GNSS发展历史及其系统之系统

2019.11.05 , 浏览次数: 451

 

1.卫星导航灵感真的来自于第一颗人造地球卫星吗?

尽管现在美国GPS(全球定位系统)几乎已经成为全球卫星导航系统的代名词,但是说到卫星导航的发展,还必须提到前苏联人类第一颗人造地球卫星。1957年10月4日,原苏联发射了全世界第一个人造地球卫星(斯普特尼克一号),开创了人类的空间世纪,地球进入了航天时代。

第一颗人造地球卫星发射后,在与苏联相距甚远美国的霍普斯金大学应用物理实验室里,有两个年轻的科学家,一个叫做比尔·盖伊,是个数学家,另一个叫做乔治·威芬巴赫,是个物理学家。他们在接收苏联人造地球卫星信号,研究卫星轨道时发现频率出现偏移。研究发现是相对运动引起的多普勒频移效应。卫星相对于地面接收机的运动速度是在变化的,两者靠近和远离时,会出现由于频率增加和减少导致的运动多普勒频率变量由正至负的变化。经此启发,该实验室的科技人员提出了卫星导航的多普勒测量方法与概念。根据多普勒测量结果不仅能够确定卫星的运动速度,而且可以求出卫星与接收机之间的距离。后来的“子午仪”( TRINSIT)导航卫星系统,就是根据多普勒定位原理提出并实施的。

当两个科学家向其实验室主任弗兰克·麦克卢尔讲述他们成功地实现了对前苏联卫星的多普勒跟踪时,实验室主任的头脑飞快地开动起来,因为他清楚的知道,美国海军所面临的挑战。他说:“好啊,如果你能够发现卫星在哪里,那么应该可以把问题反过来考虑,发现你在哪里?”

图1.数学家比尔盖伊(左)和物理学家乔治·威芬巴赫(右)

向他们的实验室主任弗兰克·麦克卢尔(中)讲述利用多普勒方法跟踪卫星的情况

 

2.第一代全球导航卫星系统叫什么?为什么?

第一代全球导航卫星系统,又名美国海军卫星导航系统(Navy Navigation Satellite System,NNSS),对外公开的名称是子午仪( Transit)系统,因为卫星的轨道与赤道的夹角为90度,所以卫星就沿着地球的子午线作南北向运动,因此该星座被称为“子午仪”系统。

由于子午仪系统的概念是 Johns Hopkins大学应用物理实验室的先行性成果。所以后来他们就负责整个计划。从1958年原始概念出发,到1961-1962年实验卫星发射,最终系统在1964年开始运行。当然,荣誉必须和美国海军事业领导层分享,他们支持革命性的理念,并迅速地在六年间将其转变为工作系统。

由于航天技术、无线电定位技术的发展,利用卫星发出的无线电信号,实现全球覆盖的导航定位成为可能。美国为了满足其军事对快速高精度导航定位的需要,特别是军用舰艇海上导航需要,美国海军武装实验室于1958年起,实施建立“海军导航卫星系统”(Navy Navigation Satellite System-NNSS)。该系统中的卫星轨道都经过地球两极。故称“子午卫星系统。1964年建成后,开始用于美国北极星核潜艇的导航定位,后逐步用于其它各种舰艇的导航定位。1967年系统解密,提供民间商业用途。

“子午仪”是世界上第一套卫星定位系统,具有划时代的意义。但是,由于该系统卫星数目较少(每个轨道只有一颗,总计只有6颖)、卫星运行高度较低(平均约1000公里),故每隔12小时才有一颗卫星飞过地面观测站,不能同时观察多颗卫星:一台接收机要观测一次完整的卫星通过数据,才能定位,定位时间长(平均约10-15分钟);无法提供快速连续实时三维导航定位。另外,受地球重力场影响大,受大气阻力影响大,定位精度低(单机15分钟定位精度200米;双机相对定位1天时间,精度1米),只能用于低动态、低精度定位,难以满足飞机、导弹等高动态导航定位要求。

