卫星导航系统的关键核心技术

2019.11.25 , 浏览次数: 291

 

1.GPS是在多种多样的方案中脱颖而出的吗?

子午仪概念被接受后,相当长时间内,关于空间飞行器设计、发射、在轨跟踪与维护日趋成熟。为重新说明GPS,设计者考虑,应引入系统总体架构的思路,包括如下概念:

一是有源或无源系统

无源系统广播信号,用户确定其位置,只是简单地“收听”信号。有源系统与每个用户进行互动(即用户可能要求询问系统)。有源系统能控制一批固定的数量有限的并行用户;无源用户可以为数量无限的用户服务。此外,军事用户不想通过辐射信号分发它的位置信息。

二是定位方法

多普勒、双曲线或三角学测量法。1970年时钟技术改进到时间同步信号可以用卫星发射的阶段。三角学测量法是个合乎逻辑的选择因此,GPS定义为无源测距系统。

三是脉冲与连续波(CW)信号

脉冲信号是时分多址工作体制,所以每个卫星均有独立的传输时间。但是,扩频信号允许在一个无线频率上同时存在多个辐射信号。GPS是第一个广泛应用这种信号概念的系统,称为码分多址。

四是载频

L频段(1GHz~2GHz)是最佳选择。GPS需要20MHz的频谱,在20世纪70年代早期L频段相对还不拥挤(并非总是如此,现在就不是这样)。在较高的频段,电离层折射引起的测距误差会减少,但空间损耗(由于传播距离造成信号功率的衰减)和大气衰减会有所增加。

五是卫星星座和轨道

每个用户需要在视野内有四颗或更多的卫星,以确定其位置。提供这样的全球覆盖必须做到甚为经济才行。轨道的选择决定设计、卫星数量和发射与维护成本。轨道选择可能有:①低地球轨道(LEO):高度低于2000km的低轨卫星每次过境只见到10~20分钟,接收机经常会捕获新的卫星。多普勒变率高,由大气拖曳效应引起的轨道摄动也高。提供全球导航覆盖要求星座有100~200颗卫星。另一方面,发射费用较低,卫星只要低功率发射。②中地球轨道(MEO):高度在5000~20000km,每天轨道圈数为24圈,每次过境通常见到卫星为若干小时,发射费用高于LEO,但组成星座的卫星数量较少(为2436颗)。③静地轨道(GEO):卫星位于赤道上空36000km轨道上对于地球上的观测者而言似乎是固定不动的。用数量较少的卫星即可实现全球覆盖。另一方面,GEO星对高纬度覆盖能力要差,具有较高的发射费用,而且定位的卫星几何分布图形往往不够理想。

基于以上这些考虑,GPS选择了24颗卫星的中轨道星座。美国国防部在1973年批准了其总体基本结构,1978年发射了第一颗卫星。系统在1995年宣布投入运行。

 

2.卫星导航的三维定位为什么至少需要四颗卫星?

卫星导航系统背后所隐藏着的整个设想,在常人眼里看来往往是不可能的。利用空间的卫星作参考点,在地球上实现定位,且精度又这么高,有点不可思议。要用三角学在地球上任何地方进行定位,要求非常精确地测量从卫星到用户机间的距离,是个难题。接着,还要解决知道了至3颗卫星的距离,又如何在空间找到接收机所在位置。

应该说,就三角学而言,这是个硕大无比的几何图形。首先,假设已经测量到了至第一颗卫星距离为25000km。由这颗特定的卫星将用户所要确定的所有可能位置,压窄到以该卫星为中心、半径为25000km的球面上。接着,测量至第二颗卫星的距离为28000km从而又有以第二颗卫星为中心28000km为半径的第二个球面,这两个球相交线形成一个圆,此时已经把用户所要寻找的位置,进一步又集中到这个圆上。随后,用户测得至第三个卫星的距离为31000km,它与其他两个球相交形成的圆相截,进而把用户机的可能位置变成为两个点。到此,把三个卫星的测距问题,转化为仅仅在空间找两个点。为了确定这两个点中究竟哪一个是用户机的真正位置,事情并不复杂,因为凭我们的常识即可进行准确判断。一般而言,这两个点,一个在北半球一个在南半球。

