全球导航卫星系统的近期进展<1>

发布: 2010-10-20 00:51 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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全球导航卫星系统的近期进展<1>（周其焕）
    摘要：20世纪末卫星导航发展势态出现了GLONASS星座维持困难，GPS推行现代化计划和
欧洲Galileo计划出台三大新闻。有望于2010年左右Galileo星座和GPS星座形成互补和互为
余度。最近美国国会削减 GPS预算，对GPS民用进展上投下阴影，GPS单一导航手段暂难实行，
有利于欧洲争取时间，积极筹措Galileo系统。
    关键词：全球导航定位定时卫星系统，GPS，GLONASS，Galileo。
    发展势态和需求升级
    21世纪卫星导航发展形势将如何？从1998年以来美国、俄罗斯和欧洲诸国间的竞争和角
逐中看，消极方面由于俄罗斯经济困难，GLONASS在轨卫星大量空缺，败下阵来，不仅巩固
了GPS充当国际标准和独霸市场的地位，进而纵容其垄断和排它思想。在ICO通信卫星被迫放
弃其兼容导航业务以后，美国长期奉行一套强硬的GPS民用政策，不仅坚持采用SA降精度策
略，且不支持任何国家再建和GPS平行系统。积极方面由于欧洲国家不愿在全球导航领域丧
失市场，受制于人，长期以来立意投建自己的导航卫星系统。1998年内欧洲联盟（EU）联
合有关组织多次和美国、俄罗斯进行新系统的谈判，由于欧洲组织及其成员国内部协调一致
以及实现新计划的决心，迫使美国GPS民用政策上有所软化。美国在勉强同意欧洲建立与GPS
兼容的独立平行系统的同时，又加速了GPS民用改善上的开放，以期加强GPS竞争地位。继而
又宣布GPS将延续免费提供服务，藉以反衬出欧洲新计划将征收用户费的劣势，阻止其集资
效果。
    在此激烈的全球竞争中有斗争有联合，既有相互排斥又能兼容，虽然离合多态难以预测，
但从今年以来欧洲联盟（EU）、欧洲空间局（EAS）、欧洲安全航行组织（Eurocontrol）对
新提出的Galtileo。计划的各种联合行动正在紧锣密鼓地进行着，有迹象说明Galileo计划
得以在新世纪初实现的可能性。因而使人们对卫星导航的发展看好。
    需求牵引上目前发生如下的重大需求升级。一是车辆导航和汽车应用，已成为潜在的大
用户，应和汽车工业、汽车电子工业合伙生产车载卫星导航接收机，并提供配套服务。二是
和移动通信的结合，美国联邦通信委员会（FCC）决定E－911手持电话将安装GPS接收设备提
供自动位置识别（ALI）功能，并建立公众安全应答点（PSAP），可以由应急调度员对蜂窝
呼叫机的申请求助者定位进行帮助。目前已选定三家芯片制造商开发产品，从2001年开始发
售新机，2002年达到95%的E－911手机内置GPS接收机。三是增强对时间基准的利用，要解决
全球时间和频率基准以及同步源的问题。要求有一个统一的全球无隙高精度时间基准，能对
目前更快更复杂的国际数字电信网提供同步、同时为电力网等各种领域提供精确同步。
    1998年秋季提创全球卫星定位导航系统成为一个“开放系统结构”的共用事业和全球资
源。GNSS空间信号不是某个国家所有的，而是自由地、公开地发射，面向全球，公共可取用
的通用射频信号。这个创议颇为理想化，实现起来较困难，虽然提供有偿服务可以从服务中
回收成本和运行费用，但服务供应者和用户之间的责任、义务和权益关系的公平建立。都有
待解决。Galileo。如能建成，将首当其冲解决这些问题，领先实现开放系统结构的公共资
源。
    美国GPS现代化和增发民用第二频率
    GPS在以往20多年广泛应用中充分体现了它的成熟性和卓越性能，尤其在静态非实时定
位应用中成绩斐然，然而在动态连续实时号航应用上问题较多，在民航应用上止步不前，其
原因不外技术方面和政策方面。
    技术上由于单频制的L1不受频谱保护，易受干扰，没有频率余度，单频制不能完全修正
电离层延时误差，加上降精度的选择可用性（SA）后不能满足向机场送近时的精度要求，美
