GNSS星地协同运行研究现状及技术展望

黄双临，王冬霞,2,3，郭 睿,2,3，刘晓萍，李晓杰，毛 潇

GNSS星地协同运行研究现状及技术展望

黄双临1，王冬霞1,2,3，郭 睿1,2,3，刘晓萍1，李晓杰1，毛 潇1

（1. 32021部队，北京 100094；2. 大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077；3. 中国科学院 上海天文台，上海 200030）

为了进一步研究北斗系统星地协同运行相关技术，通过介绍GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4大GNSS星地协同运行现状，总结出星地协同运行的关键性问题，得出对我国卫星导航系统建设的几点启发，最后给出我国星地协同运行的研究重点和发展方向的建议，以期为我国卫星导航系统的发展建设提供参考。

全球卫星导航系统；星地协同运行；北斗卫星导航系统

0 引言

全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）是指在全球范围提供定位、导航、授时（position navigation and timing, PNT）服务的卫星导航系统总称，目前4大GNSS包括美国的全球定位系统（global positioning system, GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、欧洲的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）、以及中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）。作为国家重要的基础设施，GNSS在国民经济建设中占有重要的位置，直接关系到国家安全和经济建设的发展，其安全性、可靠性和稳定性是基础[1-3]。

目前，各导航大国卫星导航系统的主要运行模式是地面运控模式，即通过地面运控系统对卫星星座进行运行管理，完成各项导航业务的处理，实现整个卫星导航系统的星地协同运行，以满足陆、海、空、天等各类军民用户PNT的使用要求。同时，随着机动锚固技术及星间链路技术的发展，卫星导航系统星地协同运行模式主要包括3种：地面运控模式、锚固支持模式、星座自主导航模式[4-7]。

BDS是我国自主研制的卫星导航系统，按照3步走的发展战略，已于2016年启动第三代北斗卫星导航系统（简称北斗三号）的研制建设，计划于2020年左右实现全球导航。北斗三号不仅包括基本导航服务、星基增强服务，还包括GPS、GLONASS、Galileo等不具备的定位报告服务。三大服务共存增加了星地协同运行的难度，且无任何现成的经验可以借鉴。因此，如何从卫星和地面运控系统等多个角度进行优化设计，最终提出一整套星地协同运行和模式切换策略，是我国导航系统发展过程中亟需解决的一个研究热点。

1 4大GNSS星地协同运行研究现状

1.1 GPS星地协同运行模式研究现状

早期GPS只有地面运控模式，但为了提高GPS在战时或重大灾害条件下的生存能力，文献[8]在20世纪80年代初期开始研究星座自主导航技术，并于1984年提出了星座自主导航的基本框架。目前，在轨运行的GPS Block IIR、GPS Block IIF、GPS III/IIIF卫星均具有自主导航能力[4]。

为实现GPS星座自主导航运行，美国主要开展了3个方面的研究[9-10]：一是星间链路测量研究；二是星间链路通信研究；三是高精度自主导航算法研究。最终Block IIR卫星的星间频段为特高频（ultra-high frequency，UHF）无线电波，测量通信方式为时分多址（time division multiple access，TDMA）。事实上，由于星座自主导航模式中的星间观测量是相对量，其结果将导致星座整体旋转，因此GPS III总体设计阶段论证了地面“锚固站”作为自主导航空间基准的可行性。研究结果表明，一个锚固站就可以避免星座整体旋转，同时能提高自主导航精度[11-13]。

综上所述，GPS星地协同运行模式包括地面运控、地面锚固支持和星座自主导航3种大系统运行模式，而且随着GPS III的逐步发射，地面锚固支持与星座自主导航模式的协同工作机制将会越来越紧密。但与BDS相比，GPS的单一中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO）卫星架构降低了系统星地协同运行的复杂度。