如果两个球在空间相交线通常是个圆,在同一平面内两圆相交是两个点,要是两个圆心是两颗用于定位的卫星,则它们的交点恰恰落在地平面上,这两个点一般情况下一个落在南半球,一个落在北半球。由于地球不是一个规则的球体,我们要测量的目标位置往往不在同样的海平面内,且还存在海陆空天的平台区别,因此只能确定水平位置的两个卫星定位方法,不可能普遍适用,必须用三个参考点(卫星)才能最终确定经纬度和高程。这就如同在直角坐标系内确定一个空间点位必须要确定X、Y、乙三维坐标值原理一样。

下图所示为空间三维定位原理

由此可知,在空间确定一个目标点位置,必须要三个卫星的测量值,才能给出三维位置,那为什么卫星导航一般要求有四个卫星才能定位呢?这是因为实际上参与导航位置计算的过程中,还有个时间变量参数,因为卫星导航的距离测量实际上是以时间度量来实现的,当每秒钟时间误差为百万分之一时,所带来的位置误差会达到300m以上,而人们所用的卫星导航接收机的时钟是用石英晶体振荡器来实现的,必须用卫星的原子时钟作为同步标准才能确保定位精度,故需要第四颗星来参与定位,实际上这第四颗卫星是作为时间参考标准加以应用。

 

3.为什么说卫星导航是站在巨人肩膀上的伟大杰作?

牛顿说:“如果我比别人看得更远,那是因为我站在巨人的肩膀上!”在当今全球卫星导航定位系统中最知名、技术最成熟、发展最快、资格最老、也最挣钱的是谁?当然是GPS!现在的人们不再问什么是GPS?哪儿有GPs?而是在问GPS技术究竟是怎样?GPS还能应用在那些方面?可见,它在卫星导航领域的“技术巨人”和“市场老大”地位是无可置疑的。但是,长江后浪推前浪,青出于蓝而胜于蓝。“北斗”作为卫星导航定位系统中的“初生牛犊”,一出世便从GPS老大哥身上汲取了丰富的技术养分和应用经验,而且还有青出于蓝胜于蓝之处,它的迅速成熟与成长让全球为之惊讶,有人预言,“北斗”的未来必将在相当多的方面赶上甚至超过GPS,在未来卫星导航定位的广阔应用市场中,也将有望逐步成为能够跟“老大”掰手腕的新兴系统。这都是因为,北斗系统已经站在了“巨人的肩膀上”,它必将是全球卫星定位系统中“看的更远”的一项伟大杰作。

 

4.原子钟为什么是导航卫星的心脏?

人们日常生活需要知道准确的时间,生产、科研上更是如此。人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在某些特殊应用领域,则需要非常准确的计时工具。原子钟是目前人类最精确的时间测量仪器,它是20世纪50年代出现的,主要是利用原子不受温度和压力影响的固定频率振荡的原理制成。

原子钟用在对时间要求特别精确的场合,比如全球定位系统,以及互联网的同步都采用了原子钟,格林威治时间和北京时间的时间基准也都依靠原子钟为标准。现在用在原子钟里的元素有氢(Hactare)、铯( Seterium)、铷( Russium)等,其精度最高可以达到数千万年才误差1秒。

在卫星导航系统中普遍使用的精确计时工具正是原子钟。原子钟技术是卫星导航系统的关键支撑技术之一,也是国际上很尖端的科学。仅从1997至2005年的8年中。3次诺贝尔物理学奖都授予了原子钟和精密测量相关领域的科学家。

 

5.与时俱进的精密定轨和信号编码是生命力之谜吗?

