计与分析软件，计算得到替补卫星的部署轨道面和站位．针对退役卫星对星座全球覆盖性能的影响评估结果，对星座卫星站位进行动态配置．例如，在２００３年７月至２００７年７月间，就对４颗ＧＰＳＢｌｏｃｋ日本和印度的区域卫星导航系统２００６年，日本提出建立区域卫星导航系统——准天顶卫星系统（ＱＺＳＳ）．ＱＺＳＳ星座由７颗卫星组成，包括３颗倾斜地球同步椭圆轨道（ＩＧＳＥＯ）卫星、ｌ颗ＧＥＯ卫星和３颗ＨＥＯ卫星。计划２００９年发射第１颗卫星．ＱＺＳＳ卫星导航信号与ＧＰＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ卫星兼容，包括Ｌ１Ｃ，Ｌ１一Ｃ／Ａ，Ｌ２Ｃ，Ｌ５和Ｌ１．ＳＡＩＦ等信号．ＱＺＳＳ地面控制系统包括１０个监测站和１个主控站，时间尺度与国际原子时（ＴＡＩ）相差１９ｓ，坐标系统与ＧＰＳ系统偏差小于０．０２ｍ．印度的区域卫星导航系统（ＩＲＮＳＳ）星座将采用３ＧＥＯ＋４ＩＧＳＯ构形，卫星将在Ｌｌ和Ｌ５频段上调制导航信号，并利用Ｃ频段对卫星测距，用Ｓ频段进行卫星测控．计划２００９年发射１颗ＧＥＯ卫星，用于辅助ＧＰＳ区域增强导航，并进行ＩＲＮＳＳ系统技术初步试验验证．２２．１ＧＰＳＩＩＡ卫星进行站位调整，以满足星座全球连续覆盖性能指标要求（如表２所示）．可见，导航星座在轨备份与长期维持策略属于多元决策变量、多目标和复杂函数的优化问题．ＧＰｓ星座的长期维持策略逐渐由“按计划发射”方式向ｌＩ系统的最新技术特征“按需发射”方式过渡．ＧＰＳ替补卫星部署轨道面和站位随发射时刻动态优化确定，以满足全球定位精度、连续性、完好性和可用性等系统性能指标要求．ＧＰＳ星座在轨备份与维持技术ＧＰＳ星座在轨备份策略随着星座演化而不断完表１近８年来发射的ＧＰＳ替补卫星与退役卫星分布情况中国科学Ｅ辑：技术科学２００９年第３９卷第４期表２ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＡ卫星站位动态调整情况２．３ＧＰＳ卫星有效载荷技术演化根据ＧＰＳ系统现代化进程，剩余的５颗ＢｌｏｃｋＩＩＲ—Ｍ卫星系列，将在２００７下半年以后的１年内发射部署完毕．２００８年，将发射ＧＰＳ系列．ＧＰＳＢｌｏｃｋＢｌｏｃｋＩＩＦ后续卫星ＩＩＦ卫星在轨重量为１５４５ｋｇ，功率为２９００Ｗ’设计寿命为１２年．２０１３年，将实施新一２．２ＧＰＳ卫星系列与长寿命特征目前，美国已发射５种ＧＰＳ卫星系列，ＩｌｐＢｌｏｃｋＩ，代ＧＰＳ系统计划－－－－－－ＧＰＳＩＩＩ．ＧＰＳ卫星有效载荷技术演化过程如下例．（１）ＧＰＳＢｌｏｃｋＢｌｏｃｋＩＩ，ＢｌｏｃｋＩＩＡ，ＢｌｏｃｋＩＩＲ和ＢｌｏｃｋＩＩＲ．Ｍ，Ｉ卫星．ＢｌｏｃｋＩ卫星系列属于双共计５５颗卫星，其中ＢｌｏｃｋＩ－７和ＩＩＲ．１两颗卫星发射失败．表３中分别给出了５种卫星系列的重量、功率、原子时钟类型及数量、设计寿命、首次发射时间以及已发射数量等主要技术参数．从表３中可以看到，ＧＰＳＢｌｏｃｋ频率Ｌ１（１５７５．４２ＭＨｚ）和Ｌ２（１２２７．６０ＭＨｚ）基本型卫星，在Ｌｌ频率上调制Ｃ／Ａ码、Ｐｌ码和导航电文信号：在Ｌ２频率上调制Ｐｌ码和导航电文信号，因此也被称为原始概念验证卫星．该卫星系列由Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司负责研制，反映了系统开发阶段的技术水平．（２）ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩ卫星．ＢｌｏｃｋＩＩ卫星系列是由ＩＩＲ卫星系列都采用铷钟频标，已取代铯ｈ，钟空间应用．星载铷钟稳定度为ｌｘｌ０－１３～４ｘ１０－１４／２４具有较小的热系数，毋需专门作外部热控系统设计，对于不可预见的热环境，由附加的基板加热器负责环境温度调节，保证铷钟正常工作１８１．