1.2 GLONASS星地协同运行模式研究现状

为了弥补区域布站的不足，提高GLONASS的生存竞争能力，俄罗斯在研究GLONASS M及K系列卫星时规划论证了自主导航功能。考虑到星座自主导航模式中星间测量相对量可能引起星座整体旋转的问题，GLONASS采用星间链路地面主控站辅助自主导航运行的模式[14-15]。

因此，GLONASS星地协同模式包括地面运控和星座自主导航2种大系统运行模式。

1.3 Galileo星地协同运行模式研究现状

欧洲的Galileo在方案设计攻关阶段也论证了星间链路和自主导航技术。目前尚无配置星间链路设备的卫星发射入轨，但在可预见的将来，星座自主导航模式也是Galileo大力发展的一个方向[16]。

1.4 BDS星地协同运行模式研究现状

我国的BDS正处在全球系统的研制建设攻坚阶段，杨元喜、谭述森等国内知名专家指出，星座自主导航是北斗三号的重要发展方向[1-2]。根据BDS建设纲要，将在2020年底为全球范围的陆、海、空、天各类用户提供导航、定位、授时、位置报告等服务，具备地面运控、锚固支持、星座自主导航等3种星地协同运行模式。

综上所述，GPS、GLONASS、Galileo、BDS等卫星导航系统根据各自发展战略已在星地协同研究方面投入了大量时间和资源，在运行模式论证上取得了丰硕的成果。GNSS运行模式总体上分地面运控模式、地面锚固支持模式和星座自主导航模式，其中地面运控模式是主要模式和常态运行模式，地面锚固支持模式与星座自主导航模式是发展趋势。

2 星地协同运行关键技术

2.1 星地协同运行模式

2.1.1 地面运控模式及工作流程

在地面运控模式下，卫星导航系统常规运行，卫星导航任务处理单元正常发播地面运控上注星历。星座自主导航保持后台运行，生成自主导航星历但不发播；地面锚固设备提供锚固功能。

地面运控模式是一种以地面主控站为中心的星地协同运行模式，主控站主要任务是收集系统导航信号监测、时间同步观测比对等原始数据，进行卫星无线电导航业务（radio navigation satellite service, RNSS）处理、卫星无线电测定业务（radio determination satellite service, RDSS）处理、星地/站间时间同步比对观测等；注入站主要任务是配合主控站完成星地/站间时间同步比对观测；监测站主要任务是对卫星进行连续观测，为系统提供实时观测数据。其运行如图1所示。图1中：IGSO（inclined geosynchronous orbits）为倾斜地球同步轨道；GEO（geostationary Earth orbit）为地球静止轨道。

在这种模式下，运控系统在其建立和维持时空基准的基础上，利用其收集的多种观测数据完成整个导航星座的卫星轨道和钟差测定、电离层模型参数的综合解算，生成每小时更新的导航电文，并向卫星注入导航数据和自主导航辅助数据，对卫星自主导航进行评估，工作流程如图2所示。

图1 地面运控模式运行图

2.1.2 地面锚固支持模式及工作流程

在地面锚固支持运行模式下，地面运控系统无法正常工作，不能完成导航电文的注入。卫星系统无法单独借助地面运控注入信息完成正常导航，自主生成导航电文并通过下行信号向用户播发。地面运控具备锚固功能，与星座完成Ka频段精密测量、时间同步，可生成自主导航辅助数据，并通过Ka链路向卫星注入。其运行模式如图3所示。

图3 地面锚固支持模式

在这种模式下，星间链路完成指定卫星的星地/星间双向测量、星间数据传输等工作，完成基于卫星的系统时间产生与维持以及星地/星间时间同步。锚固站作为伪卫星和地面辅助部分，最少需要在每隔7 d时间段内完成一次连续12 h的星地/星间双向测量和数传任务，进行时间同步滤波处理，实现锚固站与卫星的时间同步。锚固站可完成自主导航辅助信息的上注，工作流程如图4所示。

