全球定位系统(GPS)现代化运行控制段(OCX)的进展与现状*

陈 勖,李尔园

(1.北京安华北斗信息技术有限公司,北京100084;2.北京合众思壮科技股份有限公司,北京100015)

0 概 述

美国的全球定位系统(GPS)和欧洲的伽利略(Galileo)计划都是为全球用户提供全天候、全天时的导航、定位和授时服务。它们均由三部分组成:即空间段、控制段和用户段。其中,传统的GPS控制段主要由1个主控站(MCS)、1个备份主控站和11个专用的监测站组成。目前在建的伽利略计划控制段包括4个主控制站(MCC)、34个完好性监测站、5个地球导航站和其他相关设备构成。随着GPS星座现代化的到来,传统的控制段很难满足GPSIII的需求。因此,美国政府委托空军航天司令部建造新的GPS运控段(OCX)。这一新的现代化运控段将完全取代目前的控制系统,接管对GPSI和GPSII卫星星座的维护,负责GPS III星座的全面运行和控制。OCX兼容了更多的GPS新信号,提高了星座性能,更有效地保证其安全性。OCX的建设始于2007年分为两个阶段进行开发,第一阶段的开发已经在2009年底完成。第二阶段预计到2014年整个OCX将建设完毕,正式投入运行。

1 GPS、Galileo计划的空间段和用户段

美国全球定位系统(Global Positioning System,GPS)和欧洲伽利略(Galileo)系统都是全球导航卫星系统(GNSS)的组成部分。两个系统的空间段主要由太空中的卫星星座及其相关增强航天器组成。合理的卫星分布保证了定位的精度,并结合其他航天器提高整个系统的完好性和可用性[1]。具体的星座参数如表1所示。

表1 GPS和Galileo的空间段参数

GPS的用户段包括成百上千的军用GPS精密定位服务(PPS)接收机,以及数以百万计的民用、商用标准定位服务(SPS)接收机。所有的GPS接收机通过接收空间卫星的广播信号,为用户提供三维位置及精确的时间信息。一般来说,GPS接收机由一个天线、一个调制解调器、接收机处理器,及一个高稳定的时钟组成。

Galileo计划目前的用户段主要是进行系统的确认和信号的测试,其目的是保证导航设备的可用性及系统的完好性。Galileo的用户段包括:开放的民用、商业接收机;生命安全服务接收机;公共管理服务接收机;搜救信号站设备及其它辅助的测试工具,例如卫星星座的仿真系统。

2 GPS和Galileo运控段的现状

GPS运行控制段由美国军方负责管理,最初拥有了一个主控站(科罗拉多斯普林斯施里弗空军基地)、一个备份主控站(科罗拉多)和五个专门监控站(位于夏威夷、阿松森岛、迪戈加西亚岛、瓜加林岛和卡纳维拉尔角)。如图1、2所示,2005年9月,6个全球性的国家地理空间监测站(NGA)也投入使用,分别位于英格兰、阿根廷、厄瓜多尔、巴林岛、澳大利亚和华盛顿,如图3所示。目前,每颗卫星至少被同时两个监测站进行监测,保证了轨道的精确度和星历的计算能力。对于用户段来说,运控段的改造使得广大用户群拥有更高的定位精度。未来几年中,GPS还将在监测网络中再增加5个NGA监测站,每颗卫星至少同时被3个监测站监测,从而保证整个卫星和系统的完好性监测水平。

图1 夏威夷卫星跟踪站

图2 施里弗空军基地

GPS接收机系统,它能够监测所有可能跟踪到的卫星,收集卫星信号传递的数据。然后把收集到的原始数据发送到位于施里弗空军基地的主控站中,进行数据处理。主控站不间断地对来自各个监测站的数据进行实时分析,解析卫星轨道和时钟的信息,尽可能快地检测/排除卫星可能出现或者发生的故障[2]。

此外,主控站的另一个职能是发布改正数据。通过解析原始数据,主控站计算得到新的星历数据,以每天1到2次的频率向卫星进行数据输入。新的星历数据和其它指令通过位于阿松森岛、迪戈加西亚岛和瓜加林岛的上行天线站(同时也是监测站)以S波段信号的形式传输到卫星上,校正卫星钟差及卫星轨道的误差。然而现代化GPS星座中的Block IIR卫星具有卫星间交换数据的能力,能够自动纠正轨道数据,因此,不需要地面监测站如此频繁的通讯,通讯周期最长可达180天。

图3 GPS地面监测站分布

伽利略(Galileo)系统的控制段组成类似于美国的GPS,它由4个主控制站(MCC)、34个完好性监测站、5个地球导航站和其他相关设备组成[3]。完好性监测站实时监测卫星数据,并且通过通信网络把数据传送到主控制站中。主控制站进行数据分析和计算,同时发布新的星历和轨道信息,通过任务上传站(ULS)把改正信息上传到卫星上。另外,主控制站把卫星数据通过地球导航站为用户段提供定位和导航服务。图4中的(a)、(b)、(c)分别是伽利略的主控站、完好性监测站和地球导航站的分布。

从职能上看,整个控制段由两个控制中心组成,它们分别为地面控制段(GCS)和地面任务段(GMS)。GCS的任务是对航天飞行器进行控制,检测和维护星座可能发生的故障。它通过 5个TT&C(跟踪、遥测及命令)站定期地与每颗卫星进行通信。GMS的任务是负责导航系统中出现的控制问题。30个Galileo传感站(即完好性监测站)组成了一个全球性的监测网络,对所有卫星的信号进行连续监测,再通过通信卫星或者电缆进行地面数据传送。最后,GMS通过5个任务上传站与Galileo卫星进行通信,上传相应的改正信息。