为了解决以上问题,美国海军又提出 Timatiom计划,提高子午卫星定位能力。同时,美国空军也在开展621B卫星定位系统研究,即在倾角为0°、30°、60°的椭圆轨道上,布设15-20颗卫星,使用带数字信号的伪随机噪声调制进行测距,以实现全球连续的三维定位。

美国国防部于1969年建立了国防导航卫星系统DNSS计划,将各军种独立的研制工作统一起来,形成了统一的联合使用系统,由美国国防部长办公室(OSD)建立导航卫星执行调控小组,制定DNSS可行性研究规划。新一代卫星导航系统名为“授时与测距导航系统/全球定位系统”,简称GPS。具体计划由GPS联合计划办公室(JPO)制定。GPS JPO还负责管理新卫星,地面控制设备和军用接收机的研制和生产。经过20年的努力,花费200多亿美元,终于1993年系统基本建成,1995年宣布正式服务。

 

3.GPS算是第二代全球卫星导航系统吗?

继子午导航卫星系统之后,GPS是美国国防部批准陆海空军联合研制的第二代全球导航卫星系统,也是第一个具有全能性(陆地、海洋、航空)、全球性、全天候、实时性、高精度的导航定位和授时系统。空间部分由24颗卫星组成,卫星高度约20200km,分布在倾角为55°的6个轨道平面内,运行周期约为11小时58分,于1994年宣告部署完成;地面监控部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。

GPS经过多年的运行,系统逐渐暴露出一些问题。由于新技术和器件工艺的快速进步,原有的系统功能及软硬件设施已经难以满足新时期的需求和应用环境。在各方人士纷纷呼吁对GPS系统进行更新和改进的情况下,2000年美国国会正式启动了GPS现代化计划。与早期的子午仪导航卫星系统相比,第二代系统的卫星轨道更高,卫星数量更多,工作频率更高,而且定位原理为基于到达时间估计的三球交会原理,而不是基于多普勒定位原理,并且实现了实时动态定位。实际上目前所有的四大全球系统,均属于第二代卫星导航系统,而第三代卫星导航系统的诞生,可能是在卫星导航与卫星通信的融合发展之中。

 

4.现在全球有哪六大GNSS服务提供商?

目前,全球提供导航、定位和授时系统服务的共有六个国家。其中,美国、俄国已经提供了全球服务;中国、欧盟在提供区域服务的基础上,基本星座已经布署完成,逐步开展全球服务,2020年全面开展全球服务;日本和印度只提供本国及周边区域的服务。

一、GPS系统

由美国空军GPS联合计划办公室( GPS-JPO)负责,包括民用部门在内的多个部门派代表参与;美国空军航天司令部(HQAFSPC)所辖的第14空军联队(14AF)负责星座运行。美国运输部负责民用GPS服务运行和管理。美国海岸警备队导航中心和民间GPS服务联络委员会负责支持使用标准定位服务的民用用户。GPS的定位精度分两级:精密定位仅给授权用户服务,定位精度在水平方向分量为1米,数据的概率为95%;标准定位免费为世界范围内民用用户服务,定位精度在水平方向分量为10米,数据的概率为95%。

二、GLONASS系统

由俄罗斯联邦航天局、国防部工业与能源部和运输部组成的GLONASS项目部协调委员会管理。俄罗斯航天局负责 GLONASS系统及增强系统的开发和系统的性能监测与控制。 GLONASS系统提供军用和民用两种服务。定准精度:水平方向16米,高程方向为25米。

三、Galileo系统

Galileo是由欧洲委员会和欧空局联合建设的欧洲全球导航卫星系统。欧洲委员会计划2014年投入运行。 Galileo定位精准度:水平方向4米,高程方向8米。

四、北斗系统

中国卫星导航系统管理办公室是北斗的管理机构。北斗三号系统的空间星座是由3颗地球静止轨道(GEO)卫星、3颗倾斜轨道卫星(IGSO)和24颗中圆轨道卫星组成。北斗系统服务方式有开放服务和授权服务两种。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

