刘 健 ,曹 冲
1957年10月4日,苏联成功发射世界上第1颗人造地球卫星,远在美国霍普金斯大学应用物理实验室2个年轻学者接收该卫星信号时,发现卫星与接收机之间形成的运动多普勒频移效应,并断言可以用来进行导航定位。在他们的建议下,美国在 1964年建成了国际上第 1个卫星导航系统即“子午仪”,由6颗卫星构成星座,用于海上军用舰艇船舶的定位导航。1967年,“子午仪”系统解密并提供给民用。由此可见,从20世纪70年代后期全球定位系统(global positioning system,GPS)建设开始,至2020年多星座构成的全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)均属于第2代导航卫星系统,它们包括美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system,GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)和欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system,Galileo)等 4 个全球系统,以及日本准天顶卫星系统(quasi-zenith satellite system,QZSS)和印度区域卫星导航系统(Indian regional navigational satellite system,IRNSS)等 2 个区域系统,其中IRNSS也称为印度星座导航(navigation with Indian constellation,NavIC)。以上除中国之外的5个国家作为GNSS服务提供商均持有相应的星基增强系统,它们分别是:美国的广域增强系统(wide area augmentation system,WAAS)、俄罗斯的差分改正监测系统(differential corrections and monitoring,SDCM)、欧洲的地球静止导航重叠服务(European geostationary navigation overlay service,EGNOS)、印度的 GPS 辅助型静地轨道增强导航系统(GPS aided geo augmented navigation,GAGAN)和日本的多功能卫星星基增强系统( multi-functional satellite augmentation system,MSAS)。而中国由于其卫星导航系统发展之路与其他国家不同,它所建设的北斗二号(BeiDou navigation satellite(regional)system,BDS-2)就是区域系统,而其建设的北斗三号(BeiDou navigation satellite system with global coverage,BDS-3)还包括星基增强系统功能。综上所述,所谓的第 2代导航卫星系统,就是指 GNSS,它是泛指的全球卫星导航系统,是涵盖全球系统、区域系统和星基增强系统在内的系统之系统的概念[1]。那么会不会有第3代导航卫星系统出现呢?应该有,因为所有已经建设全球卫星导航系统的国家均在考虑或者推进卫星导航系统的下一步创新行动计划,也有考虑与通信一体融合的导航星座。
美 国 国 防 部 ( United States Department of Defense,DOD)于 1973年决定成立GPS计划联合办公室,由军方联合开发全球测时与测距导航定位系统(navigation system with time and ranging,NAVSTAR)/GPS)。整个系统的建设分3个阶段实施:第 1阶段(1973—1979年),系统原理方案可行性验证阶段(含设备研制);第 2阶段(1979—1983年),系统试验研究(对系统设备进行试验)与系统设备研制阶段;第3阶段(1983—1988年),工程发展和完成阶段。从1978年发射第1颗GPS卫星,到1994年3月10日完成21颗工作卫星加3颗备用卫星的卫星星座配置,1995年4月,美国国防部正式宣布 GPS具备完全工作能力。GPS的建设历经20 a,其系统由空间段、运控段、用户段3大部分组成,整个星座额定有24颗卫星,分置在6个中轨道面内,它的优良性能被誉为是一场导航领域的革命。GPS提供标准定位服务(standard positioning system,SPS)和精密定位业务(precise positioning service,PPS),在包含选择可用性技术(selective availability,SA)影响时,SPS的定位精度水平为100 m(95 %的概率),不含SA影响为 20~30 m,定时精度为 340 ns;PPS定位精度可在10 m以内[1-3]。
1996年提出GPS现代化计划,其第1个标志性行动是,从2000年5月1日起,取消GPS卫星人为恶化定位精度的 SA技术,致使定位精度有数量级的提升。20多年来,美国持续推进现代化计划,投入200多亿美元的巨资,主要目标是提高空间段卫星和地面段运控的水平,将军民用信号分离,在强化军用功性能的同时,将民用信号从1个增加到4个,除了保留L1频点上的C/A码民用信号外,在原先的L1和L2频点上又加上民用L1C和L2C码,还新增加L5频点民用信号,大大增加了民用信号的冗裕度,从而改进了系统的定位精度、信号的可用性和完好性、服务的连续性,以及抗无线干扰能力;也有助于高精度的实时动态差分(real-time kinematic,RTK)测量和在长短基线上的应用,还有利于飞机的精密进场和着陆、测绘、精细农业、机械控制与民用室内增强的应用,以及地球科学研究[4]。图1为近几代GPS卫星及其未来一代GPSIIIF的主要功性能示意。
