适应SAR功能的GNSS接收机待研发── GNSS导航信号的收发问题之十六

刘基余（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

适应SAR功能的GNSS接收机待研发── GNSS导航信号的收发问题之十六

刘基余
（武汉大学测绘学院，武汉 430079）

近年来，全球导航卫星系统相继增添新功能——全球搜寻援救，而拓宽了GNSS信号的应用。自2011年10月以来，Galileo IOV卫星（MEO）已经安设了全球搜救收发设备，开创了全球导航卫星系统增添SAR功能的先河。这就需要研制适应全球搜寻援救需求的GNSS接收机。

全球导航卫星系统；Galileo IOV卫星；全球搜寻援救

1　引言

GPS卫星导航技术问世30余年来，全球广大民间用户都是利用GPS信号进行导航定位，而不能另有所求。近年来，全球导航卫星系统相继增添新功能—— 全球搜寻援救（search and rescue，SAR）。例如，2011年10月21日和2012年10月12日分别发射的各两颗Galileo IOV卫星（MEO）上已经安设了全球搜救收发设备，开创了全球导航卫星系统增添SAR功能的先河。现代化后的GPS卫星，也将具备险情警报能力（其系统名为Distress Alerting Satellite System，DASS）；此外，我国的北斗卫星导航系统和GLONASS全球导航卫星系统也将增添全球搜寻援救功能。因此，GNSS/SAR技术的发展与应用，是值得我们关注的。本文主要简要论述Galileo/SAR功能和GPS的DASS险情警报能力，因而提出了需要研制适应全球搜寻援救需求的GNSS接收机的课题。

2　Galileo/GPS系统的近况

在《全球导航卫星系统及其应用》一书的相关章节中，笔者较详细地论述了Galileo/GPS系统，此处只对其近况作简要论述。

2.1Galileo系统的近况

Galileo卫星星座是由30颗中轨（MEO）卫星（27颗工作卫星+3颗在轨备份卫星）和3颗静地轨道（GEO）卫星构成的。3颗静地卫星分别为定点在西经15.5°的Inmasat III AOE-E卫星、定点在东经25.0°的Inmasat III F5卫星和定点在东经21.5°的ESA Artemis卫星。由30颗中轨卫星构成的核心星座均匀分布在3个轨道上，而Galileo MEO卫星的轨道高度是23,616km，轨道倾角为56°。自2011年10月以来，不断发射Galileo工作卫星，以便组成Galileo工作星座；计划2019年完成30颗卫星的发射任务，建成Galileo系统。

依据“Galileo OS SIS ICD, Issue 1.1，September 2010”的公示，Galileo卫星采用下列五个载波频率发送导航信号：1575.420(E1)，1278.750(E6)，1191.595(E5)，1176.450(E5A)，12 0 7.14 0 (E 5 B)。G a l i l e o公用信号，采用1575.420MHz(E1)，1207.140MHz(E5B)，1278.750MHz(E6)三个载波。E1载波频率与GPS第一导航定位信号的载波频率(fL1)是一致的，采用BOC调制隔离两者的测距码，而互不干扰（详见刘基余的《全球导航卫星系统及其应用》一书的§1.5所述）。E5A载波和E5B载波调制着Galileo卫星导航电文，后者是分别用伪噪声码CI和伪噪声码CQ进行扩频传送的，两者的数据传输率分别为50sps和500sps。2015年9月11日和12月17日成功地分别发射了第9颗和第10颗Galileo工作卫星与第11颗和第12颗Galileo工作卫星，并进入目标轨道正常运行；2014年8月发射升空后未能进入目标轨道的第5颗和第6颗Galileo工作卫星，现在经过对它们的轨道调整，也能够正常运行了；因此，Galileo工作星座的顺利建成，是指日可待的。

据清华新闻网报道，2013年5月5日，该校电子工程系卫星导航技术研究室在北京地区成功地接收到了在轨的4颗Galileo IOV卫星所发送的导航信号，并实现了精度为±10m的三维位置测定。