五、日本QZSS准天顶卫星导航系统

QZSS系统是一个兼具导航定位、移动通信和广播功能的卫星系统,旨在为在日本上空运行的美国GPS卫星提供“辅助增强”功能。包括两方面:一是可用性增强,即提高GPS的信号可用性;二是性能增强,即提高GPS信号强度和可靠性。QZSS系统主要为移动用户提供基于通信(音频、视频和数据)和定位服务。通过播发差分修正数据以及实验导航信号等辅助导航定位信号,QZSS系统可使覆盖区内的GPS接收机到达亚米级定位精度。

六、印度区域卫星导航系统(RNSS)

RNSS覆盖范围是南亚次大陆及周边地区,由印度空间研究院ISRO(Indian Space Organizstion)负责运营和管理。RNSS的定位精度:在印度洋区域优于20米,在印度本土及邻近国家定位优于10米。

 

5.北斗与伽利略系统属于第二代导航卫星系统吗?

第二代导航卫星系统的主要特征是定位信号是用广播方式发布,所以能够有无限多个用户,或者说用户数量不受限制。用户机可免发上行信号,不再依靠中心站数字高程图处理或由用户提供高程信息,而直接接收卫星单程测距信号自己定位,用户位置的隐蔽性提高。

北斗和伽利略系统均满足上述要求,因此属于第二代导航卫星系统。特别是北斗系统的短报文功能,已经具备了一定的通信能力,严格地说北斗应该属于二代+导航卫星系统,已经具备第三代导航卫星系统(导航+通信)的基本特征。

 

6.北斗一号、二号、三号为什么说是系统的发展阶段?

1994年,中国启动了北斗卫星导航系统的建设,按照“质量、安全、应用、效益”的总要求,坚持“自主、开放、兼容、渐进”的发展原则,遵循“先区域、后全球、“先有源、后无源”的总体思路,北斗卫星导航系统正在按照“三步走的发展战略稳步推进。具体发展步骤如下:

第一步,北斗卫星导航试验系统(1994-2003),又称北斗一号,形成区域有源服务能力。1994年立项,2000年相继发射2颗北斗导航试验卫星,建成北斗卫星导航试验系统,成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家:2003年发射第3颗北斗导航试验卫星,进一步增强了北斗卫星导航试验系统性能。北斗一号系统采用“双星定位”体制。由3颗同步卫星组成空间段;由一个地面主控站和若干标校站组成控制段;由众多用户设备组成用户段。其定位原理是以2颗卫星的已知位置为球心,以测定的卫星到用户设备的距离为半径,形成两个球面则用户设备必然在球面相交的圆弧上;再由电子高程地图提供一个以地心为圆心,以地心到用户设备为半径的球面:求解圆弧与球面的交点即可获得用户的位置。上述的距离测量和位置计算由地面主控站与用户设备通过应答方式完成,完成定位的同时,既能报告位置,也能进行通信。

第二步,北斗区域卫星导航系统(2004-2012),又称北斗二号,形成区域无源服务能力。该阶段的发展目标是构成一个具有连续实时无源三维定位测速能力的区域性卫星导航系统,向我国及亚太地区用户提供无线电导航卫星服务。2007年发射第一颗卫星,2012年底完成5颗GEO卫星、5颗GSO倾斜地球同步轨道)卫星和4颗MEO(中轨)卫星的组网服务。

第三步,北斗全球卫星导航系统(2013-2020),又称北斗三号,形成全球无源服务能力。预计2020年将形成具有35颗卫星的全球星座,向全球用户提供稳定可靠的定位、导航和授时服务。

 

7.GPS与GLONASS的现代化建设有没有新一代的概念?

