韩梦泽,李克昭

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454003)

GNSS系统发展概况及启示

韩梦泽∗,李克昭

(河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作 454003)

全球导航卫星系统及其应用领域在不断地扩大和深化,世界各大国都在竞相发展自己的卫星导航系统。简要介绍了GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS、IRNSS的发展概况,探析了它们之间的兼容和互操作性,最后得出了几点启示。

GNSS;GPS;BDS;兼容和互操作性;卫星导航

1 前 言

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)是个综合性概念,泛指全球所有的卫星导航系统,包括全球导航系统、区域导航系统和星基增强系统[1]。GNSS系统对于一个大国的安全和发展至关重要,是重大的空间信息基础设施,世界各大国都在竞相发展自己的GNSS系统。目前已建成或在建的全球导航系统有美国的全球定位系统(global positioning system,GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GLONASS)、欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system,Galileo)和中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS);区域导航系统有日本的准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system,QZSS)和印度的印度区域导航卫星系统(Indian regional navigational satellite system,IRNSS)。本文简述了这6大GNSS系统的发展现状和未来计划,分析了它们之间的兼容和互操作性,得出了几点启示。

2 GNSS系统发展概况

2.1 GPS

GPS起步于1973年,建成于1994年。GPS最初规划为24颗卫星,运行在6个轨道面上,近几年在轨工作卫星通常保持在30颗以上。GPS是美国全球战略的一部分,它以军用为主,民用为辅。长期以来, GPS在美国的军事行动和国家安全方面发挥了不可替代的作用,在全球民用导航市场更是占据了垄断地位,已成为卫星导航的代名词。

为了强化GPS的地位和作用,美国实施了GPS现代化计划。原本GPS有L1、L2两个频率,发送1个民用测距码L1C/A和2个军用测距码L1 P(Y)、L2 P(Y)。2005年9月,GPS-2R-M发射升空,开始播发第2个民用测距码L2C,同时增播了L1M、L2M两个军用码。与L1C/A相比,L2C不仅有数据通道,还有导频通道,导频通道上不调制导航电文,可增强信号跟踪的健壮性。

2010年5月,GPS-2F卫星升空,增加了第三频率L5,在其上调制了第3民用码L5C。L5频段位于受制度保护的航空无线电导航服务(aeronautical radio navigation service,ARNS)频段内,所受干扰较少,可用于生命安全服务。GPS-2F是第2代GPS卫星的最后型号,设计寿命12年,计划制造12颗。2014年8月2日,第7颗GPS-2F卫星发射升空,这颗卫星将在9月中旬运作;下一颗GPS-2F卫星将在10月下旬发射;美国计划在2016年中期完成全部12颗GPS-2F卫星的发射。截至2014年8月2日,GPS在轨卫星数为33颗,包括7颗GPS-2A、12颗GPS-2R、7颗GPS-2RM和7颗GPS-2F。

GPS-3是第3代GPS卫星,它有3种型号GPS-3A、GPS-3B、GPS-3C;GPS-3A设计寿命15年,计划于2016年发射,在其上增播第4民用信号L1C,L1C将最终取代L1C/A。目前,美国正加紧实施GPS-3计划,计划在2030年之前用GPS-3系列卫星替代现有所有型号的卫星,确保美国在卫星导航领域长期保持领先地位。与第2代导航卫星相比,GPS-3信号发射功率更大,抗干扰能力更强,定位精度能达到1 m以内,并将有望支持室内定位。

2.2 GLONASS

与GPS不同,GLONASS采用频分多址(frequency division multiple access,FDMA)的信号体制,卫星靠频率不同来区分;GPS采用码分多址(code division multiple access,CDMA)体制,根据调制码不同区分卫星。FDMA信号不利于与CDMA信号互操作,在定位精度上也弱于CDMA信号,阻碍了GLONASS的商业化应用。近几年,俄罗斯在升级导航星座的同时,也注重了导航信号的革新,开始增播CDMA信号。GLONASSK1上发送了系统首个CDMA信号L3OC。GLONASSK2将发射4个CDMA信号,L1OC、L3OC为民用, L1SC、L2SC为军用。GLONASS-KM上将增加L5载波,其CDMA信号将达到8个,其中包括2个能与GPS和Galileo兼容互操作的信号[2]。