2.2GPS系统的近况

自1989年2月14日第一颗GPS工作卫星的入轨运行以来，GPS系统已经为全球广大用户在陆、海、空、天领域服务了20余年的导航定位。21世纪初，GPS卫星全球定位系统的空间部分和地面监控系统，都在实施现代化，于2010年8月1日发射了第一颗Block IIF卫星（第三代工作卫星），从而形成用3个GPS信号（L1，L2，L5）同时进行导航定位的新格局（如图1所示）；且拟于近年开始发射Block III卫星，并在Block IIF卫星所发导航定位信号的基础上，在第一导航定位信号（L1）上增加一个民用测距码—— L1-C码，致使民间用户能够用Block(GPS) III卫星的3个GPS信号（L1，L2，L5）和4个民用测距码同时进行导航定位测量。2000年5月1日，时任美国总统克林顿宣布：即日起停止对GPS卫星实施SA技术，这标志着GPS现代化的开始。中止SA技术，使我们GPS非特许用户能够获得较稳定的±30m左右的单点定位精度；在Block II-R，Block IIR-M，Block IIF所构成的定位星座条件下，全球GPS用户能够获得±5.6m的二维单点定位精度，而GPS双频单点静态定位的三维位置均方根差则随着观测时间的增长而降低（如图2所示）。例如，半小时观测的三维位置均方根差为±20cm左右，而一个半小时观测的三维位置均方根差则在±10cm以内。2015年10月30日，第11颗Block IIF卫星成成发射入轨运行。

图1　用3个GPS信号（L1，L2，L5）同时进行导航定位

图2　21世纪初期GPS双频单点静态定位的三维位置均方根差

依据2016年1月5日观测资料，在轨工作的GPS卫星共有31颗（如表1所示），它们是：1990年11月发射的1颗Block IIA卫星、1997年7月～2004年11月发射的12颗Block IIR卫星、2005年9月～2009年8月发射的7颗Block IIR-M卫星、2010年5月～2015 年10月发射的11颗Block IIF卫星；1990年11月26日发射的Block IIA卫星已在轨工作了25余年。这31 颗Block IIA/IIR，IIR-M，IIF卫星所发送的导航定位信号是存在差别的（详见刘基余的《全球导航卫星系统及其应用》一书的第三章所述）。

表1　2016年1月5日31颗在轨GPS工作卫星的基本参数

1　2　II-R　06.11.04　22.11.04　133.5 2　1　II-F　16.07.11　14.10.11　50.8 3　21　II-R　31.03.03　12.04.03　152.9 5　11　II-R　07.10.99　03.01.00　192.2 6　6　II-F　17.05.14　10.06.14　18.9 D 1　20　II-R　11.05.00　01.06.00　187.3 2　22　II-R　21.12.03　12.01.04　143.9 3　5　IIR-M　17.08.09　27.08.09　76.3 4　18　II-R　30.01.01　15.02.01　178.8 5　32　II-A　26.11.90　10.12.90　301.1 6　10　II-F　30.10.15　09.12.15　0.9 1　3　II-F　29.10.14　12.12.14　12.8 E 1　14　II-R　10.11.00　10.12.00　181.0 2　15　IIR-M　17.10.07　31.10.07　98.2 3　13　II-R　23.07.97　31.01.98　215.3 4　23　II-R　23.06.04　09.07.04　138.0 9 II-F　02.08.14　17.09.14　15.6 F

GPS现代化，不仅使全球广大用户能够用GPS动态载波相位测量获得厘米级精度的3维实时点位坐标，而且能够用L1-C/A码和L1-C码伪距测量解获得米级的单点定位精度。此外，第四代GPS卫星Block III也正在研制之中。Block III卫星除了具有现行GPS卫星的全部功能以外，还增强下列作用：维护航空飞行/火车行驶的安全；提供飞机精密着陆导航服务；跟踪货物安全运输；精细农业；城市规划；矿藏开采。

3　Galileo全球搜寻援救

Galileo系统不仅具有与GPS系统相同的全球导航定位功能，而且还具有全球搜寻援救（SAR，search and rescue）功能，能够接收和处理来自遇险用户的求援信号，实施及时援救。Galileo全球搜寻援救功能，是基于COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统，后者使用高度为850～1000km的6颗卫星为全球包括极区在内的海上、陆上和空中提供遇险报警及定位服务，以使遇险者得到及时有效的救助。COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统的主要缺点是：用户信标的定位精度差，仅能达到±5km左右，给及时援救带来较大的难度；求救报警能力差，用户信标发送的求救信号需要经过几十分钟的传递时间才能够获得救助信息，难以实现及时援救。Galileo/ SAR功能能够很好克服COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统的主要缺点，而实现全球陆海空遇险者的实时搜救。为此，现已发射的4颗Galileo IOV卫星（MEO），均安置了全球搜救收发设备，以便验证Galileo/SAR功能。图3展示了Galileo IOV卫星的全球搜救收发天线的安设位置。