图4 地面锚固支持模式的工作流程

2.1.3 星座自主导航模式及工作流程

在星座自主导航模式下，地面运控系统不能正常工作，由卫星系统单独实现。卫星利用星间测量和地面辅助信息，进行卫星自主定轨及时间同步，并利用地面运控模式下或锚固支持模式下地面注入的辅助数据，完成导航星历参数更新，更新的自主星历发送到卫星导航任务处理单元，转化为下行导航信号并发播。在星座自主导航模式下，系统包括空间星座部分和用户设备部分。此模式是一种战略储备性运行模式，仅基本导航业务能保持大约60 d的运行，而星基增强业务、定位报告业务均不能运行。其运行图如图5所示。

图5 星座自主导航模式

在这种模式下，星间链路设备完成指定卫星的星间双向测量、星间数据传输等工作，完成基于卫星的系统时间产生与维持以及星间时间同步。根据地面上注的辅助信息，进行部分必要的数据处理，并预报生成卫星导航星历。按要求自主判断导航模式切换，接收并执行从地面监控部分发射的控制指令，工作流程如图6所示。

图6 星座自主导航模式的工作流程

2.2 星地协同状态切换策略

综合3大星地协同运行模式及其工作流程，状态切换策略是：地面运控模式是系统的常态运行模式；当运控系统主控站受到人为或自然因素破坏不能正常工作时，切换为地面锚固支持模式，由地面锚固站和测控系统共同参与卫星导航；当运控、锚固站、测控均全部失效时，切换为星座自主导航模式，卫星综合利用星间测量和地面运控上注参数更新导航星历；在此变换期间，如地面运控模式工作状态恢复正常，再恢复到地面运控模式运行。

3 对我国星地协同运行模式的启迪

从4大GNSS星地协同运行研究现状来看：美国从20世纪80年代初开始研究星座自主导航相关技术，目前尚未完全实现GPS星座自主导航模式，仅通过地面试验验证了地面锚固支持模式和星座自主导航模式运行的可行性。美国将在GPS III的建设攻关中，进一步推进星地协同运行关键技术的研究。

对我国BDS来说，只有地面运控主站模式经过工程验证，而随着北斗三号配备星间链路设备，其星地运行模式必然包括地面运控、地面锚固支持和星座自主导航3种，因此对我国北斗三号来说，其面临的技术挑战主要如下：

1）星地协同运行方案的复杂程度前所未有：卫星由3种轨道卫星组成，服务能力不仅包括基本导航服务、星基增强服务，还包括BDS独有的定位报告服务，3大服务共存增加了星地协同运行的难度，且无任何现成的经验可以借鉴。此外，地面站数量众多、管理卫星数量众多、天线类型复杂、信号体制多样，均是星地协同运行需要考虑的因素。因此，北斗三号星地协同运行方案的复杂程度前所未有。

2）星地协同运行方案的风险控制有待具体化：地面运控、地面锚固支持和星座自主导航3种运行模式在切换过程中，难免造成服务性能的变化。如何在星地协同运行方案中，对切换过程中和切换后进行有针对性的具体化的风险控制措施研究，实现模式间的快速稳定切换，最大程度地保证各类用户服务信息的连续稳定，是我国未来导航系统亟需且必须解决的一个研究方向。

4 未来我国星地协同运行技术展望

综合分析国内外研究现状和关键技术研究现状，星地协同运行和状态切换的风险控制技术、高可靠性指标体系分析技术是我国未来导航系统星地协同运行领域亟需研究的发展方向。

1）星地协同运行和状态切换的风险控制技术。北斗三号相对于北斗二号的复杂程度全面提升，按照关键系统、关键分系统、关键设备，从主控站、注入站、监测站角度逐级梳理系统单点风险，有利于掌握北斗三号地面运控系统在状态切换中可能发生的风险。并对可能发生切换风险的任务进行逐级分解，有利于保障地面运控系统连续稳定的运行。同时，对卫星可能发生的风险，从软件适配性角度分析研究，更好地保障用户的服务性能。