2.3 BDS

BDS是我国按照“先区域、后全球,先有源、后无源”的发展思路建设的卫星导航系统。它的建设分3步:首先是在2000年初步建成北斗卫星导航试验系统,具备了区域有源服务能力;接着在2012年底建成了北斗区域系统,具备了区域无源服务能力;最后是在2020年,建成北斗全球系统,具备全球无源服务能力。

我国在2000年成功发射了2颗北斗试验卫星,形成了系统服务能力,完成了第1步计划;2003年5月又发射了1颗备份卫星,完全建成了北斗导航试验系统。从2007年4月～2012年10月,我国发射了16颗北斗导航卫星,完成了亚太组网,于2012年底宣告建成了北斗区域系统,完成了第2步计划。目前,北斗区域系统运行良好,建设北斗全球系统的核心技术已经基本突破,我国将从2014年底开始陆续发射4～5颗实验卫星,随后再发射正式卫星,2020年完成全球组网的时间表不变。

色谱柱：ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱（2.1 mm×100 mm，1.7 μm）；流动相：0.1%甲酸（A）‐乙腈（B），金芪降糖片定性分析实验流动相洗脱程序为 0～3min，98%～85%A；3～5min，85%A；5～15min，85%～79%A；入血移行成分测定实验流动相洗脱程序为0～3 min，98%～71%A；3～5 min，71%A；5～10 min，71%～5%A；10～10.1 min，5%～98%A；体积流量0.3 mL/min，检测波长为270 nm；柱温37℃；进样量10 μL。

北斗系统采用空间混合星座,它的卫星轨道有三种:地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO),倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit, IGSO)和中圆轨道(medium earth orbit,MEO)。GPS、GLONASS和Galileo均采用单一中圆轨道,这种轨道能以最少卫星数量实现全球覆盖,但在高纬度极区会有盲区,且对我国本土利用率不高。目前的北斗区域系统星座构成为“5GEO+5IGSO+4MEO”,计划中的北斗全球系统的空间星座则为“5GEO+3IGSO+ 27MEO”[3]。

与其他全球导航卫星系统相比,北斗系统具有很多特色,如具有短报文通信和位置报告功能,这种能力为北斗系统提供了很多增值服务空间,目前在海洋渔业、水文监测,应急通信等方面已得到广泛应用。由于星座中有GEO卫星,北斗系统中融入了星基增强系统,可自主提供广域差分服务,不需要像GPS那样还要另建专门的广域增强系统[4]。此外,北斗系统具备三频导航信息服务能力,在B1和B2上发射开放服务信号,在B1和B3上发射授权服务信号,使军用、民用均可实现双频导航。

B1频段为1 559.052 MHz～1 591.788 MHz,B2频段为1 166.22 MHz～1 217.37 MHz,B3频段为1 250.618 MHz～1 286.423 MHz。目前BDS发送B1a、B1b、B2I和B3导航信号,中心频率分别为1 561.098 MHz、1 589.742 MHz、1 207.14 MHz和1 268.52 MHz。BDS完全建好后,导航信号会与现在不同,将发送B1c、B2和B3信号,中心频率分别为1 575.42 MHz、1 191.795 MHz和1 268.52 MHz。其中B2信号采用AltBOC(15,10)圆包络调制方式,包括B2a和B2b导航信号,中心频率分别为1 176.45 MHz和1 207.14 MHz[5]。

2.4 Galileo

Galileo是欧盟为摆脱对GPS的依赖,打破其垄断,而建立的卫星导航系统。Galileo计划首次公布于1999年2月,在2002年3月的欧盟15国交通部长会议上被正式批准启动。欧盟于2005年12月28日和2008年4月27日各成功发射了1颗Galileo试验卫星,用于占用频率资源和验证关键技术。2011年10月21日,首批2颗Galileo工作卫星成功发射;2012年10月12日,第二批2颗Galileo卫星也顺利升空;这4颗星是在轨验证卫星,也是正式的Galileo工作卫星。4颗星是满足导航服务的最小数量,这4颗星可以组成一个迷你小星座,初步发挥地面三维定位功能,对全系统进行在轨验证,并为后续卫星的精确入轨提供支持。2014年8月22日,欧盟成功将第5颗和第6颗Galileo卫星送入太空,但没能进入预定轨道。按照计划,至2015年,Galileo星座将有18颗卫星,具备初始运行能力;至2020年,将完成全部30颗卫星的组网,具备全面运行能力。投入使用后Galileo将与GPS在L1和L5频点上实现兼容和互用[6]。