空间的精密定轨

GNSS首要特点是帮助用户实现高精度定位,前提是必须精确掌握卫星本身的精确位置和运动轨迹。所以,卫星轨道的确定成为空间科学的一个分支一定轨学。多少世纪以来,天文学家、物理学家和数学家们都在寻找和研究天体运动的预测方法。但是,直到上世纪50年代后期,当人类第一颗人造地球卫星上天以后,卫星轨道确定的现代学科才得以诞生。这一新的领域与传统的天文学在三个方面有所不同一是卫星典型的跟踪方法不是利用原先的天文望远镜,而是使用无线电测量方法:二是其坐标的原点是在地心,卫星大多在围绕地球的轨道上,而不是围绕太阳。或者更加遥远的行星:三是轨道确定主要依靠大量的数值计算,而不是估算和测算。

定轨学在其形成过程中飞速发展,这主要归功于计算机技术的迅速进步,使得通过计算机能够求解复杂的轨道运动方程式成为可能。早期的工作集中在产生比较好的卫星星历,也就是卫星速度和轨迹的时刻表。复杂的运动方程通过大型计算机产生这些时刻表,将其计算结果与跟踪站无线电测量的实际结果进行比较,不断改进所用的算法,不断提高轨道预测的精度。

先进的信号编码

码分多址(CDMA,扩频,或者说是伪随机噪声)是在白沙岛导弹试验场借助于621B计划实现的,是由宇航公司的科技人员来开展的。对于采用CDMA的决定,是在早期许多大量研究的基础上,当然,也参考了《数字通信》一书。来自 Magnavox公司的罗伯特·金博士在内的许多人员也做出了大量的贡献。其中最重要的是,保证GPS信号的载波、编码、数据都要实现相位相关,从而使得先进的GPS接收机能够达到更高的精度。

1975年就能够设计出这样好的信号结构,人们对设计者倍加赞赏。时间过去那么长,信号结构仅仅需要很小的修改,真正是个奇迹。

码分多址(CDMA,扩频,或者说是伪随机嗓声),这种信号调制用于无源测距,显然是GPS最基本的创新技术。这个信号能够让用户实现四维定位,而用户设备不需要有原子钟。俄罗斯的 GLONASS也利用扩频无源测距,但是采取频分多址(FDMA)方式,实际应用证明这种信号调制有其不足之处。

 

6.大规模集成电路和地信系统是产业发展的依托吗?

叹为观止的大规模集成电路

大规模集成电路对卫星导航大众消费市场起着决定性影响,受“摩尔定理”规律性的影响,导航芯片和接收机价格快速下降。单芯片GNSS接收机模块价格,已经降低到每个数美元,其某些性能却超过早先价值两万美元的接收机。看起来似乎是不可思议,但是目前的GNSS接收机的首次定位时间、灵敏度和在城市里的定位数据精度,都证明这是无可辩驳的事实。

摩尔定理是摩尔的一种预言,每过两年,在芯片中容纳品体管数量不变的条件下技术进步使得芯片的尺寸大小可以减半。

对于特定的GPS专用芯片,其接收机具有大量的并行相关器,不同年代的的芯片,其表征单个门电路在硅晶片上的线性尺度的技术工艺有明显不同。当线性尺度降低到原先的70%时,芯片的面积就减少2倍。如博通( Broadcom)公司的BCM4751芯片,是专门为移动手机设计的。芯片的尺寸是2.9×3.1平方毫米,它是单底模芯片,基于主机的GPS/SBAS接收机。包括RF前端、低噪声放大器、基带和电源管理单元。差不多经过二十年,摩尔定理反复十次,才能得到这样的结果。要是在二十年前制造这样的芯片,差不多要大一千倍。当然,也不会有这样的芯片,GNSS芯片只会尺寸越来越小,功能越来越强。

千变万化的地理信息系统

卫星导航的应用与服务,实际上是和电子地图,或者广义一点说是地理信息系统,密切相关。可以毫不夸大的说,电子地图是现代导航不可或缺的重要组成部分。在卫星导航中应用的地理信息系统,主要包括操控和显示电子地图的软件平台,或者说是地图引擎,以及电子地图数据本身。

地理信息系统( Geographic Information System)简称为GIS.它是一种利用现代化信息技术针对地理空间数据进行采集获取编辑存储、处理和分析的综合技术系统。世界上GIS概念的提出是在40年前,加拿大测量学家Tomlinson在上世纪60年代初指出“要把地图变为数字形式的地图,以便计算机分析与处理”,开创了利用计算机技术处理地理空间数据的先河,其技术路线一直延续至今。目前,特别是在与民生和经济息息相关的行业,如商业、城市规划、物流、交通、人口普查、疾病分析等领域,GIS技术的运用更是在国际上得到了空前的发展。

中国GIS的发展也是起步于20世纪的80年代,我国测绘领域的一些科学家们敏锐地觉察到GIS的发展潜力与应用意义,开展了积极的理论与技术研究,并首先在资源和环境领域尝试实现GIS技术的应用。目前,国内已涌现了一批具有自主知识产权的GIS软件产品和软件企业,并初步形成了良好的GIS产业发展态势。

 

7.为什么说卫星导航最为需要的是环境段创新?