GPS与 GLONASS的现代化建设一直在进行,且已经持续多年。是否有新一代的概念还要看其是否与新一代通信服务的融合程度。

1995年4月GPS宣布全面投入工作,翌年便开始部署GPS现代化计划。2000年5月1日,实施现代化计划第一个行动,终止可用性选择(SA)这一人为恶化精度的举措,使得民用定位精度提高近一个数量级,达到10m以内。GPS现代化计划,从系统的观点而言,主要目标是提高空间段卫星和运控段的水平。而用户段的工作主要依靠市场和用户的需求拉动。近二十年来,美国持续地推动GPS现代化计划,投资上百亿美元,努力提升GPS的空间段和运控段具有新功能,以提高GPS的系统性能。这些功性能包括新的民用和军用信号。GPSⅢ是GPS星座现代化进程的最终产物,估计最后一颗GPSⅢ卫星将在2034年发射。

GLONASS现代化计划的主要内容为:增加资金投入,对系统全面更新:寻求国际合作,开拓资金来源;实行军民两用,开发与GPs兼容的技术,拓展应用领域;启动生命安全,实施搜救服务,完善导航服务市场等。历年来,普京总统多次发布命令和谈话,要求尽快将GLONASS恢复到正常工作状态,俄罗斯相关部门也开展相应的工作,使GLONASS星座逐渐复活,终于在2011年年底恢复24颗工作卫星,达到全球完全工作状态,并积极地开展与美、欧、中、印等国家和地区的双边或多边合作。

虽然,GPS与 GLONASS的现代化建设一直在进行,但距离跨时代的飞跃,进入第三代卫星导航系统还需时日。

 

8.中国的北斗系统需不需要来个现代化?

GPS和 GLONASS在基本系统建设完成后,都安排了系统现代化的问题, Galileo也在好几年前就提出第二代伽利略系统的问题。我们的北斗一、二、三号的“三步走”轨迹明显,下一步如何发展,应该提到议事日程上来了。

在谈及中国时空服务体系的概念时,我们一直坚持的观点是打造北斗的升级跨越版。升级跨越可理解为两个不同的阶段,即升级版和跨越版。在实现跨越版之前,北斗系统应该有个现代化进程,也就是升级版。

这个升级版有没有必要?我们认为十分需要。为什么?因为我们的北斗系统,实际上是个分步设计、分阶段实施、逐步构成的系统,而不是一个整体设计思想指导下的分步实施系统。其中包含了不少无奈与遗憾,且需要加强战略性、前沿性的研究和储备。北斗系统建设前前后后二十余年,在这二十年间,许多系统技术有着长足进步,早已今非昔比。而且,在北斗系统建设过程中,我们也积累了许多经验教训和感悟,需要进一步改进。还有就是,未来技术发展趋势的召唤与使命梦想使然,以及提高跨越发展的铺垫基础,都需要北斗系统有个现代化进程,这样才能完美对接过去与未来。

比较GPS现代化后的许多性能功能指标,我们会发现北斗全球系统与之还有一定的差距。这几年来,GPS系统的稳定性,是目前其他GNSS难以与其相比的。GPS系统的可靠性,一年365天,每周七天,每天24小时连续工作,鲜有突然出现信号中断的事项。而这方面。正是北斗系统的短板。以寿命而言,GPSⅢ卫星设计寿命达15年,北斗三号星设计寿命为10-12年。GPSⅢ系统布设完毕,其系统定位精度可优于1米,而我们是在特定的增强区域能够达到1米,这个差距实际上不是一点点。显然,如果进入实质性的关键细微环节的研究,我们会发现真正的差距,才能真正地做到知己知彼。严格地说,许多地方我们还没有做到。系统的主要问题不是在空间段,而是在运控段。在全球系统及其运控保障,北斗二号和三号交接班等方面,有许多难题还没有真正暴露和认识清楚。用户段,特别是军用设备的许多特殊要求,和抗干扰与防欺骗等难题。只是一般性的采取措施,没有做深入细致的对抗性试验获得实战性的解决方案。而环境段,是全球性的难题,美国人做了大量研究,北斗人也应该在环境段上做些创新和开拓性的工作,为世界多作贡献。

凡此种种,值得反思,值得补课,值得化大力气、大价钱去做个行之有效的现代化工程,打造北斗系统升级版,真正全面高质量地实现天上好用、地上用好的伟大愿景。

 

9.卫星导航系统亟待创新的理由是什么?