与现在的GPS相比,Galileo星座的轨道高度更高、轨道面倾角更大,具有更好的全球覆盖性,建成后可为挪威、瑞典等北欧国家提供更好服务。Galileo原计划在2008年建成,曾被认为是对美国GPS最有力的挑战。不过,由于欧盟的政治体制,需要协调各方利益,系统建设进度被一再延误,完成全球组网的时间已推迟到2020年,这使得Galileo丧失了抢占全球市场的大好机会。

2.5 QZSS

QZSS是日本按照“先增强,后独立,兼容渐进”的发展思路建设的区域性导航系统[7]。QZSS可为GPS提供区域增强,系统发送L1C/A、L1C、L2C、L5C等信号,可将日本民用信号的精度从10 m提高到1 m以内。2010年9月11日,日本发射了首颗QZSS卫星,设计寿命10年,拉开了日本打造独立定位系统的大幕。QZSS的空间星座原定为3颗IGSO卫星,可保证总有一颗IGSO卫星在日本本土的天顶附近,后又增加了1颗GEO卫星。具体计划为,在2017年3月之前发射2号卫星, 2017年5月之前发射3号卫星,2017年7月之前发射4号卫星。从2018年开始全面启用由“3IGSO+1GEO”构成的QZSS,再以此为基础进行扩展升级,在2020后建成一个由“4IGSO+3GEO”构成的区域导航系统。

2.6 IRNSS

印度政府于2006年5月9日正式批准建设IRNSS,其空间星座由4颗IGSO卫星(2颗在轨备份)和3颗GEO卫星构成,卫星设计寿命约为10年。3颗GEO卫星分别位于东经32.5°、83°、131.5°赤道上空; 4颗IGSO卫星轨道倾角为29°,升交点分别位于东经55°和111.75°。系统建成后,可为印度本土及边境以外1500 km范围内的用户提供精确定位信息服务。2013年7月2日发射了系统首颗导航卫星IRNSS-1A;2014年4月4日发射了第2颗导航卫星IRNSS-1B;2014年下半年还将再发射2颗卫星;整个IRNSS系统预计在2016年建成,之后扩展升级为一个由18颗卫星组成的全球导航系统。

3 对比分析与兼容互操作性

3.1 对比分析

由于QZSS和IRNSS是区域系统,不便与全球系统对比,现仅作四大全球导航系统的比较分析,具体参数如表1所示。

上述对比表明:

(1)导航卫星以MEO卫星居多,卫星轨道高度、倾角、运行周期基本一致。

(2)卫星信号均为伪随机码扩频信号,各系统具有相同的定位原理和定位算法。

(3)GPS、Galileo和BDS均采用CDMA体制,便于信号兼容互用。

(4)系统间有共用中心频率和频谱重叠的情况,用户设备可以用简单的射频前端实现多系统信号的接收。

(5)系统时空基准不同,但可以通过转化得到统一。

3.2 兼容与互操作性

目前,各国GNSS系统竞相发展,导航频率资源十分紧张,加强导航信号间的兼容和互操作性已成共识。互操作性只针对开放信号,它要求各GNSS系统的互操作信号具有相同的中心频率,但采用同一频率会带来系统间干扰,系统兼容问题更严峻。各GNSS系统常通过共用中心频率及频谱重叠的方式来实现信号的互操作,通过信号波形及扩频码的谨慎设计解决兼容问题。

2007年7月26日,美欧发表联合声明,Galileo L1OS将与GPS L1C共用MBOC(6,1,1/11)调制来实现民用信号的互操作[8]。在L5(E5a)波段,Galileo E5a信号采用AltBOC(15,10)调制与采用QPSK(10)调制的GPS L5C信号实现兼容与互操作。BDS B1c公开服务信号将采用MBOC(6,1,1/11)调制方式与GPS L1C/Galileo L1OS在L1频段共用。B2a与GPS L5/ Galileo E5a中心频率相同,将在L5频段实现互操作。B2b与又E5b频谱重合,具有很好的互操作性。