在图２中展示了已发射的５５颗ＧＰＳ卫星实际寿命情况．其中，卫星编号“１ｌ”表示ＢｌｏｃｋＩ．１卫星；‘＇２１”表示ＢｌｏｃｋＩＩ．１卫星：“２Ａ１０”表示ＢｌｏｃｋＩＩＡ．１０；Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司负责研制的标准型卫星．除具有ＢｌｏｃｋＩ卫星基本功能外。卫星有效载荷增加功能包括：核爆探测系统（ＮＤＳ）载荷：人为降低广播星历和时钟参数精度的ＳＡ软件；采取反电子欺骗（Ａ．Ｓ）措施，将军用Ｐ码加密为Ｐ（Ｙ）码；以及具有１４天的导航电文存储能力．ＮＤＳ信息通过Ｌ３（１３８１．０５ＭＨｚ）频率下传到地面信息分析中心，同时Ｌ３频率还用于传输导弹预警信息和其他应用．（３）ＧＰＳＢｌｏｃｋ‘‘２Ｒｌ”表示ＢｌｏｃｋＩＩＲ－１：“１６Ｍ”表示ＢｌｏｃｋＩＩＲ一１６Ｍ．从图２中可以看到：在已成功发射并退役的２３颗卫星中，仅有３颗卫星ＢｌｏｃｋＩ．５，ＢｌｏｃｋＩＩ．７和ＢｌｏｃｋⅡＡ—１３未达到设计寿命要求：ＢｌｏｃｋＩＩ．９卫星在轨运行时间最长，达到１６．６年，是其设计寿命的２．３倍；已成功发射并退役的１０颗ＢｌｏｃｋＩ卫星和１３颗ＩＩ／ＩＩＡ卫星的平均使用寿命分别为９．６年、１１．５年．可见，ＧＰＳ卫星设计和研制技术，以及星座长期维持与运行管理技术已相当成熟．ＧＰＳ卫星的长寿命特征是ＧＰＳ系统获得空前成功的重要保障条件．表３已发射ＧＰＳ卫星系列的主要技术参数ＩＩＡ卫星．ＢｌｏｃｋＩＩＡ为ＢｌｏｃｋＩＩ的增强型卫星系列，具有１８０天的导航电文存储能力，在缺乏地面控制系统信息支持的情况下，卫星自主播发导航电文，用户导航定位精度逐渐下降．（４）ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ卫星．ＢｌｏｃｋＩＩＲ为ＢｌｏｃｋＩＩ／ＩＩＡ的替补卫星系列，由ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎ公司负责研制，增加了星间测距与通信链路设计，具有自主导航功能．同时，卫星还具有在轨可编程能力，并设计在轨重量／ｋｇ功率／Ｗ铯钟数铷钟数设计寿命／ｙｒ首次发射时间已发射数量５００４００ｌ２５１９７８．０２．２２ｌｌ４９８７５，，５６讲ｍＯ２７∞２２７．８６９２，砼４１９９ｌｏ．１１．２６１９９１眦９”詈忉岫ｏ，ｍ加Ｂ耋峨，泐，陈忠贵等：现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析图２ＧＰＳ卫星使用寿命统计结果了针对星载铷钟性能的先进时间保持系统，实现星上时间系统保持和无缝切换．可见，该卫星系列对有效载荷做了较大的技术改进，满足现代卫星导航系统性能需求．（５）ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ．Ｍ卫星．ＢｌｏｃｋＩＩＲ—Ｍ是对８颗ＢｌｏｃｋＩＩＲ卫星进行现代化改造的卫星系列，该卫星在Ｌ１和Ｌ２频率上播发新的军用Ｍ码，并在Ｌ２频率上将播发民用测距码（Ｌ２Ｃ）．Ｌ２Ｃ码具有灵活的信号结构、较强的数据恢复和信号跟踪能力，普通用户可利用双频测量伪距修正电离层延迟误差．Ｍ码比Ｐ（Ｙ）具有较强的发射功率、抗干扰能力和保密性能，以及有利于直接捕获等优点，更好地满足军用需求［１０ＪＨ．（６）ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＦ卫星．ＢｌｏｃｋＩＩＦ属于ＢｌｏｃｋＩＩ～ＩＩＲ的后续卫星系列，由Ｂｏｅｉｎｇ公司负责研制．该卫星增加民用频率Ｌ５（Ｉ１７６．４５ＭＨｚ），有利于保障民航安全，修正电离层延迟误差，实时解算载波相位模糊度，削弱多路径效应影响等．同时，卫星采取柔性的有效载荷软硬件设计，增强星间链路数据处理、网络通信、以及高速的上下行链路数据传输能力．