几乎自GPS系统正式服务开始之日起,卫星导航系统的现代化进程就一直在延续,其中创新不断。GNSS系统越完善可靠,系统安全性就愈发重要。

现在地面网络上充斥着各种干扰或破坏性技术的肇事者,他们为网络安全带来了巨大的威胁。空中的GNSS电波与地面的无线网络从本质上说都是无线电信号,只是频段不同。在过去的几十年中,从定位导航和授时的角度来看,我们非常幸运。我们面对的肇事者还比较初级,他们使用常规干扰或破坏性技术的访问受到了限制。

随着移动通信、信息和导航技术的融合,风险不断增长,主要由两个趋势推动的:集成移动技术的发展和对语音、视频、文本、互联网位置和数据服务之间无线通信频谱的更大依赖;全球范围内破坏重要网络的能力扩散。这种演变带来了通信、信息和导航基础设施风险状况的变化。我们需要考虑将有意和无意的GNSS信号干扰,包括干扰和信号模仿或欺骗,与更广泛的集成移动环境中的无线电频率干扰潜能联系起来,包括无线语音,视频,数据,文本和互联网服务,可以在现有的网络安全框架内研究GNSS干扰与无线之间的关系。

由于信息和通信网络的复杂性,以及政府和私营部门的不同作用,很难就如何定义网络空间达成一致意见。随着时间和技术的进步,网络空间的性质及其对无线电频谱的依赖性将继续增长。使频谱问题与网络领域保持一致将有助于扩大我们的实时监控、分析和态势感知的范围和情景内容。

最近,美国国土安全部正在进行近两年的GPS脆弱性研究:《国家风险评估:GPS中断对美国关键基础设施造成的风险》。该机构评估了四个部门的中断风险:通信、紧急服务、能源和交通。这项努力在《爱国者观察/爱国者盾/爱国者勇士》计划中采取了最切实的形式,这一计划仍然主要用于监测、检测、分析、定位和应对GPS干扰。

 

10.新一代GNSS应该是什么样的系统?

未来的GNSS将更加贴近用户,与现代通信系统的融合是趋势。卫星导航与移动通信的关系,可以分为三个层次:

一是结合型,卫星导航作为传感器获得的定位信息,可以通过通信系统这样的传输手段,传送给相关的对象,实现应用与服务,使得卫星导航如虎添翼,更加有效、效益更多。

二是辅助型,卫星导航利用无线电通信网络,实现所谓的A-GPS/GNSS功能,通过通信网络提供的附加的时间、位置以及其他信息,协助导航接收机实现快速定位,尤其是在位置服务中发挥特别有效的作用。

三是融合型,将无线电通信系统也作为定位手段与卫星导航相融合,即室内外定位融合,实现无处不在、无时不在、无所不在的所谓泛在定位导航授时。

导航有通信配合才能如虎添翼。卫星导航从基本原理上说,只是一种传感器类型,但它是个大品种,因为它提供的是时间空间信息,而且可以实时动态地提供。一旦与无线电通信和传输通道连接起来,其作用就成十倍地扩大,走向各行各业,四面八方,将空间的点、线、面、体有机地连在一起,又通过时间序列将所有的人事物及其动态变化有序衔接,形成波澜牡阔的历史性画卷,构成智能信息应用与服务的人类史诗。

通信有导航支持才可以实现位置服务。无线电通信发展中,由于安全和救援的需要,美国联邦通信委员会在1996年鉴于911安全救援服务的增强的需要,提出了E911,实质上就是位置服务概念的问世,确定所有移动电话必须具备位置报告功能。这是通信领域对于导航定位提出的迫切需要解决的问题,并且形成强制性标准配置的法令。现在多个国家和地区均推进这样的强制性行动,如欧洲的E114日本和韩国的E112等。在这些举措的发展基础上,在互联网和社会网络上,正在逐步形成,并将发展成为一个巨无霸的位置服务产业这一天的到来已经为期不远了。