卫星导航系统的环境段涉及的空间体非常大,涉及的内容范围非常宽。由于卫星导航的应用涉及海、陆、空、天各个方面,所以从地面海上开始,到近地空间,直到地外空间,乃至深空。在这样巨大的空间内,包括不同的电波传输介质,自然和人为的电磁干扰,以及地形地物和植被的影响。其中涉及大气(电离层和对流层)条件、电磁环境、多径效应,以及多种多样的应用环境与条件,它们会影响到系统工作、定位精度、完好性、可用性、连续性和可靠性等一系列关键指标。环境段不仅影响到定位、导航和授时的精度,而且也会影响到用户接收机的正常工作,甚至导致信号中断。尤其是茂密的森林内、城市峡谷中,甚至各种各样室内应用,都有电波传播环境条件的限制。

解决环境段的问题应该从三个方面着手:一是从卫星导航系统设计着手,改进和提高系统的性能,实现四大组成部分(星座空间段、环境增强段、地面运控段、用户系统段)一体化设计。针对环境段问题,采取积极的措施,保障精度、可用性、完好性、连续性和可靠性指标要求尤其是抗干扰能力和具有完好性保证的高精度性能。二是要加强对卫星信号及其干扰源的监测和跟踪,及时地发现可能的故障、原因、来源,确定相应的对策,采取积极的防范措施和及时的处理办法。三是应该充分利用多样化的系统互补融合,除了积极推进GNSS多个系统的兼容和互操作外,还要将天基导航与地基导航、传统导航与新兴导航、无线电导航与惯性导航,以及多种多样的导航手段和资源实现系统集成化整合,从根本上解决天基导航系统的脆弱性,真正做到任何时候、任何地点实现全空间、全天候的定位、导航和授时(PNT)。

GNSS整体组成应该从“老三段”转化为“新四段”。GNSS是在不断创新中实现功能性能的提高和升华,而其中的主线和重点是通过环境段实现精度、可用性、可靠性的不断改进。多种多样的差分技术与网络。天基、地基、局域增强系统,误差改正和缓减措施与方法,绝大多数是围绕解决环境影响产生的效应来加以安排部署的。事实上,在卫星导航系统总体的形成过程中,仅仅以空间段、运控段和用户段的“老三段表述方式,已经远远不够了。所以,GNSS的总体上应该实现创新,形成“新四段系统之系统的概念,这就是空间星座系统、环境增强系统、地面运控系统、应用服务系统。

 

8.GNSS兼容互操作的关键难题是什么?

1995年5月,美国GPS宣布正式投入完全的正式服务,至今已有二十多年了。虽然,俄罗斯在1996年宣布过GLONASS开始正式服务,但是其间经历了苏联解体等过程,直到2011年年底俄罗斯才宣告系统恢复完全工作状态。中国北斗和欧洲伽利略全球系统正在昼夜兼程的建设之中

四大全球系统有望在2020年全部投入完全服务。显然,对于GPS和 GLONASS而言,2020年这个年限不存在什么门槛问题,而对于我国的北斗导航系统(BDS)和欧洲的伽利路( Galileo)系统,还是存在一定的压力的,因为有诸多的不确定因素可能会影响到系统部署的进程。航天事业本身就是个充满风险的行业,何况卫星导航系统是个大型的星座,其中充满着未知数。尤其是,全球系统的管理具有明显的特有的经验( know how)性挑战,对于欧洲人和中国人来说,多少是个崭新的课题,万万不能掉以轻心。但是,从目前看,中欧双方都有一定的时间裕量,有望在2020年投入完全服务。