卫星上行和下行数据传输率分别到达２Ｋｂｐｓ和１．９Ｍｂｐｓ【１２Ｊ．２．４ＧＰＳ卫星自主导航技术ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ／ＩＩＲ．Ｍ卫星具有自主导航功能．所谓自主导航是指导航星座卫星在长时间得不到地面测控系统支持的情况下，通过星间双向测距、数据交换以及星载处理器滤波处理，不断修正地面站注入的卫星长期预报星历及时钟参数，并自主生成导航电文和维持星座基本构形，满足用户高精度导航定位应用需求的实现过程．其中，星间测距与通信链路是ＧＰＳ卫星自主导航的核心技术，由星间信号发射机、信号接收机、馈电网络、发射天线单元、接收天线单元以及信号与数据处理单元组成．ＧＰＳ卫星自主导航模式和技术特点如下．（１）星间链路天线．星间链路发射天线采用天线单元，而接收天线由９个单元组成的平面直射阵列组成，其中１个单元位于阵列中心，其余８个单元围绕中心单元均匀布置，且馈电相位与中心单元反相，馈电幅度按比例配置．接收天线波束相位中心稳定，波束边缘增益可达到７ｄＢｉ左右．（２）星间链路拓扑结构．根据ＧＰＳ星座构形和星间链路天线赋形设计，星间链路距离可达到４９４６５ｋｉｎ．对于２４颗卫星星座，可以建立８．１６条同轨道面前向和后向链路，以及异轨道面侧向链路．（３）星间链路通信．星间通信采用时分多址（ＴＤＭＡ）扩频通信，通信频段为ＵＨＦ（２５０—２９０ＭＨｚ）频段．每颗卫星分配１．５Ｓ的时间间隔用于双频测距或通信．对于２４颗卫星星座，３６Ｓ为１个子帧，９００ｓ为１个主帧．ＧＰＳＩＩ剐ＩＩＲ—Ｍ卫星星间链路测距周期可选择１５ｍｉｎ，１，２，３，４和６ｈ，其中ｌｈ为缺省值设置‘１３１．（４）自主导航信息处理流程．星间测距与数据交换一星间测距与时钟参数修正一星座卫星完好性监测与评估一更新星历和时钟参数一修正星座整体旋转误差一重新拟合卫星星历和时钟参数一修正卫星时钟偏差一保存每小时检测点数据一生成导航电文．（５）自主导航工作模式．ＧＰＳＩＩⅣＩＩＲ．Ｍ卫星自主导航采取４种工作模式－关闭模式，仅进行星间测距和数据存储；滑行模式，星间测距、数据存储和递推、导航电文生成，以及更新电文播发至用户；隔离模式，不使用其他卫星数据，卫星处理原有数据：正常模式，执行全部自主导航操作．将ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ／ＩＩＲ—Ｍ卫星星间测距数据下传到地面主控站进行分析处理。计算得到卫星自主导航ＵＲＥ时间序列（如图３所示）．从图３中可以看到：在大多数情况下，７５天的ＧＰＳ卫星自主导航ＵＲＥ值小于３ｍ；在无地面系统支持情况下，４０天以后的ＵＲＥ值具有逐渐增大的趋势．ＧＰＳＩＩＲ／ＩＩＲ．Ｍ卫星自主导航设计指标要求是在１８０天时间内ＵＲＥ值小于６ｍ，用户导航定位精度８７５４３ＯｌＯ２０３０４０５０６０７０Ｄａｙｓ图３ＧＰＳ卫星自主导航ＵＲＥ时间序列不会有明显下降．事实上，基于星间链路信息的导航星座自主导航，由于缺乏外部时空基准信息，不能消除或抑制星座整体旋转误差、地球自转的非均匀性误差和极移残差随时间累积，致使星座难于长时间自主运行【１４】．因而。在ＧＰＳＩＩＦ卫星设计中，其自主导航指标要求更改为具有６０天自主导航能力，ＵＲＥ值小于２ｍＩ：１２，１５］．此外，正考虑采用一种导航星座“抛锚”技术，解决ＧＰＳ自主导航星座整体旋转问题【ｌ们．通过地面站定期向星座卫星发射测距信号和调制数据信息，卫星自主进行信息处理，抑制星座不可观测性误差随时问累积．但是，这种通过建立星地链路的解决方式，又违背了导航卫星长时间自主运行的原则．２．５ＧＰＳ卫星Ｍ码信号ＢＯＣ调制技术在ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ．Ｍ卫星上增加的军用Ｍ码采用了ＢＯＣ调制技术．