导航装备研究进展及展望

谢金石，陈 霄，王冬霞，辛 洁，郭 睿

导航装备研究进展及展望

谢金石1，陈 霄2，王冬霞3，辛 洁3，郭 睿3

（1. 32020部队，武汉 430074；2. 北京卫星导航中心，北京 100094；3. 32021部队，北京 100094）

为了进一步服务我国卫星导航系统的发展建设，通过介绍4大全球卫星导航系统的建设概况，系统总结出观测监测装备、天线装备、精密测距码装备、加解密装备、测试装备等关键单机导航装备的发展现状，并给出导航装备亟须解决的重点研究方向。

全球卫星导航系统；导航装备；关键单机

0 引言

全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）是能在地球近地空间内的任何地点、任何时间为用户提供坐标、速度和时间信息的空基无线电导航定位系统[1]。导航装备技术的发展直接决定着GNSS的综合性能。

目前，国际上比较完善的4大GNSS分别是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）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）和中国的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）[2]。本文介绍了4大GNSS的建设概况，并给出观测监测装备、天线装备、精密测距码（precise ranging code module, PRM）装备、加解密装备以及测试装备等关键单机类导航装备的发展现状与研究展望。

1 4大GNSS建设概况

1.1 GPS建设概况

GPS是美国国防部于1973年开始研制的GNSS，目的是：①用于精确武器投放；②提供统一的导航定位授时服务。星座由至少24颗中圆地球轨道（medium Earth orbit, MEO）卫星构成，分布在3个轨道面上，每个轨道面至少8颗，轨道倾角55°，轨道平面等间隔沿赤道分布，轨道高度20200 km，卫星轨道周期为12 h。这样的轨道高度为半同步轨道，可产生重复地迹，不但有良好的覆盖性，且便于备份星的分布。这种星座可使用户在任何时间、任何地点均有6~11颗可观测卫星[3]。截至2019年1月9日，GPS拥有31颗在轨卫星，利用时分多址（time division multiple access, TDMA）方式、基于特高频无线电波（ultra high frequency, UHF）进行在线测量定位，其中定位精度是3 m，授时精度是3 ns[4-5]。构型示意如图1所示。

图1 GPS星座示意图

GPS卫星正在更新为GPS III新型导航卫星，第一颗GPS III卫星于2018年12月成功发射，目前处于在轨测试阶段。采用GPS III卫星的GPS系统预计单点定位精度优于1 m，授时精度为1~2 ns，将采用空分多址（space division multiple address, SDMA）方式进行测量通信；星间链路采用Ka频段，信号播发方式为点对点传输方式：这将很大程度地提高系统的安全性[6-7]。

1.2 GLONASS建设概况

GLONASS是苏联研发的GNSS，其目标是99%以上地球表面在任意时刻都有5颗以上卫星可视。GLONASS星座由24颗MEO卫星组成，分布于3个轨道面内，轨道倾角为64.8°，轨道高度约为19100 km，轨道周期约为11 h 16 min。GLONASS采用频分多址（frequency division multiple address, FDMA）方式进行测量通信，定轨数据主要采用L波段测距信息，激光测距信息进行辅助[8-9]。

至2019年3月31日为止，GLONASS拥有在轨运行卫星24颗，广播星历精度优于5 m。GLONASS正在研制新型的K/M系列卫星，同时采用码分多址（code division multiple address, CDMA）方式进行测量通信，便于和GPS、Galileo以及BDS等兼容。

1.3 Galileo建设概况

Galileo由30颗MEO卫星组成，其中6颗为备份星，卫星平均分布在3个倾斜轨道面上，轨道倾角为56°，轨道高度为23222 km，轨道面相互间隔120°。Galileo星座的目标是：用户等效距离误差（user equivalent range error, UERE）优于65 cm，全球95 %用户得到的水平精度为15~24 m，同时垂直精度优于35 m[3,10]。

至2019年4月12日为止，Galileo拥有在轨卫星18颗，广播星历精度优于10 m，预计2020年左右完成全部星座卫星部署，并进入工程应用阶段。

1.4 BDS建设概况

BDS是中国自主研发的卫星导航系统，按照三步增量建设分阶段实施发展规划：①1994年至2000年，2颗地球静止轨道（geostationary Earth orbit, GEO）卫星，实现双星定位；②2001年至2012年，5颗GEO卫星、5颗倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）卫星、4颗MEO卫星，实现亚太地区的定位测速授时和通信服务；③2013年至2020年，3颗GEO卫星、3颗IGSO卫星、24颗MEO卫星，实现全球的定位导航授时和短报文服务[10]。2018年12月27日，BDS开通基本导航服务，标志着中国正式迈入全球即第三代北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system with global coverage, BDS-3）时代。

截止2019年4月12日，BDS在轨卫星数为33颗，全球地区定位精度为10 m，亚太地区定位精度为5 m。

2 关键单机装备发展现状

导航装备包括空间段、地面段、用户端的相关装备，其中地面段关键单机装备共包括5类：观测监测装备、抛物面天线装备、PRM及注入设备、加解密装备、测试装备等，本文调研并归纳了其发展现状及未来发展趋势。