图1 近期GPS几代卫星及其未来一代GPSIIIF的主要功性能
GPS现代化是项系统性工作,它包括:空间卫星段、地面运控段、新的运控系统(operational control system,OCX)和用户设备段现代化,其核心是增加L5频点和民用信号数量与改变制式,实现与其他GNSS信号的互操作。最后1颗GPSIIIF预计2034年发射,宣告GPS现代化进程结束。
1976年苏联政府颁布建立GLONASS的政府令,并成立相应的科学研究机构,进行工程设计。1982年10月12日,成功发射第1颗GLONASS卫星。1996年1月24颗卫星全球组网,宣布进入完全工作状态。之后,苏联解体,GLONASS步入艰难维持阶段,2000年年初,该系统仅有7颗卫星正常工作,几近崩溃边缘。2001年8月,俄罗斯政府通过了2002—2011年间GLONASS恢复和现代化计划。2001年12月发射成功第1颗现代化卫星GLONASS-M。直到2012年该系统回归到24颗卫星完全服务状态。图2为GLONASS卫星第1代至第3代主要性能示意[5]。
GLONASS至今已经有3代卫星:第1代卫星是传统的 GLONASS基本型;第 2代星是GLONASS-M现代化卫星;第3代就是最新开发的GLONASS-K卫星,至目前为止,K星系列又分为K1和K2 2种型号。
GLONASS星座是由 3个轨道面上的 24颗卫星构成的。其传统的信号使用频分多址(frequency division multiple access,FDMA),而不是其他 GNSS所用的码 分 多 址 ( code division multiple access,CDMA)。与传统的 GPS信号一样,GLONASS信号包括 2 个伪随机噪声码(pseudo random noise code,PRN)测距码:标准精度(standard accuracy,ST)码及高精度(Visokaya Tochnost 即 high precision,VT)码,调制到 L1和 L2载波上。GLONASS ST码也已经在GLONASS-M卫星的L2频率上传输。发送的信号像 GPS信号一样是右旋圆极化波的。GLONASS-K1 在新的 L3 频率(1 202.025 MHz)上传输CDMA信号,GLONASS-K2还将在L1和L2频率上提供CDMA信号,从而实现与其他GNSS的兼容与互操作。GLONASS-K1星的空间信号测距误差(signal-in-space user range errors,SISRE)约为1 m,GLONASS-K2 星则为 0.3 m[6]。
20世纪后期,中国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,逐步形成了三步走发展战略:2000年年底,建成北斗卫星导航试验系统即北斗一 号 ( BeiDou navigation demonstration system,BDS-1),向中国提供服务;2012年年底,建成北斗二号区域系统,向亚太地区提供服务;计划在2020年,建成北斗三号全球系统,向全球提供服务。2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系[6-8]。
中国坚持“自主、开放、兼容、渐进”原则建设发展BDS:①所谓自主,是坚持自主建设、发展和运行BDS,具备向全球用户独立提供卫星导航服务的能力;②所谓开放,是免费提供公开的卫星导航服务,鼓励开展全方位、多层次、高水平的国际合作与交流;③所谓兼容,是提倡与其他卫星导航系统开展兼容与互操作,鼓励国际合作与交流,致力于为用户提供更好的服务;④所谓渐进,是分步骤推进BDS建设发展,持续提升BDS服务性能,不断推动卫星导航产业全面、协调和可持续发展[8]。
目前,我国正在实施北斗三号工程建设。根据系统建设总体规划,2018年底,完成19颗卫星发射组网,完成基本系统建设,向全球提供服务;2020年完成由 3颗地球静止轨道(geostationary Earth orbit,GEO)卫星、3 颗倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbits,IGSO)卫星和 24 颗中圆地球轨道(medium Earth orbit,MEO)卫星组成的完整星座,全面建成北斗三号。BDS由空间段、地面段和用户段3部分组成:空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星 3种轨道卫星组成混合导航星座;地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站;用户段包括BDS兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品,以及终端产品、应用与服务系统等[7-8]。
图2 GLONASS卫星第1代至第3代主要性能
BDS具有以下特点:①BDS空间段采用3种轨道卫星组成的混合星座,与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多,抗遮挡能力强,尤其低纬度地区性能特点更为明显;②BDS提供多个频点的导航信号,能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度;③BDS创新融合了导航与通信能力,具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务5大功能。图3所示是由3种轨道类型构成的BDS基础效果图。