ＢＯＣ技术不同于传统的ＢＰＳＫ和ＱＰＳＫ调制，是一种通过频谱信号将能量偏移远离载波频带中心的有效信号的调制方式１１７１．利用ＢＯＣ技术调制的导航信号优势如下．（１）实现导航频段重用，减少信号相干损耗，抑制信号多路径效应，提高伪码测量跟踪精度．（２）增强信号抗干扰性能、以及简化信号微波处理单元和多工器设计．（３）提高军用信号发射功率而不会干扰民用弱信号捕获，有利于实现军用和民用导航信号的分离．ＢＯＣ常用表达形式为ＢＯＣ（ｍ，，１），其中，ｍ，ｎ分别表示相对于次载波频率和扩频码速率与星载时钟基准频率的比值；ｍ与ｎ之比值称为ＢＯＣ调制系数．对于ＧＰＳ卫星，时钟基准频率为１．０２３ＭＨｚ，在图４中分别展示了ＢＯＣ（５，５），ＢＯＣ（８，４），ＢＯＣ（９，３），中国科学Ｅ辑：技术科学２００９年第３９卷第４期ＢＯＣ（１０，２）和ＢＰＳＫ（１０）调制信号跟踪测距精度与载噪比之间的关系．从图４中可以看到：伪码跟踪测距精度随载噪比增大而提高：在载噪比一定的情况下，ＢＯＣ调制信号跟踪测距精度高于ＢＰＳＫ调制信号；ＢＯＣ调制系数越大，其测距精度就越高．图４基于ＢＯＣ信号调制方式的测距误差与载噪比的关系尽管采用ＢＯＣ调制导航信号具有诸多优点，但是ＢＯＣ调制信号的捕获与跟踪存在模糊度问题．ＢＯＣ调制信号的自相关函数属于多个峰值函数，主峰和次峰幅度差异较小，次峰幅度达到主峰值的７０％以上．若接收机错误锁定了次峰位置，将会带来较大的伪距测量误差．因此需要采用不同于传统调制信号的捕获与跟踪新算法，以检测正确的自相关峰值‘１引．ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ—Ｍ卫星在Ｌｌ和Ｌ２频段上采用ＢＯＣ（１０，５）调制Ｍ码信号．２００５年９月２６目，成功发射第ｌ颗现代化卫星ＧＰＳＢｌｏｃｋＩＩＲ一１４Ｍ．２００５年１２月１６日，该卫星正式播发Ｍ码信号，Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司率先对其成功捕获和跟踪，测试验证了Ｍ码信号的跟踪测量精度、编码加密、抗干扰等性能，Ｍ码信号功率较Ｐ（Ｙ）码增强ｌＯｄＢ以上【１２Ｉ．２．６ＧＰＳ系统地面控制站技术改造ＧＰＳ地面控制站现代化改造是增强ＧＰＳ系统性能的莺要内容，包括软件和硬件２个方面．ＧＰＳ精度改进议案（ＡＩＩ）提出了地面控制站技术改造措施，其目标是进一步减小卫星星历及时钟误差，提高用户导航定位精度【１９】．６９１陈忠贵等：现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析目前。ＧＰＳ地面控制系统软件已升级到Ｖ５．２版本，软件修改内容包括：改进卫星轨道测定及预报算法；改善卫星时钟管理与监测机制；缩短导航电文数据龄期：减小监测站位置误差：完善分布式Ｋａｌｍａｎ滤波算法、传输软件和数据处理流程等．地面控制站技术改造包括：更换地面监测和注入站天线、原子时钟、计算机及其网络设备：在原有５个监测站的基础上。将卡拉维尔角（ｃａｐｅｃａｎａｖｅｒａｌ）预发射协调站扩建为监测和注入站：改造分布于全球的美国国家影像制图局（ＮＩＭＡ／ＮＧＡ）的１１个ＧＰＳ跟踪站，纳入地面控制系统网络，目前已改造完成８个ＮＧＡ站已投入使用，其余３个站正在改建之中［２０１．此外，还要在美国西部的范登（Ｖａｎｄｅｎｂｅｒｇ）空军基地再建设１个主控站作为备份【２¨．这样，确保任意时刻ＧＰＳ星座中的每一颗卫星信号能同时被３个以上监测站跟踪，以提高卫星轨道及时钟参数预报精度，增强卫星信号完好性监测能力，提高控制系统的数据处理与传输能力，减小用户测距误差，持续改进ＧＰｓ系统性能．３ＧＰＳⅢ系统技术与研究进展尽管ＧＰＳＩＩ系统应用获得了空前成功，但是其系统结构框架源于２０世纪７０，８０年代的规划设计和技术基础，存在诸多自身难以服的缺陷，包括导航信号精度、可用性、完好性、安全性、可监测性和抗干扰性能。