3 GPS现代化运控段(OCX)

传统的GPS控制段主要对GPS的L1频率上的C/A码和P码,以及 L2频率上的P码卫星信号进行处理和控制,但是即将到来的现代化GPS(GPSIII)在保持原有的信号之外,还增加了L1C、L2C、L5和M码信号。这种更先进的卫星星座在卫星之间就可以进行完好性的监测,减轻了地面监测站的工作量,因此,需要一种新的GPS OCX来运行控制GPS III卫星星座。受美国政府的委托,由美国空军牵头,于2007年开始进行现代化运控段(OCX)的开发和建设[4]。

新型GPS III卫星星座的主要目的,除了提供PNT服务之外,还包含遇险报警卫星系统(DASS)和其他相关系统[5]。其功能包括:

1)在遮蔽环境条件下提供军事上的高精度可用性;

2)提高时间传递的准确性;

3)提高民用定位精度;

4)提供更好的系统完好性、向后兼容性和可用性;

5)提高卫星信号与伽利略系统及其他全球系统的互操作性。

为了满足GPS III的发展和需求,和传统的控制段相比,建设中的OCX在硬件设备上补充了以下几个部分:PNT体系结构发展计划(AEP)规定的运行控制段(OCS);早期轨道异常和处理功能(LADO);GPS系统模拟器(GSS);PNT体系结构发展计划(AEP)中规定的交替主控制站(AMCS)和一个综合任务实施支持中心(IMOSC)。在初期阶段,OCX主要侧重于对GPS系统现代化信号(L2、L5和M 码)的控制,并且发射新的空间段卫星,即GPS IIIA卫星。同时,OCX继续对GPSIIR卫星、IIR-M 卫星、IIF卫星和GPS III卫星提供传统控制段的支持,同时,对即将增加的卫星及其新功能进行推动,比如新卫星信号、导航战能力和其它附加的载荷服务。

在软件部分,OCX分为若干个子系统,分别支持如下的功能:对所有航天飞行器的遥感遥测、跟踪和指令发布(TT&C),单一航天飞行器的TT&C、任务规划及导航功能。OCX的能力将逐步得到实现,新功能必须全方位地兼容和支持GPSIII星座的服务。从开发进度上看,OCX最先实现的功能包括如下几方面:

1)从P(Y)码的单一监控延伸到对所有导航信号的监控;

2)生成现代化的导航信息;

3)满足航空安全飞行需求;

4)对整个GPSIIIA卫星提供TT&C;

5)实现卫星任务自动分配能力。

OCX在保持对IIR和IIR-M星座的维护同时,首先在IIR-M和IIF卫星上实现现代化GPS的功能。另外,OCX将与新的GPS III卫星一起对新服务提供指令和控制(C2)功能,它是GPS III星座服务发展的基础。

对于用户段来说,GPS运控段的关注重点是,从对GPS卫星的控制转向基于用户的操作,更加重视用户服务的效果。同时,OCX还帮助美国军方提高了GPS的军事运行服务,加强了其作战力量,并且促进了民用合作,吸收大量国际合作伙伴和用户。通过更优秀的OCX有效地进行导航任务规划,美国还将为所有GPS用户提供精确的定位、导航和授时信息。

2005年2月18日美国政府宣布将与商业合作伙伴一起共同开发OCX。2007年11月21日美国军方宣称与加利福尼亚州的Northrop Grumman公司和科罗拉多州的 Raytheon公司签署GPSOCX合作合同,分别从事空间使命系统和智能信息系统的研发。这两个合同价值各1.6亿美元,计划在18个月内完成。2010年初,价值9,700万美元的OCX第二阶段开发合同将继续进行,预计到2014年完成。根据第一阶段的开发成果,OCX的第二期开发将完成与GPS III卫星的整合,彻底取代传统GPS控制段的指令和控制(C2)系统,允许新的L2C、L5和M 码信号投入使用。

由于OCX的建设采取循序渐进的发展方式,最终完全取代传统的控制段。这种方式可以在未来三十年里满足GPS的军事和民用的需求,并且接管整个系统的完好性(SI)监控。

4 结 论

介绍了美国GPS和欧洲Galileo计划的三部分组成,即空间段、运控段和用户段。并且着重研究分析了两个系统运控段的特点和工作原理。随着现代化GPS III的到来,传统的GPS控制段很难满足卫星星座需求,因此,需要一个新的运控段(OCX)。这个现代化OCX将在未来五年内取代传统的控制段,逐步接管GPS整个卫星星座,并且为GPS III卫星的运行做好准备。目前,OCX正处于开发阶段,Northrop Grumman公司和 Raytheon公司与美国空军签订合同,分别从事空间使命系统和智能信息系统的研发。现代化的OCX将全面对空间段进行管理,提高GPS的可用性和安全性,保证对军事和民用的支持,满足全球化通用的服务需求。

[1]Global Positioning System[R].Wikipedia Org,2005.

[2]National Positioning,Navigation and Timing Architecture Study[R].National Security Space Office,2008.

[3]The GALILEO Programme Feature[R].ESA,2005.

[4]GPS III Operational Control Segment(OCX)[R].Globalscurity Org,2009.

[5]The GPS System Control Segment(Monitor Stations)[R].Kowoma Corp,2009.