欧洲全球卫星导航系统(European global navigation satellite systems,E-GNSS)就是 Galileo。Galileo笫1、2颗试验卫星GIOV-A和GIOV-B已于 2005年和 2008年发射升空,目的是考证关键技术,其后有4颗工作卫星发射,验证Galileo的空间段和地面段的相关技术。在轨验证(design and on-orbit verification,IOV)阶段完成后,其他卫星的部署进一步展开,计划2018—2020年达到24颗卫星构成的完全运行能力(full operational capability,FOC)。
Galileo也由空间段、运控段和用户段组成。星座有 24颗卫星分置于 3个中圆地球轨道面内。Galileo信号工作的主要频段为E1、E5及E6 3个。它们各自发射独立的信号,发射的中心频率分别为:1 575.42、1 191.795和 1 278.75 MHz。其中,E5又分为E5a和E5b 2个子信号。为了实现与GPS的兼容互操作,Galileo的E1和E5a 2个信号的中心频率与GPS的L1和L5相互重合。出于同样的兼容互操作目的,Galileo的E5b与GLONASS的G3信号中心频率重合。
图4为Galileo的实施进程与计划安排示意。
Galileo虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间,但是Galileo提供的服务种类远比GPS多,GPS仅有民用的标准定位服务(SPS)和军用的精密定位服务(PPS)2种,而Galileo则提供5种服务,这就是:①公开服务(open service,OS),与 GPS的SPS相类似,免费提供;②生命安全服务(safety of life service,SoLS);③商业服务(commercial service,CS);④公共特许服务(public regulated service,PRS);⑤搜救服务(search and rescue support service,SAR)。以上所述的前 4 种是 Galileo的核心服务,最后 1种则是支持搜救卫星服务( search and rescue satellite-aided tracking,SARSAT)。由于生命安全服务实际运作有难度,近些年来已经不太提及。即使这样,Galileo服务还是种类较多且独具特色,它能提供完好性广播、服务保证,以及民用控制和局域增强[6]。
Galileo的公开服务提供定位、导航和授时免费服务,供大众导航市场应用。生命安全服务可以同国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)标准和推荐条款(standards and recommended practices,SARPS)中的“垂直制导方法”相比拟,并提供完好性信息。商业服务是对公开服务的1种增值服务,它具备加密导航数据的鉴别认证功能,为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺。公共特许服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的,是特许的或关键的应用,以及具有战略意义的活动,其卫星信号更为可靠耐用,受成员国控制。Galileo提供的公共服务定位精度通常为15~20 m(单频)和 5~10 m(双频)2种档次。公共特许服务有局域增强时能达到 1 m,商用服务有局域增强时为 10 cm~1 m[6]。
图3 北斗卫星导航系统组网效果
图4 Galileo的实施进程与计划安排[6]
GPS现代化进程命运多舛,第1个GPSIII卫星到2018年12月23日才发射入轨,至今GPS在轨卫星 32颗(也有提法为 34颗),工作卫星31颗,其中工作卫星寿命超过10 a的卫星达18颗(均是超期服役者),有 1颗已经工作 25 a以上(世界上工作寿命最长的导航卫星)。GPS新的运控系统(OCX)也一直在拖拖拉拉中前进。GPSIII卫星共有10颗,计划至2023年年底之前发射完毕。其后是22颗GPSIIIF卫星,其中第1颗卫星预计2026年发射,而最后1颗GPSIIIF卫星的发射日期定在2034年。1996年至2034年,多么漫长的现代化进程。目前GPS空间信号测距性能误差为 0.375~0.777 m。其 GPSIII卫星的工作寿命延长到15 a,精度比GPSII系列提高了3倍,抗干扰能力提高了8倍,并且开始考虑有效载荷的完全数字化和软件化,以便随着技术进步能够实现卫星在轨性能重置和软件更新[9]。其新一代运控系统C2将在2022年转入正式工作。其天地基结合的增强系统和播发系统,包括商用精密增强系统,都在投入工作。已经开始的新一代导航技术卫星 NTS-3在轨试验技术将会比 GPSIII强大得多。