以及星座异常事件的快速反应能力等，不能满足未来军事、民用和商业用户的更高要求．因此，ＧＰＳＭ将采用全新的设计方案，融合配置各种技术资源，克服ＧＰｓＩＩ系统缺陷，并具有向后技术兼容能力，以满足未来３０年系统技术扩展和用户需求【２１彩】．３．１ＧＰＳⅢ系统发展规划．．．一２０００年５月。美国空军宣布启动新一代ＧＰＳ系统计划——ＧＰＳｍ，由美国Ａｅｒｏｓｐａｃｅ公司负责系统顶层与星间链路分析论证。ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎ，ＳｐｅｃｔｒｕｍＡｓｔｒｏ和Ｂｏｅｉｎｇ公司共同负责系统设计与实现．该计划分为４个阶段实施：２０００—２００５年为系统概念研究和可行性论证阶段：２００６。２００８年为关键技术攻关与仿真试验阶段；２００９。２０１２年为工程研制阶段；２０１３年以后进入ＧＰＳⅢ卫星发射部署和试验验证阶段．目前已完成ＧＰＳＩＩＩ系统结构与需求定义、需求分析研究、操作概念模式研究、以及通信网络与星间链路论证等，并开发了一套性能强大的集成ＧＰｓ仿真系统（Ｉ．ＧＰＳＳ）软件，进行星座设计与系统性能分析【２４１．ＧＰＳＩＩＩ将采用３个或６个轨道平面，轨道倾角为５５０，轨道高度暂定２０１９６ｋｍ，２７颗ＭＥＯ与４颗或９颗ＧＥＯ配置的星座设计方案，确保由ＧＰＳＩＩ到Ⅲ星座的平稳过渡．３．２ＧＰＳⅢ卫星技术特征ＧＰＳＢｌｏｃｋＩｌＩ卫星系列将继承和完善以前ＧＰＳ卫星平台及有效载荷的成熟技术，具备柔性的在轨可编程和冗余硬件自主管理功能，并在Ｌｌ，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４。Ｌ５和Ｌ６频段上调制导航及相关信号．卫星设计寿命为１５年，重量为１７９６ｋｇ，可以常年发射到任意轨道平面，不存在发射窗口约束问题，其主要技术特征如下．（１）高速和精确指向的星间链路．ＧＰＳⅢ卫星继续将提供更高速率的星间链路网路，保证星间信息传输和地面控制系统的实时测控操作．（２）高功率的点波束发射天线．在强干扰的敌对环境条件下，ＧＰＳＩＩＩ卫星启用点波束发射天线，同时增强２个指定区域的信号功率，保证军用接收机能够接收导航信号，且导航定位精度不受影响．利用点波束天线使卫星信号功率增强２７ｄＢ，而军用接收机天线和信号处理模块可以获得ｌｌｄＢ增益，因此系统具有３８ｄＢ的抗干扰能力，满足美用导航战需求．（３）实时完好性监测功能．ＧＰＳⅢ系统建立高速的星地和星间链路网络，提供了故障事件的近实时报警和处理机制．只要接收到ｌ颗卫星信号，就可以获得整个星座信息，卫星自主进行故障诊断和处理，确保用户获得安全可靠的导航信息．（４）星载灾害报警系统．ＧＰＳＭ卫星增加灾害报警系统，提供基本搜救服务．通过在ＵＨＦ（４０６ＭＨｚ）频段上调制紧急事件呼救信号，并转发至ＧＰＳＨＩ卫星．ＧＰＳ１ＩＩ卫星通过Ｌ６（１５４４ＭＨｚ）频率及时播发呼救信息至地面搜救中心，将增强现有的国际卫星灾害报警系统Ｃｏｓｐａｓ．ｓａｒｓａｔ卫星的搜救能力．（５）增加Ｌ４（１３７９．９１ＭＨｚ）频率．ＧＰＳⅢ卫星考虑增加Ｌ４频率，用于修正由太阳辐射电离产生的大气层延迟误差，进一步减小用户等效测距误差。提高导航定位精度．（６）增加Ｌ１Ｃ码信号．ＧＰＳⅢ卫星将在Ｌｌ频段上增加Ｌ１Ｃ码信号，并采用ＢＯＣ（Ｉ，１）调制方式，与欧洲Ｇａｌｉｌｅｏ系统Ｌ１频段信号兼容，进一步提高民用导航系统性能．３．３ＧＰＳⅢ系统信息传输ＧＰＳＨＩ系统信息传输网络设计。要求支持导航信息可靠传输、自主导航、完好性监测和具有可扩展能力。降低对海外测控站的依赖瞄】．ＧＰＳｌｉｌ系统信息传输包括星问测距与通信链路网络和星地通信链路网络２个方面．（１）星间测距与通信链路网络．当前ＧＰＳ星间链路采用ＵＨＦ频段。ＧＰＳⅢ将考虑采用Ｋａ（２２．