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第30卷第3期 2009年9月军 事 通 信 技 术JournalofMilitaryCommunicationsTechnologyVol.30No.3Sep.2009 编者按:卫星导航系统发展至今,因其全球性、连续性、实时性、全天候和高精度的特点,已经广泛应用于陆地、海洋、天空和太空的各类军事及民用领域中,成为目前最常用的导航定位技术。因此,受到了世界各国的极大重视,成为继互联网、移动通信之后发展最快的信息产业之一。作为一种重要的国家信息基础设施,美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设卫星导航系统。目前,美国GPS、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)和中国的“北斗一号”卫星导航系统均已投入商业运行。由中国和欧洲15国共同参与的欧洲民用卫星导航“伽利略计划”以及中国的“北斗二号”也在积极推进中。作为无线电导航技术之一,卫星导航技术已经广泛应用于现代军事斗争的许多领域,极大地提高了部队的整体作战能力,是取得现代信息战争主导权的重要手段之一。因此,我们开设关于卫星导航技术专题讲座,向通信工程技术人员、研究生和高年级本科生介绍卫星导航技术的原理及有关知识,希以达到拓宽知识面,共同推动卫星导航技术的发展和应用,并加强卫星导航与通信结合应用研究的目的。本讲座内容涉及卫星导航系统应用现状及发展简史、系统组成、工作原理,介绍卫星导航中的增强技术、组合导航技术、高灵敏接收技术及A2GNSS技术等。卫星导航技术专题讲座(一)第1讲 卫星导航技术与应用的发展吕 晶,李广侠,于 永(解放军理工大学通信工程学院训练部,江苏南京210007)Ξ摘 要:文中介绍了卫星导航的发展简史,阐述了卫星导航在民事和军事中的应用,并总结了卫星导航的技术发展。关键词:卫星导航;应用;技术发展中图分类号:TN967.1文献标识码:A文章编号:CN3221289(205DevelopmentofGNSSTechniquesandApplicationsLVJing,LIGuang2xia,YUYong(TrainingDepantmentICE,PLAUST,Nanjing210007,China)Abstract:eapplicationsincivilandmilds:GNSS;applications;developmentoftechniques导航是一种技术与方法的总称,它的最基本的作用是将运载体(飞机、车辆、舰船及人员)从起始点沿着所选定的路线安全、准确、准时地导引到目的地。在这个过程中,确定运载体的几何位置(即定位)是基础。Ξ收稿日期:2009204229;修回日期:2009206210作者简介:吕晶(19652),男,教授.
96军 事 通 信 技 术2009年 导航的历史久远。利用天体进行导航是最古老、简便、可靠的导航技术。但是,利用任何自然天体进行导航都不可避免受到观测时间、地点、气象等诸多自然因素的影响和限制。千百年来,航海者梦寐以求地期望有朝一日,能在全球范围内,不受天气、时间、地点、自身运动状态等条件限制而获得精确的导航信息。随着现代科学技术的发展,特别是在宇航技术、电子计算机技术领域里取得重大突破的基础上,人们从利用自然天体定位,逐步发展到设置人造天体来导航,同时,将集成电路、新的电子元器件、电波传播的研究、信息论、自动控制理论、系统工程论等应用于导航中,诞生了卫星导航技术,赋予古老的“天文导航”以新的内容,使人们长久以来的梦想变成了现实。1 卫星导航系统简史[1]1957年,苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星。苏联人的成功深深地刺激了美国人的神经。为了尽快在空间技术方面赶上苏联,美国投入了大量的物力和财力,对苏联的卫星进行观测与研究。