2.1 观测监测装备发展现状

要提高卫星导航系统的定位导航授时精度，首先要建立全面立体的导航系统观测网，而这离不开观测监测装备的发展。

对卫星导航系统来说，观测监测装备包括BDS/GNSS监测接收机、卫星无线电测定业务（radio determination satellite service, RDSS）监测接收机。BDS/GNSS监测接收机通过对BDS卫星的无线电导航业务（radio navigation satellite system, RNSS）信号和其他GNSS卫星非授权导航信号的连续跟踪观测，获取伪距、载波相位和导航电文等信息，为BDS基本导航、星基增强、系统时差监测等业务处理提供原始观测数据。RDSS监测接收机响应BDS导航卫星播发的RDSS出站信号，完成RDSS定位、报文通信、位置报告和信号电平测量等功能，实现系统RDSS业务性能监测，为系统GEO导航卫星精密定轨业务处理提供支持[11-13]。

2.2 天线装备发展现状

随着航天技术的发展，要求天线有越来越高的灵敏度和分辨率，而增大有效接收面积和降低噪声温度是实现该目标的有效途径之一。因此，大口径抛物面天线应运而生。

天线装备是卫星导航系统的核心装备，实现上行信号注入、下行信号接收以及站间卫通信号收发，主要由天馈子系统、结构子系统、伺服控制子系统等组成，配置多频段馈源。另外，天线装备还可以实现实时导航信号质量监测，发现异常现象，指导对在轨卫星操作干预，为分析其信号质量、优化改进信号生成过程、在轨操作动作及军事应用情况提供参考，并作为卫星是否继续保持服务的决策依据[14-15]。

2.3 PRM装备发展现状

在导航系统的设计和研究中，为了提高系统的安全性和作战能力，需要为导航系统增加防止软件反编译和硬件逆向分析等物理保护措施，为软件代码、关键参数和时效控制参数加密存储，并具有数据和程序的纠错检错能力；因此，关于导航系统PRM装备的研究应运而生[16]。

PRM为精密测距码，相关装备包括PRM模块及PRM注入设备。PRM模块是卫星导航系统精密测距码产生和管理的标准部件，分为上注、站间、信号源、导航信号4种类型。其中：上注型为地面向卫星上注电文提供精密测距码；站间型为站间卫通设备数据传输提供精密测距码；信号源型为模拟信号源提供精密测距码；导航信号模块为监测接收机、星地测量数传接收设备等接收下行导航信号提供精密测距码。对应模块需要研制配套的注入设备以产生和管理注入数据，并对模块进行数据注入和性能测试。

2.4 加解密装备发展现状

全球卫星导航系统是国家的重要信息基础设施，系统安全对国家安全至关重要。为防止对导航数据进行恶意攻击和篡改，需要对其进行加密处理以提高安全性[17-18]。

导航系统加解密装备是对上行注入、站间数传、星间链路对地等发射信息进行加密，对RNSS下行、站间数传、星间链路对地等接收信息进行解密，具有安全保护作用，利用用户身份验证、启用授权等措施防止非法用户使用，包括星地业务加解密装备、站间业务加解密装备、RDSS业务加解密装备、终端解密装备、密码管理装备、加解密测试装备。

2.5 测试装备发展现状

测试装备是导航系统的一类关键单机，主要指导航信号源。导航信号源是卫星导航系统的专用测试设备，其主要作用是模拟仿真产生4大GNSS的射频信号，用于支持开展监测接收机测试。其中BDS卫星播发的导航信号包括：B1I信号、B2I信号、B3信号，B1C、B1A信号，B2a信号、B2b信号，B3A、B3AE信号、B3C信号和Bs信号。GPS卫星播发的非授权导航信号和L2P信号包括：L1 C/A信号、L1C信号、L2C信号，以及L5信号。GLONASS卫星所有非授权导航信号包括：G1 C/A、G2 C/A信号（FDMA），G3OC信号（CDMA）。Galileo卫星播发的公开信号包括：E1B/C信号、E5a信号和E5b信号。

3 我国关键单机装备研究展望

综合分析4大GNSS建设概况和关键单机装备发展现状，观测监测装备的多系统多频点高精度一体化测量技术、大口径天线控制馈线环路时延控制技术、资源受限条件下的PRM模块高安全编码管理技术等将成为我国导航装备亟需研究的发展方向。

3.1 观测监测装备的多系统多频点高精度一体化测量技术

卫星信号需要高精度的伪距、载波相位和多普勒测量，但由于导航观测监测装备接收信号能量弱、多径效应及电磁环境影响，难以实现伪距、载波相位等观测数据的高精度测量。为贯彻BDS“兼容互操作”其他GNSS的原则，BDS观测监测装备需要能够接收BDS及其他GNSS的卫星信号。目前，卫星导航系统包括L、S、C、RDSS多频段导航信号，频率范围约为1.15～2.5 GHz，频率跨度高达1.35 GHz，因此导航监测装备的多系统多频点高精度一体化测量技术是我国未来发展的一个关键技术。