５５—２３．５５ＧＨｚ），Ｖ（５９．３—６４ＧＨｚ）和激光频段建立星间链路，以满足星间精密测距和高速信息传输需求．星间链路网络设计包括网络拓扑结构、通信性能、测距性能、鲁棒性能、数据流的路由处理方案等．星间信息包括上传更新卫星信息、控制指令、星间测距数据、星载敏感器数据、星上更新软件、多任务通信、以及用户设备更新软件等．（２）星地通信链路网络．ＧＰＳⅢ要求构建高速的卫星跟踪、遥测与遥控ｆｉＴ＆Ｃ）星地通信链路网络，其上下行数据传输速率要求高于ＢｌｏｃｋＩＩＥ分别达到２００Ｋｂｐｓ和６Ｍｂｐｓ．当前ＧＰｓ采用的Ｔｒ＆ｃ通信频段Ｓ（１７５５—１８５０ＭＨｚ）将用于地面电信通信业务，因此ＧＰＳⅢ将考虑采用ＵＳＢ测控，其频段为（２０２５。２１１０Ｍｎｚ）．同时。还考虑采用Ｃ频段测控．２００３年国际电信联盟（ｒｒｕ）规定：ｃ（５．０—５．０３ＧＨｚ）频段为无线电导航卫星专用频段，其ｑｊｃ（５．０－５．０１ＧＨｚ）和Ｃ（５．０１。５．０３ＧＨｚ）频段分别用于上、下行测控和导航信息传输．Ｃ频段上行信息包括控制指令、星上更新软件和用户设备更新软件等；Ｃ频段下行信息包括遥测信息、星载敏感器数据、测距数据和多任务通信等．４卫星导航系统技术发展趋势综合分析国内外现代卫星导航系统发展状况和技术特点，多个卫星导航系统兼容性与组合导航定位技术、广域增强技术、导航信号增强与调制技术、自主导航星座运行管理技术、以及导航与通信一体化中国科学Ｅ辑：技术科学２００９年第３９卷第４期技术等将成为卫星导航系统技术的发展方向．４．１卫星导航系统兼容性与组合导航定位技术未来５年，以ＧＰＳ。ＧＬＯＮＡＳＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ等为代表的卫星导航系统将完成现代化技术改造和星座组网，系统性能大幅度提升．卫星导航系统将从建设走向合作开发利用，共享空间信息资源和国际卫星导航用户市场．多个系统共用Ｌ导航频段，存在相互干扰问题，因此美国、俄罗斯和欧洲空间局就卫星导航系统的民用信号兼容与互操作性问题进行了多轮谈判，达成了基本共识：修改新型导航卫星系列的相关设计方案，遵从开放接口协议和频段共用原则，避免卫星导航系统相互干扰，共同开发卫星导航空间资源．多个卫星导航系统信号兼容。研制多模式组合接收机，获得更高精度、连续性、有效性、可用性和可靠性的导航定位信息．利用ＧＥＯ卫星进行辅助测距和导航信息转发的天基卫星增强系统，是提高导航定位精度和系统完好性监测的有效手段，如美国的广域增强系统（ＷＡＳＳ）和欧洲地球静止卫星导航重叠服务（ＥＧＮＯＳ）等．对卫星星历及钟差参数，以及电离层延迟误差进行短时预报，并通过卫星播发至用户，大大缩短导航数据龄期，使民用定位精度达到２ｍ水平，并为导航信息安全提供了保障．在一些高精度导航应用领域，如机场和港口等，采用地基局域增强系统（ＬＡＡＳ）和伪卫星技术，实时定位精度可达到厘米量级，并能近实时监测导航信息，增强系统完好性和可用性能．因此，在未来ｌＯ年卫星导航系统增强技术将继续得到发展，满足人们日益增长的高精度、安全可靠导航应用需求．调制技术在强干扰环境条件下，导航卫星利用点波束天线，增强指定区域信号功率，专用接收机能够接收导息进行加密处理，具有抗电子欺骗能力，以满足特定４．２卫星导航系统的广域增强技术４．３卫星导航信号区域功率增强、加解密与ＢＯＣ航信号，且不会降低导航定位精度．同时，对导航信用户的实际应用需求．因此，卫星导航系统的抗干陈忠贵等：现代卫星导航系统技术特点与发展趋势分析扰、多点波束信号增强、小型化的高增益接收天线、导航信号编码与加密、以及专用信号加解密模块等技术将是卫星导航系统技术的发展方向．随着卫星导航事业的迅速发展，导航信号频段已相当拥挤，频段重用技术是解决频段资源短缺的可行方式．