国联邦航空局（FAA）提倡的广域增强系统（WAAS）仅仅是一种权宜之计。广域差分技术是
针对SA的，在新技术发展中生产关系阻碍生产力发展（出现了SA）又要争破束缚（出现了
WDGPS）而形成了一对畸形产物，是美国军民之间矛盾引起的否定的否定。它是一种劳民伤
财的有争议的措施，当SA取消之后，WDGPS将无所作为。此外，人们对GPS能否实现单一导航
手段发生了怀疑，由于GPS空间信号微弱（到达地面时-160dBW），容易受到抑制式干扰而
丧失定位能力，并且将影响大片覆盖面积，因而尚需其它独立导航系统的支持，尤其是尚需
地面无线电导航系统继续运行，留作热备份。这种双轨制运行使得用户集团（航空公司）增
加费用，无利可图。
    政策上GPS虽然名义上是军民共享的双用途系统，但实质上GPS的拥有，GPS的发展，控
制和运行全部由国防部（DOD）包揽，这是各国民航不敢贸然采用，不敢依赖于此单国军事
系统的根本原因。美国DOD在导航战演习中屡次对GPS施放故意干扰，民航用户曾遭遇到中
断定位的事故，不仅在用户中引起震惊，并且也体现了美国军民之间的矛盾。
    GPS民用政策上最大的突破在于增发了第二民用频率，自从1997年2月戈尔副总统宣布
此决定以后，在安排频谱选择频点上出现了困难，DOT与DOD之间意见分歧。1998年3月声称
在第二民用频率尚未选定之前，临时采用L2军用频率上加发第二民用信号作为过渡，直至
1999年1月才宣布第二民用频率L5已选定为1176.45MHz，将从第七颗2F卫星上开始实现，使
两年来争议不休的问题终于在DOD让步而圆满解决。
    已选定的L5处于960－1215MHz航空无线电导航服务（ARNS）频段内，它是航空测距仪
（DME）和塔康（TACAN）专用频段，这个频段是国际上受保护的，L5将比L1和L2更为安全
可靠。
    L5仍为CDMA扩频信号比之L1信号将有如下几点改进：
    （1）加大频带宽度，希望获得±12MHz带宽，目前尚未最后确定，因为要向国际电信
联盟（ITU）申请，待世界无线电大会（ WRC－2000）上通过，估计难子得到如此宽的频带。
    （2）提高码片率到10.23MCPS，码周期约1ms，码长10230比特，以利提高测距精度，
降低噪声，更好的交叉相关特性，减少多径干扰；
    （3）增加发射功率，将比L1信号提高6dB，使之能适应于较差的电磁环境下接收；
    （4）相分复用 QPSK调制的正交发射信号，I相上加50bps导航数据调制，Q相上不加数
据调制，利用Q相信号可以作更为精确的相位跟踪，有利于载波相位测量。
    （5）改进的数据奇偶检查，采用类似WAAS的循环冗余检查（CRC），以代替全部24位
数据TLM字和HOW字上的奇偶检查。
    此外，进入21世纪前页，民用GPS将有如下改善措施：
    （1）10年免费服务的承诺将于2003年期满，美国已表态将在可以预见的未来延长免费
服务期限；
    （2）撤除SA的承诺将在2006年前兑现，势在必行。届时将使维持空间信号质量，使民
用码测距的用户伪距误差（URE）从24.6米（1σ值）回降到4.3米（1σ值），因而使水平
定位误差从100米（95%概率）降低到21米（95%概率）以内；
    （3）2005年以后上天的ZF卫星增发L5至2010年--2012年间逐步充满轨道，届时民用GPS
将有一个安全服务信号，并能实现双频和三频接收；
    （4）通过 GPS现代化计划，在GPS空间段、地面段改善和升级后GPS空间信号的URE将
降低到2.5米甚至于1.9米（1σ值），因而水平定位精度将进一步提高到10－5米（95%概率）。
这时一般导航均可采用单纯GPS接收机（无增强、无差分支助），其精度足以满足通常的应
用。利用载波相位测量技术的水平定位精度能提高到次米级，以至厘米级。
    甚然，GPS在抛开电磁环境和安全余度问题时，可以达到预期可用性和精度指标，但是
目前许多专家指出星基系统空间信号的脆弱性和易感性，以及单系统单星座不能符合航空
安全保证和单一导航手段的问题，使得 GPS面向导航应用上遇到了挑战。