在观测和研究过程中,根据研究人员的发现提出:如果在位置坐标已知的地面接收点精确地测出卫星电波的多普勒频移,就可以推算出卫星的精确轨道。这一提法给另一位研究人员麦柯卢尔(Meclure)一个有益的启示。1958年,他提出了一个与上述提法相反的设想:如果卫星轨道是已知的,只要精确测量出卫星电波的多普勒频移,就可以推算出观测者在地球上的位置。这一设想就成了美国海军导航卫星系统NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)的理论基础。1958年底,美国海军为了满足为发射北极星导弹的核潜艇提供精确的定位数据的军事需求,委托霍普金斯大学应用物理实验室对卫星导航进行研究。1964年夏,该实验室研制的卫星导航系统进行全球性导航试验获得成功,并开始为海军服务。这就是世界上第一个实用卫星导航系统——海军导航卫星系统,又称“子午仪”(TRANSIT)卫星导航系统,如图1所示。其实,在苏联第一颗人造卫星发射之前,利用人造地球卫星进行导航的科学设想就诞生了。在1955年至1957年间,列宁格勒马让斯基空军工程科学院在谢布萨维奇教授的领导下,进行了用无线电天文学方法实现飞机领航的可行性研究。在1958年图1 子午仪导航卫星至1959年间,低轨道卫星无线电导航系统的科学基础取得了实质性进展,这促使苏联于1963年转向实现第一个低轨道卫星导航系统,并命名为“奇卡达”(CICADA)。“子午仪”和“奇卡达”系统,即是人类第一代卫星导航系统。这一系统可以提供全球、全天候以及高精度的导航定位服务,而且安全、经济、可靠,迅速得到广泛地应用。但是,第一代系统有着很多不足。首先,当时的发射能力不强,卫星轨道低(约1000km),卫星数量少(4～6颗),对任何一个地方不能提供连续的覆盖和服务;采用单星、双频多点多普勒频移测速定位体制,定位时间长,定位精度不高,且对运载体的动态特性敏感;不能定高度,只能提供二维导航数据。为了弥补第一代卫星导航系统的上述不足,1973年12月,美国国防部整合了海军和空军分别提出的“时间导航”(TIMATION)研究计划和6212B研究计划,提出了一个全天候的新一代卫星导航系统——全球定位系统(GPS),又称导航星(NAVSTAR)系统。无独有偶,凭借着谢布萨维奇教授的早期研究,苏联在1978年也开始了替代“奇卡达”系统的全球导航卫星系统(GLONASS)的计划,其星座如图2 GLONASS星座图2所示。GPS和GLONASS分别在1995年和1996年具备了完全运行能力。这两个系统都提高了卫星轨道高度(约20000km),采用多星、高频、基于无询问的伪距、伪距变化率测量定位体制,比起第一代的卫星导航系统有更高的全球定位精度,且能连续提供三维(经度、纬度、高度)、三维速度和精确的时间,实现连续实时的导航定位。中国到1983年初才开始酝酿利用静止轨道卫星进行导航定位的技术方案。陈芳允院士提出了利用两颗
第3期吕 晶等:卫星导航技术与应用的发展97 地球静止轨道卫星测定用户位置的卫星无线电定位系统的概念,并称之为双星定位通信系统。1989年,双星定位的设想通过使用两颗“东方红二号”对地静止通信卫星得以证实。2000年10月和12月成功发射了两颗“北斗”导航卫星,建成了中国第一代卫星导航定位系统——“北斗一代”,2003年5月发射了第三颗“北斗”导航卫星,使系统进入稳定运行。中国成为世界上第三个拥有独立导航系统的国家。目前,中国正在进行类似于GPS的“北斗二代”的建设。2007年4月,中国发射了“北斗图3 北斗一号卫星发射二代”的试验卫星,2009年4月,又发射了属于“北斗二代”的第一颗正式导航卫星。图3为北斗一号卫星发射现场。欧盟在1998年提出GALILEO计划,决定建立一个独立于GPS的、专门为全球民用用户设计的卫星导航系统,并于2002年正式启动了GALI目前,GALILEO计划。LEO系统完成系统的设计,并于2005年和2007年各发射了一颗试验卫星。