利用ＢＯＣ技术调制导航信号，具有提高频段利用率、抑制信号多路径效应误差、减少信号相干损耗、提高信号跟踪测量精度、增强信号抗干扰性能、以及解决强弱信号压制问题等优点，已成为导航卫星信号的有效调制方式．因而，导航卫星信号的ＢＯＣ调制、捕获与跟踪技术将得到深入研究和工程验证．４．５基于星地星间链路高速宽带网络的导航与通信一体化技术导航定位精度、完好性、可用性和连续性是设计和评价卫星导航系统的顶层性能指标，也是新一代卫星导航系统技术改造的目标要求．建立高速的星地、星间宽带通信网络，“接入到一颗卫星，等效于接入整个星座”，实现对星座的实时、连续和动态监视，保障导航信息的实时性和有效性，全面满足系统顶层性能指标要求．随着地面移动通信技术的发展。人们日益意识到时间、地点和事件等基本信息要素的重要性．例如，城市车载卫星导航系统应用，已提供方便快捷的信息服务．但是，对于大范围，乃至“地球村”实时信息获取，则有赖于卫星通信网络的支持．新一代卫星导航系统的星地、星间高速宽带通信网络，必然促进导航与通信技术的一体化，实现全球无缝接入和实时信息获取．４．４导航星座自主导航与运行管理技术导航星座自主导航与运行管理的工程意义在于：能够有效地减少地面测控站的布设数量。减少地面站至卫星的信息注入次数，降低系统长期维持费用：实时监测导航信息完好性，增强系统生存能力；在有地面测控系统支持的情况下。通过星间双向测距能够提供一种的校验卫星星历及时钟参数的手段，并能进一步改善系统性能和提高导航定位精度．因此，星座自主导航、运行管理与实时监视技术是新一代卫星导航系统研究的热门课题和发展方向．基于星问链路信息的导航星座自主导航。不能修正星座整体旋转误差、地球自转非均匀误差和极移参差，致使星座难于长时间自主运行．Ｘ射线脉冲星导航技术以脉冲星辐射的ｘ射线信号作为外部信息基准。能够高精度确定导航卫星轨道、时间和姿态参数，不存在星座整体旋转误差累积问题，为导航星座自主导航技术研究提供了一种新的思路和实现途径‘捌．５结束语现代卫星导航系统已成为及时获取高精度导航信息的空间基础设施，具有极高的军民利用价值，倍受世界各国青睐．当前，美国的ＧＰＳ系统正在进行现代化和新一代卫星导航系统规划：俄罗斯积极恢复ＧＬＯＮＡＳＳ系统星座；欧洲的Ｇａｌｉｌｅｏ试验卫星进行在轨测试验证；中国的北斗卫星导航系统建设取得标志性进展；日本和印度将发展区域卫星导航系统．卫星导航系统技术发展趋势体现在卫星导航系统兼容性、组合导航定位、广域增强系统、区域信号增强、信号加解密与调制、星座自主导航、以及导航与通信一体化等技术方向．参考现代卫星导航系统技术特征和发展趋势，积极开展关键技术研究，促进我国卫星导航系统技术发展．参考文献１２帅平，曲广吉，向开恒．现代卫星导航系统技术的研究进展．中国空间科学技术，２００４，２４（３）：４６—５３ＫｅｌｌｅｙＣＷ，ＤａｖｉｓＫＦ．ＨｙｂｒｉｄＧＰＳｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓ１３ｔｈｔｏｐｒｏｖｉｄｅｈｉｇｈａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｏｆＣａｔＩｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈ，ＲＡＩＭａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｓｔｉｔｕｔｅ３ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ．ＳａｌｔＬａｋｅ：ＴｈｅＩｎ－ｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，２０００．２１８４－－２１９０ＭＣ，ＲｅｖｎｉｖｙｋｈＳＧ．