3.2 大口径天线控制馈线环路时延控制技术

根据主要功能和任务要求，大口径天线设计中重点突出“实现多频共用的功能”“时延稳定性保证”和“可靠性和可维修性设计”等设计理念。导航系统中时延变化量的大小是影响系统导航定位精度的重要原因，所以系统对各设备均提出了严格的时延变化量的要求。通过工程试验验证，天线设备各个分机的时延变化量可以精确标定。但是，在跟踪任务期间，天线时延变化量是随机的，无法实时标定。所以如何将馈线环路时延变化量控制在一个合理的范围内是天线研制过程中必须解决的难题，也是我国大口径天线装备未来研究的一个重要方向。

3.3 资源受限条件下的PRM模块高安全编码管理技术

BDS-3不论是星载还是地面PRM模块都面临路数多倍增长的现象，这对有限资源及功耗要求下的PRM模块实现提出了挑战。另外，由于PRM模块的高保密性，安全管理技术成为PRM模块必不可少的关键环节。模块安全管理需要考虑模块自身的安全性及数据注入过程的安全性，同时预留模块管理以及参数分发的安全设计接口。另外，考虑到测试阶段的安全问题，还应增加测试阶段安全性设计。因此，资源受限条件下的高安全编码管理技术是PRM模块未来的发展方向。

3.4 大数据量的高效注入安全管理技术

由于全球系统要求PRM模块并行输出的码路数大大增加，模块所需资源、应用程序大小、关键参数等均有所增加，也极大地增加了模块注入数据量。为了保证PRM模块的快速数据注入，需要研究大数据量的高效注入技术。另外，由于PRM模块的高保密性，注入设备的安全管理技术也成为必不可少的关键环节，主要从注入设备及注入过程2个方面进行安全性设计。在注入设备的安全性方面：注入设备设计具备防攻击、防窃取的能力，确保关键数据及参数的安全性；注入平台内存储的关键参数和注入数据采用高强度的加密存储方法，确保存储过程中不出现明文；同时，在注入设备的操作上进行严格的权限控制。在注入过程的安全性方面，包括身份合法性双向验证、注入数据加密传输等控制。

3.5 加解密装备的高可靠性设计

为了保证密码设备的高可用度，未来加解密装备的发展方向是双机双工自动切换技术。该技术是一种高可用容错技术：容错系统由主备机2台设备组成，实现业务数据的双入单出处理；系统实时性高、处理过程速度快，故障切换时间短，有完善的故障检测机制。该技术采用定时在主备机之间传送心跳协议诊断信息的方式，一旦诊断信号表明主机系统发生故障，备机系统将自动替代主机处理发送数据，保证服务不间断运行。该技术能确保密码设备以24 h无人值守状态连续运行，可以提高系统的可靠性。

3.6 测试装备的多体制多频段信号兼容处理技术

导航信号源需要同时产生4大GNSS信号，同时产生BDS全球信号和区域信号，因此就需要在处理不同二进制偏置载波（binary offset carrier, BOC）体制信号的同时兼容传统的正交相移键控（quadrature phase shift keying, PSK）调制信号处理，多体制多频段信号兼容性处理是导航信号源未来需要解决的重要关键技术。

4 结束语

本文综述了国际上4大GNSS的建设概况，探讨了关键单机装备的发展现状，包括观测监测装备、天线装备、PRM装备、加解密装备、测试装备等。最后指出我国关键单机装备发展趋势体现在观测监测装备的多系统多频点高精度一体化测量技术、大口径天线控制馈线环路时延控制技术、资源受限条件下的PRM模块高安全编码管理技术等技术方向。

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Development and prospect of navigation equipments

XIE Jinshi1, CHEN Xiao2, WANG Dongxia3, XIN Jie3, GUO Rui3

（1. Troops 32020, Wuhan 430074, China; 2. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China; 3. Troops 32021, Beijing 100094, China）

In order to further serve for the development and construction of satellite navigation system of China, the paper introduced the the construction status of the four major global satellite navigation systems including GPS, GLONASS, Galileo and BDS, and summarized the state of the arts related to the critical equipments for stand-alone navigation such as the observation monitor, antenna, PRM, encryption decryption and test equipments, then proposed the key research directions of navigation equipments finally.

global navigation satellite systems; navigation equipment; critical stand-alone engine

P228

A

2095-4999(2019)04-0001-04

谢金石，陈霄，王冬霞，等.导航装备研究进展及展望[J].导航定位学报,2019,7(4): 1-4.（XIE Jinshi, CHEN Xiao, WANG Dongxia, et al.Development and prospect of navigation equipments[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 1-4.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190401.

2019-04-27

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

谢金石（1977—），男，安徽天长人，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装备发展技术、星间路与自主导航技术、故障诊断及容错技术。