图3　Galileo卫星上的全球搜救收发天线安设位置

值得一提的是，1998年1月26日，北京卫星搜救网络站顺利地通过了国际卫星搜救组织的入网测试，进入了全功能运行状态，能够为我国所有陆地疆土和绝大部分的海域实施COSPAS-SARSAT全球卫星搜救。此外，香港和台湾地区分别建设了各自的卫星搜救网络站。由此看来，我国广大用户也能够采用Galileo/SAR功能，实施陆、海、空遇险用户的卫星搜救。

图4　Galileo全球搜寻援救功能

从图4可知，Galileo/SAR功能是充分利用COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统的地面援救网络，进而对遇险用户信标引入高精度。例如，仅用单频Galileo信号定位，就能够达到15m的二维定位精度，它的置信度均为99.5%。此外，Galileo/SAR能够向遇险用户发送信号，告知其所处险境已被探测到，其救援工作已在积极进行之中。2013年3月，欧空局仅用4颗在轨Galileo IOV卫星导航信号的仿真试验结果表明，77%的模拟遇险用户可达2km范围内的救援定位，而95%的模拟遇险用户可达5km范围内的救援定位。Galileo任务控制中心能够在一分半钟内检测到所有的警报用户，这高于10分钟检测到所有警报用户的设计要求。Galileo全球搜寻援救的特点可以概括为下列几点：

（1）显著提高信标定位精度，实现快速发现遇险用户。当(27+3) Galileo星座于2019年运行后，采用Galileo信号测距码定位的遇险用户信标，仅用单频Galileo信号定位，就能够达到15m定位精度；若采用双频Galileo信号测距码定位，则能够达到4m的定位精度；而现行的COSPAS-SARSAT信标定位精度约为5km。因此，根据Galileo全球搜寻援救服务提供的信号与数据，可准确地确定遇险用户的位置，从而能够大大缩小搜索范围，极大地改善现有搜索与救援系统性能。

（2）覆盖全球搜寻，实现无缝救援。COSPASSARSAT信标作用距离有限，只能够在有限的区域内实现搜索与救援；而Galileo卫星信号覆盖全球，从而实现了全球范围的搜索与救援。

（3）用户遇险信号传输快，提高遇险搜救作业效率。由于Galileo/SAR提供的搜索与救援服务，它的通信功能直接通过Galileo卫星完成，使得传送求救信号到控制中心的时间短（大约1min）；然而COSPAS-SARSAT传输时间最多需要几十分钟，该系统的实时报警性能差。因此，采用Galileo/SAR能够实现近乎实时的救援，从而减少报警时间，提高遇险搜救作业效率。

（4）双向发送搜救作业信号，缩短遇险用户求救时间。Galileo/SAR的搜救转发器除了向地面救援中心发送搜索与救援信号以外，同时还转发COSPAS-SARSAT地面站接收遇险电文的确认信息，从而缩短了遇险用户求救时间，这是COSPASSARSAT无法实现的。

从上述Galileo全球搜寻援救的特点可知，Galileo/SAR显著地增强了COSPAS-SARSAT的搜索功能。将来，Galileo/SAR与现有COSPASSARSAT服务协调，并与全球海上遇险与安全系统（GMDSS）兼容，将进一步加强全球搜救服务性能，使遇险用户与搜救中心之间具有交换简短信息的功能。

4　GPS险情警报卫星系统

GPS现代化后，GPS卫星将具备险情警报能力，称之为GPS险情警报卫星系统（Distress Alerting Satellite System，DASS，如图5所示），它可看作为现行COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统的外部增强系统，而增强了它的快速搜救能力。Block Ⅲ卫星通过L6(1544MHz)信号及时播发遇险呼救信息至地面搜救中心，将增强现有的国际COSPASSARSAT全球卫星搜救系统的搜救能力。