Ｎｅｗｓｆｒｏｍｓａｔｅｌｌｉｔｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎ：２００７ＭｕｎｉｃｈＳａｔｅｌｌｉｔｅＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｕｍｍｉｔ．ＭｕｎｉｃｈＬｏｄｄｏＳ，ＣｒｅｗｓＧｅｒｍａｎｙ：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＵｎｉｏｎｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，２００７４ＣｏｏｋＧＬ．ＧＬＯＮＡＳＳ：Ｔｈｅｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ？Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１５ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉｏｎ中国科学Ｅ辑：技术科学２００９年第３９卷第４期ｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｐｏｒｔｌａｎｄ：Ｔｈｅ５６ＲｉｚｏｓＣ．ＴｈｅｆｕｔｕｒｅｏｆｇｉｏｂａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，２００２．１２０４－－１２１３ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｅｃｈｎ／ｃａｌＤｏｃｕｍｅｎｔｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＮｅｗＳｏｕｔｈＷａｌｅｓ，２００７ＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｎｉｄｉ．ＧＡＬＩＬＥＯｉｓｌａｕｎｃｈｅｄ．Ｉｎ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ１５ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｐｏｒｔｌａｎｄ：ＴｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，２００２．２４５－－２４８Ｗ，ＧｏｄｅｔＪ，Ｊｅａｎ—ＬｕｃＩ，ｅｔａ１．Ｓｔａｔｕｓｏｆ７ＨｅｉｎＧｇ枷ｅｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｓｉｇｎａｌｄｅｓｉｇｎ．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎＧＰＳ．Ｐｏｒｔｌａｎｄ：Ｅｕｒｏ—ｐｅａｎＳｐａｃｅＡｇｅｎｃｙ，２００３８ＢｏｌｔＳＷ．ＮＡＶＳＴＡＲａｔｏｍｉｃｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｎｄａｒｄｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｓｔａｔｕｓｕｐｄａｔｅ．Ｉｎ：ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ１３ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＳａｔｅｌｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｓａｌｔ９Ｌａｋｅ：ＴｈｅＮａ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