针对北斗三号研制厂家多、设备多、国产化要求严格等一系列问题，从技术风险和管理风险角度出发，充分借鉴北斗二号成功研制建设的经验，通过制订工作策划方案明确分专业总体的责任和权利，及与系统总体、分项目研制单位的关系，吸纳北斗二号承研设备使用情况和关键技术攻关成果情况，积极督促攻关单位加快攻关新增技术内容，以控制技术风险，为北斗三号建设构建科学合理、经济可行的风险控制路线图。

2）高可靠性指标体系分析技术。立足于3种运行模式，在现有北斗二号测试评估体系中，按照“服务可靠性指标→大系统运行可靠性指标→工程各系统运行可靠性指标→关键子系统/单机可靠性指标”的层次划分，梳理选取与大系统可靠性相关的指标参数，在此基础补充完善北斗三号可靠性测试评估内容，并研究提出相应的测试评估方法。收集在轨卫星监测评估数据，利用系统测试评估集成平台，完成对大系统可靠性指标的监测评估。重点将星间链路可靠性纳入大系统可靠性指标的体系，考虑星间链路对大系统可靠性指标实现的改进或影响，提出对星间链路可靠性的设计要求。

3）高可靠主备协同工作技术。主备协同工作的主要目的是保证各类服务的连续稳定。在主控站异常、故障等服务可能中断情况下，针对主备站的关键系统、关键分系统和关键设备的可靠性要求，通过合理优化的运控模式变换设计，最大程度地确保星地协同运行模式切换过程中和切换后3大业务的连续运行，最终实现各类用户服务信息的连续稳定，研究一套面向北斗三号、工程应用化强的主备协同控制方案，都是我国卫星导航系统建设攻关过程中亟待解决的紧要问题。

5 结束语

本文详细介绍了GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4大GNSS的星地协同运行研究现状，并分层次介绍了星地协同运行的关键技术问题，最后得出对我国卫星导航系统建设的启迪，并指出我国星地协同运行的发展趋势体现在星地协同运行和状态切换的风险控制技术、高可靠性指标体系分析技术、高可靠主备协同工作技术等方向。

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Status and development of GNSS satellite-ground coordinated operation

HUANG Shuanglin1, WANG Dongxia1,2,3, GUO Rui1,2,3, LIU Xiaoping1, LI Xiaojie1, MAO Xiao1

（1. Troops 32021, Beijing 100094, China; 2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Wuhan 430037, China; 3. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China）

In order to further study the technology of satellite-ground coordinated operation for BDS, the paper introduced the status of the coordinated operation in the four main GNSS of GPS, GLONASS, Galileo and BDS respectively, summarized the key technical points, and gave some enlightenment on the construction of satellite navigation systems in China, finally sugggested the research emphases and development directions of Chinese satellite-ground coordinated operation. The result would provide a reference for the development and construction of satellite navigation systems in China.

global navigation satellite system; satellite-ground coordinated operation; BeiDou navigation satellite system

P228

A

2095-4999(2019)03-0001-06

2019-01-14

国家自然科学基金项目（61603397，41874043，41704037）；大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金项目（SKLGED2017-3-3-E）。

黄双临（1975—），女，浙江临海人，硕士，高级工程师，研究方向为卫星导航系统运行管理技术、故障诊断及容错技术。

王冬霞（1985—），女，河南新乡人，博士，高级工程师，研究方向为卫星导航系统星间路技术、自主导航技术、故障诊断及容错技术。

黄双临，王冬霞，郭睿，等.GNSS星地协同运行研究现状及技术展望[J].导航定位学报,2019,7(3): 1-6.（HUANG Shuanglin, WANG Dongxia,GUO Rui, et al.Status and development of GNSS satellite-ground coordinated operation[J].Journal of Navigation and Positioning, 2019,7(3): 1-6.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190301.