图5　GPS险情警报卫星系统

GPS险情警报卫星系统的主要特点是：

（1）险情警报响应速度快捷。GPS星座所具备的DASS，能够迅速地将遇险者所在位置报告给援救协调中心，进而协调援救。

（2）快速定位遇险者。GPS现代化后的单点定位精度可达米级，因此，能够将援救准确度提高到方圆一千米范围内，而及时地援救遇险者。

（3）实现无障碍地险情报警。在地球上任何地方、任何时候和任何气象条件下，只要遇险者能够及时使用信标收发机联系，DASS用户就能够获得及时援救。遇险信标使用三种频率发送遇险信号（121.5MHz，243MHz，406MHz），当用户遇险后，遇险信标可以通过人工激活，或者由遇险时的撞击、水浸而自动激活（信标激活后可以存活48小时），发出121.5/406MHz的遇险报警信号，经卫星转发后，由报警接收站接收，并将遇险用户的精确位置发送给援救协调中心，后者将立马组织搜救（如图5所示）。这便于航海、航空、长途运输、地质勘探、科学考察、登山探险等一些领域的遇险报警应用。

从上可知，GPS险情警报卫星系统显著增强了以美国和俄罗斯的极地卫星（LEOSAR）和4颗美国静地卫星（GEOSAR）构成的COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统的搜救能力，能够为遇险者提供准确而快捷的援救服务。

5　结束语

全球导航卫星系统，人们多认为它是用于卫星导航定位的，随着用户的应用需求扩大，巧妙地将它与COSPAS-SARSAT全球卫星搜救系统结合起来，成为未来全球导航卫星系统一个重要的应用领域，这是值得我们关注的！

从上述可知，Galileo/SAR搜救服务的程序是，处于求救状态的用户激活搜索救援信标，并向Galileo卫星发出一个求救的遇险电文信号，Galileo卫星通过一个特定的406MHz搜索天线检测发现该信号后，将它放大和变频后，以1154MHz-1545MHz频段的信号下行传送用户遇险信息给COSPAS-SARSAT地面站，再经地面站转发至救援协调中心，对电文作进一步处理。COSPASSARSAT地面站随即向Galileo地面站发出确认电文，Galileo地面站通过上行链路发送接收到的报警电文的确认信息到遇险用户的在视Galileo卫星，再由卫星转发器发回到发出报警的信标，电文包含在Galileo导航信号中，装备了Galileo/SAR接收机的用户即可接收该信号，从而实现Galileo/SAR的迅速搜索与救援服务。

作为案例，本文简要地论述了Galileo/SAR功能和GPS的DASS险情警报能力，也许这两者能够给我们建设北斗卫星导航系统提供参考。文中还提出了需要研制适应全球搜寻援救需求的GNSS接收机的课题，它是具有广阔应用前景的。例如，将GNSS/ SAR接收机装备在民航飞机上，万一遇险需要，即可在数分钟内获得遇险失事位置，可以省略多国出动舰船和飞机搜寻，从而节省大量人力和财力。

[1] 刘基余．全球导航卫星系统及其应用．北京：北京测绘出版社，2015.5

[2] Galileo to support global search and rescue.http://www.esa.int/esaCP/ SEMZAJUL05F_Improving_0.html, 9 August 2007

[3] NASA GSFC Search and Rescue Office. http://searchandrescue.gsfc.nasa.gov/

For Adapting the SAR Function to the GNSS Receivers to Await the Research and Development --Transmitting/receiving Issue(16) of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
(School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, 430079)

In recent years Global Navigation Satellite System (GNSS) increases ceaselessly a new function: search and rescue(SAR). It can broaden the applications of GNSS signals. Since October 2011 Galileo IOV satellites (MEO) have installed the sending and receiving equipment for the global search and rescue. This has set a precedent to increase the SAR function for Global Navigation Satellite System(GNSS). This requires the Research and Development for adapting the global search and rescue function to the GNSS receivers.

Global Navigation Satellite System; Galileo IOV satellite; Global search and rescue

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.001

TN96

A

1672-7274（2016）02-0001-05

刘基余，现任武汉大学测绘学院教授/博士生导师，兼任美国纽约科学院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中国电子学会会士。主要研究方向是GNSS卫星导航定位/卫星激光测距技术，在国内外30余种中英文学术期刊上发表了280余篇相关研究论文，独著了（北京）科学出版社于2013年1月出版发行的《GPS卫星导航定位原理与方法》一书。他的主要业绩已分别载于美国于2001年出版发行的《世界名人录》（Who's Who in the World）、美国于2005年出版发行的《科技名人录》（Who's Who in Science and Engineering）和中国科学技术协会于2007年出版发行的《中国科学技术专家传略》工程技术编《电子信息科学技术卷2》等50多种国内外辞书上。