多个系统现代化和GNSS兼容互操作在紧锣密鼓地开展中,从GPS宣布正式投入服务的翌年,美国就开始部署GPS现代化计划。而且在2000年5月1日终止了其AS(可用性选择)政策,于是一夜之间GPS民用定位精度从上百米提高一个数量级,达到10m左右。此举成为GPS现代化的第一步行动。GPS现代化是个全面展开的行动,涉及空间段、地面运控段和用户段的性能提高和改进。

俄罗斯的 GLONASS也在推进其现代化进程,通过GLONASS-M、 GLONASS-K和现代化 GLONASS-K行动计划,推进其系统现代化,主要目的是:增加卫星的工作寿命、促进卫星服务系统的演变、提供更加稳定的星钟、引入搜索救援(SAR)载荷和增加新的信号。为了适应GNSS兼容互操作的需要,俄罗斯在其新的卫星上在保持其FDMA信号的同时,还增加了与国际上其他GNSS系统兼容的CDMA信号,而且准备最终在L1、L2、L3三个频率上均加载这样的北斗系统与伽利略系统均在部署其全球系统,对于欧盟和中国而言,全球系统都是个新课题,目前均在经受时间进度和系统性能质量的考验。尤其是美国和俄罗斯都是在原有的系统基础上实施现代化进程,它们的系统正在向更高的层次进发。就精度而言,已经向1m定位精度迈进。作为全球系统,四大系统的建设者都希望能够进入前茅也就是突入前三名。从目前看,美国会继续保持领先,其他三方可能会有一比,面临时间和技术与产业水平的严峻考验。

 

9.为什么说北斗标配化已经水到渠成?

一直以来,我们经常在呼吁北斗标配化,却收效甚微,究其原因,是人们自我束缚过分,惯性思维使然。这几年来,北斗受到国内国际的双重关注,细心的人们肯定早已发现,当2012年底,我们宣布向外公开北斗系统信号接口控制文件后的数个月内,全球知名的多个主要智能手机芯片厂商,均表示自己所生产的手机芯片都配备了北斗功能:而专门的卫星导航终端供应商也纷纷表示自己的产品包含了北斗功能。这是北斗巨大影响力的集中体现。

GNSS系统的大转折正在发生,而且是系统性的,整体全局性的。这种转折宣告,GNSS系统建设阶段告一段落,接着是其应用与服务为重头戏的产业发展时期。这种转折提醒,GNSS兼容互操作成为各个卫星导航系统竟争力的主要突破点,四大系统在应用服务终端中的标配化已经成为必然趋势。这种转折明示,GNSS的时空信息服务的扩大发展,将从定位导航授时的原始性应用中实现重大突破,在跨界融合、泛在实时、智能服务发展过程中得到升华。中国新时空服务将成为我国信息时代发展核心主线,它所推进的智能信息产业成为习近平新时代产业发展的主旋律。由此可见,北斗标配化,也就是北斗与其它GNSS系统的兼容互操作,已经是一种必然趋势,而且业已达到水到柔成的发展阶段。这不是哪个专家哪个群体说了算的事情,而是市场与产业需求在引导着产业的大趋势。

北斗标配化,不仅不会削弱北斗的竞争力,恰恰相反,是极大地推进了北斗进入GNSS的融合步伐。我们越是自觉主动地推进北斗标配化,我们就越能够为北斗创造出更加广阔的天地。我们站在北斗铺垫的强大基础上,能够更加自如地驾驭GNSS强大的信号资源,就能得无与伦比的国际竞争力,我国的卫星导航产业才能发展的更高、更快、更远。

北斗标配化,就是让中国卫星导航市场中的北斗应用显性化,让人民大众对于北斗有感,激发民族自尊心和自豪感。同时,也推进北斗的应用规模化、服务产业化、市场全球化“,推进北斗融入GNSS发展进程。“北斗标配化”,实际上真正体现了我们对于北斗全球化发展的信心与力量,真正发挥北斗的影响力、辐射力。

就北斗标配化的实施,我们可以举重若轻的方式进行,主要在三大领城入手。这就是:在国家重点基础设施,特别是信息基础设施领域在车辆调度控制管理监控领域,特别是汽车前装市场领堿;在移动智能终端,特别是智能手机和可穿戴设备领域。为了保障北斗标配化的显性化,我们可以在智能手机终端的入网许可检测中,明文规定北斗作为必须检测项目,而且限期至2020年做到完全达标。