从上述的发展历史看,世界各国目前的主流卫星导航系统是:①采用约20000km高度的中高地球轨道(MEO)卫星组成全球导航星座,以地球静止轨道(GEO)卫星为区域增强卫星,实现区域增强能力;②采用两个以上的L频段导航信号,实现电离层传播时延的精确校正;③以高精度卫星钟控制下的导航信号为测量对象,用户通过对至少4颗卫星的伪距测量和伪距变化率的测量完成用户位置坐标和运动速度的确定。2 卫星导航的应用发展[2,3]卫星导航系统一问世,就倍受人们关注,其应用非常广泛,已经从以车辆应用为主转变为目前与通信相融合的个人消费为主的格局。在民用方面通常可分大众应用、专业应用和生命安全应用。在大众应用方面:利用卫星定位技术,为人们提供车辆的位置信息及时间信息,使驾驶辅助和车辆跟踪应用从特种车辆扩展到私家车辆和公众车辆,特别是长途运输车辆;也使娱乐休闲、老人和小孩的定位服务等个人应用越来越广泛。专业应用方面:利用卫星定位技术,为近地空间飞行体提供高精度实时的位置、速度和姿态信息以实现飞行体的跟踪、定位、轨道确定、姿态确定和飞行编队等;通过在一个点上长时间观测、多点联测以及数据离线(off2line)处理等方法,可以达到厘米级甚至毫米级的测量精度,为研究地球动力学、地壳运动、地球自转和极移、大地测量和地震监测等提供了新的观测手段,如图4。作为连接农业机械到电子信息系统的桥梁,将农田中产量分布、土壤养分分布、土壤水分分布与播种、施肥、灌溉、收获机械结合起来,卫星导航系统越来越多地用于农田养护、播种施肥收割最优化、家畜放养跟踪和收割打场效率改进等。图4 利用GPS进行测绘生命安全应用主要体现在交通运输安全、个人安全以及包括医疗急救、防灾救灾、火警盗警、搜索救援、重大事故应对和公共健康与安全等应急联动方面。在军事应用方面,则作为位置速度时间传感器,其应用有:向各种射程和各种用途的陆海基和空基武器提供初始化和制导,提供发射架的位置、速度与姿态数据和导弹飞行中的轨迹修正数据,以提高精确打击能力;形成敌我态势信息,成为综合军事信息系统必不可少的组成部分;雷达目标、导弹、军用飞机等高速目标进行精确实时定位与跟踪并提供统一时间,以完成武器威力和性能的评价;军事测绘、高空侦察和电子侦察、目标截获、飞机投弹与对地攻击、近空支援、空地配合、火炮与雷达的快速布列与校准等需要绝对和相对实时定位操作的应用。
98军 事 通 信 技 术2009年 3 卫星导航技术发展[4,5]应用的开发以及需求的升级,必将带来技术的发展。卫星导航技术也逃不出此法则。目前,卫星导航技术的发展趋势主要表现以下两方面。(1)系统增强技术随着卫星导航系统的建立,卫星导航广泛应用于国家安全以及国民经济的各方面。但对于一些应用领域来说,卫星导航系统在定位精度、可用性、完好性(在该系统不能使用时及时向用户发出告警的能力,是对整个系统所提供信息正确性的置信度的测量)方面还是无法满足一些高端用户的使用需求。例如,它无法满足航空领域在所有飞行阶段对导航系统的严格要求,尤其是精度和可靠性要求极高的精密进近和着陆阶段。为此,出现了提高定位精度的卫星导航系统差分增强技术。广域图5 现代激光陀螺仪差分增强技术是通过对参考站观测数据进行处理,并按数学模型计算卫星的星历误差、卫星钟差、电离层垂向时延网格数据,并传送给所有导航接收机,在较广大的区域内使用。局域差分增强技术主要利用的是观测误差的空间相关特性,为一定范围内(距基准站150km以内)的导航接收机提供由基准站计算的修正信息(如伪距误差修正)。目前,美国的WAAS(WideAreaAugmentationSystem)系统及欧盟的EGNOS(EuropeanGeostationaryNavigationOverlayService)都是典型的广域差分增强系统,能够较大程度提高导航性能;而美国的LAAS系统则是获得认证的陆基局域增强系统,可以为几十公里范围内的飞机提供I类精密进近服务。