未来,GLONASS-KM卫星将发射L1OCM和L5OCM两个互操作信号,中心频率分别为1 575.42 MHz和1 176.45 MHz,与其他系统在L1和L5频点兼容共用。QZSS能发射与GPS完全相同的L1C/A、L1C、L2C、L5C信号,与GPS具有最好的互操作性,发射的E6-LEX又能与Galileo E6信号兼容互操作。IRNSS在L5和S频段上发射CDMA信号,其中L5波段与GPS L5/Galileo E5a波段重合,以此实现互操作。可以看出,GNSS系统之间的兼容共用集中在L1和L5频段。

4 启 示

4.1 GNSS系统始终以军用为主

尽管卫星导航系统的民用范围比军用更广,但其本质上仍是军用属性。美俄建设卫星导航系统的出发点是为了满足军事需求;我国建设BDS的初衷也是为了解决国防安全和重点行业应用的安全问题;Galileo虽说是民用性质,但实质上也是为了摆脱对GPS的依赖,为建设欧洲独立防务创造条件。各国不惜巨资建设自己的GNSS系统就是不想在军事上受制于人。

4.2 建成一个GNSS系统需要20年

GPS起步于1973年,建成于1994年,用了约20年;GLONASS起步于1976年,建成于1995年,也用了约20年;BDS从2000年发射第一颗试验卫星到2020年建成,也是20年;Galileo从1999年首次公布到2020年左右建成,也是需要20年。因此,GNSS系统的建设和发展需要做长远规划,必须坚持探索论证一代、研发生产一代和部署运行一代同步进行。

4.3 GEO和IGSO卫星逐渐受到重视

BDS、QZSS和IRNSS的空间星座中均有GEO和IGSO卫星,因为这两种轨道的卫星对特定区域的利用率比MEO卫星高,卫星轨道监测也方便,非常适合区域导航系统。GEO卫星的引入也便于融合星基增强服务和通信功能,节省系统设计资源。导航与通信集成有望成为下一代卫星导航系统的发展方向。

4.4 卫星寿命对系统的长期稳定运行至关重要

GLONSS和GPS建成的时间仅差一年,后来的发展却大相径庭,一个重要因素的就是当时GLONASS卫星的工作寿命太短,系统投入运行不足3年就有一半卫星需要替换。现在各国都特别重视导航卫星的设计寿命。GLONASS-K1的设计寿命已达10年,正在研制的GLONASS-KM设计寿命为15年;GPS-2F的设计寿命是12年,GPS-3的设计寿命为15年以上;Galileo在轨卫星的设计寿命为12年以上;目前我国北斗导航卫星的设计寿命为8年,后续的全球组网卫星设计寿命可达10年～12年。

4.5 系统间兼容与互操作已成必然

目前,各GNSS系统已基本实现兼容性,并将逐渐在L1和L5频段实现互操作。兼容与互操作表面上是国际合作,实际上是各导航大国在民用领域的技术竞争和国力角逐,最终将导致全球GNSS市场的重新洗牌。不能融入世界GNSS体系的系统将无法分享国际和国内市场,兼容与互操作的程度也会对系统的发展产生影响。

5 结 语

近40多年来,GNSS系统竞相发展,呈现出GPS一路领先,GLONASS曲折发展,BDS分步迈进,Galileo踯躅前行,QZSS和IRNSS不甘落后的态势。GNSS系统的多极化发展,正是世界格局多极化的缩影。目前GNSS面临着系统在升级、技术在创新、产业在转型的战略机遇期,呈现出“多系统融合并存、跨产业融合发展”的趋势。GPS一家独大的局面将被打破,各GNSS系统将实现兼容共用,多模多频导航将为用户提供更好的服务。GNSS产业将与移动通信、互联网、物联网、智慧城市等融合发展,迎来时空信息服务泛在化、智能化的新时代。

[1] 曹冲.全球导航卫星系统体系化发展趋势探讨[J].导航定位学报,2013,1(1):72～77.

[2] 廖春发,赵爽.“北斗”卫星导航系统面临不可错失的战略机遇期[J].国际太空,2013(4):10～14.

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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

韩梦泽(1988—),男,硕士研究生,主要从事卫星导航方面的研究。

国家自然科学基金(41272373,41202245)