虽然说,卫星导航系统能提供全球、全天候、连续和高精度的服务,但是,由于信号容易受到外界干扰以及由遮蔽引起的卫星信号中断,从而使得导航接收机在某时、某地不能完成定位功能。为此,就出现了组合技术。多个卫星导航系统间的组合,通过利用各个卫星导航系统相对独立的星座,增加导航接收机的可见星数目,减小导航信号受遮蔽对定位功能的影响,提高卫星导航系统的可用性甚至提高定位精度。卫星导航与惯性导航的组合,根据惯性导航不依赖外界信息,可完全独立地提供多种较高精度的导航参数(位置、速度、姿态),但导航参数的误差会随时间累积,不适于长时间独立导航的特点,利用卫星导航和惯性导航各自的优点,提高整体可靠性和精度。目前,用于美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统的双模接收机已经出现,用于美国GPS系统和欧盟的GALILEO系统的双模接收机也处于深入研究中;与惯导组合导航也已成为远程精确打击武器的必备要素。图5为现代激光陀螺仪。为了适应很可能发生在室内环境的紧急情况下个人定位服务的应用,导航接收机被要求在卫星信号极其微弱的室内工作并能定位。这样,出现了高灵敏接收技术和辅助GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)技术。高灵敏接收技术通过算法来提高接收机的处理增益,使其能够捕获一般导航接收机所不能捕获的弱卫星导航信号的技术。辅助GNSS技术借助于无线通讯网络(比如GSM、UMTS、CDMA等),为导航接收机提供所需的辅助信息,以支持导航接收机的定位能力或增强在微弱信号条件下的捕获跟踪能力。目前,高灵敏度的导航接收机已经问世;具有AGPS(辅助GPS)功能的手机以及AGPS服务器等产品已经上市,最灵敏的接收机其接收电平较一般接收机低30dB。(2)导航信号改进随着无线电技术的发展,无线电频谱资源越来越紧张。现在多个卫星导航系统工作在同一频段上,这些卫星导航系统既希望相互兼容工作,又希望能够实现互操作——多系统组合导航。为此,在采用CDMA多址方式的前提下,二进制偏置载波调制方式BOC(m,n)就这样诞生了。由于频谱能量相互错开,BOC调制可以和BPSK调制共享同一个射频载波而相互影响很小。目前,在GALILEO系统以及GPS现代化乃至GPSIII中,都在某些频点上采用了BOC调制。卫星导航系统是军民共用系统,甚至民用信号与军用信号在一个载波上。为了避免军事应用时对民事应用的影响,现在的趋势是,军用信号与民用信号剥离,并增加新的民用频点。这不仅使民用用户也能够自行测
第3期吕 晶等:卫星导航技术与应用的发展99 定电离层延时误差,更可以通过多个载波形成载波周期较长的组合测量信号,以解决接收机在进行载波相位测量时,初次只能测出信号的小于一个周期的相位值,而对之前经过了多少载波整周期不得而知的整周模糊,有利于在导航应用中实现载波相位测量技术,获得更高精度。现在,导航接收机在卫星播发的有导航电文数据的信号上进行伪距和伪距率测量。由于电文数据的存在,这不利于导航接收机在恶劣环境下通过长的相干积分来提高捕获概率及跟踪测量精度。为解决这个问题,目前的流行做法是采用导频加数据通道信号形式,导频通道用于捕获和跟踪,数据通道用于发播导航电文,导频和数据通道分别为一个载波的两个正交支路上。这样可以为导频支路分配较高的功率,同时没有电文数据的影响,有利于恶劣环境的捕获与跟踪测量,而数据通道则分配较少的功率,通过采用先进的纠错编码来保证电文的正确接收。这么做既可较好地与辅助导航技术配合,也可保证在无辅助的条件下自主定位。4 结束语卫星导航系统被称为“太空指南针”,其应用从导弹、战机和军舰到汽车、民用飞机、个人电脑乃至手持式通信设备[6],几乎遍及各个领域,成为现代导航应用的主导技术,在国民经济和现代战争中的作用越来越大。所以,发展和掌握卫星导航技术和应用有着非常重要的意义。参考文献:[1] 谭述森.卫星导航定位工程[M].北京:国防工业出版社,2007.[2] 曹 冲.导航卫星产业的现状与发展趋势[N