GLONASS现代化经历了M星、K1星、K2星3种型号发展过程。在保留其 FDMA信号制式的基础上,又增加了与其他 GNSS兼容互操作的CDMA制式。它的现代化过程当然更加复杂而繁重,整体变化也较大。目前其在轨卫星总数达到27颗,工作卫星数量为额定的24颗。其地面运控组合包括控制中心、单向参考站网络、上行数据链站网和激光测距站网,还包括的基础设施准备有3个32 m的天文望远镜、2个7 m的天文望远镜、3个相关器、1个冷原子光钟频率参考源和 50个天文与大地测量站构成的网络。GLONASS现在提供的民用服务共有4种:①开放服务,精度2 m,针对空间段而言;②改进可靠性和精度的服务,精度1 m,指差分改正和监测系统;③相对导航服务,精度为0.03 m,指高精度定位国家系统;④高精准服务,精度为0.1 m,指获取导航和星历与时间信息的高精准系统[10]。
当前BDS是GNSS中最为复杂的系统,它不仅是北斗二号区域系统与北斗三号全球系统过渡性的组合,也是融合GEO、IGSO、MEO 3种轨道类型的复杂星座,还是同时提供定位、导航、授时(positioning,navigation and time,PNT)服务和通信服务的卫星系统。2019年 4月 23 日发射的卫星是北斗三号第20颗组网卫星,也是北斗三号首颗IGSO卫星,该卫星将与此前发射的18颗MEO卫星和1颗GEO卫星进行组网。今年内还要发射6颗MEO、2颗GEO和2颗IGSO卫星,实现北斗三号 30颗卫星全星座组网,为在 2020年全面提供全球服务创造条件,届时北斗三号在轨卫星达到30颗,其中3颗GEO,3颗IGSO,加上24颗MEO卫星,是GNSS中额定星座中最大的星座。北斗三号全球服务的性能指标是:空间信号测距误差优于0.5 m;定位精度单频测量为7 m:双频测量为 3 m;测速精度 0.2 m/s:授时精度 20 ns:可用性99 %。而其在亚太区域的服务性能明显优于全球性能[11]。表1所示为北斗三号系统提供的6种服务及其参与服务的卫星数量分布。
表1 北斗三号提供的6种服务及其参与服务的卫星数量分布
从2011年开始部署Galileo的正式工作星座,至2018年底业已入轨工作的卫星数量达到26颗,已经超过其额定星座 24卫星的目标。并已完成6 个遥测、通信和控制(tracking telemetry and command,TTC)站、5 个上行注入站(upload stations,ULS)和 16 个全球传感器站(Galileo sensor station,GSS)网络的建设。欧洲GNSS管理局是其总部管理机构,位于捷克布拉格。Galileo具有 6个地面核心基础设施,包括 2个发射和早期轨道测试基地、1个在轨测试基地、2个控制中心和2个时间与大地测量基地,还具有5个服务基础设施,包括2个公共特许服务(PRS)和安全监测中心、1个Galileo搜救(SAR)数据服务提供中心、1个GNSS服务中心和1个Galileo参考中心。从2016年底Galileo开始提供初始服务,根据2018年5月18日的测试结果表明,Galileo的空间信号测距误差在0.25~0.54 m 之间,平均误差 0.34 m(95 %)。而其世界协调时(coordinated universal time,UTC)评定精度为8.4 ns(95 %),利用多系统GNSS测定的单频定位精度为4.32 m(95 %),双频定位精度为0.78 m(95 %)。Galileo为了扩大应用采取了包括E112、eCall、数字测速仪等标配化举措,取得了不菲的效果。Galileo将基于E6B的PPP信号发射提供精度为 20 cm的高精度免费服务,还将在 E1公开服务中集成电子标签通过免费的身份认证。在2021年底至2023年早期Galileo将发射一箭双星 7次,共 14颗后续替补卫星。同时从2023年后期至2029年间部署Galileo第2代导航卫星,数量为16颗。第2代卫星将实现从后向兼容向前向兼容的转变,增强自动化运营、增长工作寿命、进一步提高安全性,并降低成本和实现接收机最佳化应用。还计划强化应急报警服务和启动用户咨询平台[12]。
GNSS系统之系统的概念,是将美、俄、中、欧4个全球系统,日、印2个区域系统,以及以上6国所提供的星基增强系统(中国的区域系统涵盖在BDS中)全部纳入。这样(如表2所示),目前已经在轨工作提供服务的卫星数量达到 134颗,2020年将超过140颗[9-14]。
卫星导航系统功性能指标,从GPS一开始就认定为:精度、可用性、连续性和完好性。其中最为重要的是精度,业内有句流行的话:“卫星导航玩儿的就是精度”,因为导航卫星上的关键核心技术是原子钟,由于原子钟的存在,让导航卫星成为高精度定位、导航和授时的信息源,利用时间传递和测量实现距离的度量,实现精准定位,实现大规模、无限量地服务于国计民生,成就了GNSS这样的伟业。所以,业界出现了一句流行语:“卫星导航的应用只受到人们想象力的限制”,也就是说,其应用服务“只有想不到的,没有做不到的”。表2为GNSS系统之系统的卫星在轨和工作卫星数量。
表2 GNSS系统之系统的卫星在轨和工作卫星数量一览表
但是在实际应用时,卫星导航的脆弱性也表现得十分明显,从遥远卫星传送过来的信号,到达地面时已经非常微弱,容易受到自然和人为的电磁干扰,容易受到地形地貌地物的遮挡影响,尤其是在城市峡谷地区,各种各样的建筑物造成卫星信号的阻断、反射、折射,产生信号盲区和多径效应等等,妨碍了导航卫星信号的正常接收;因而存在没有足够的卫星数量和合理的空间分布,无法实现定位,或者定位效果不佳的问题。而GNSS多星座多频点工作让卫星导航系统的精度、可用性、连续性和完好性功性能指标的有效性有了极大的提高和跃升。由于卫星数量的多倍数增长,不仅仅增加了可接收的卫星数量,同时也大大改善了卫星空间分布图形,定位精度也有了明显的提高。目前值得共同关注的是:与高精度大众化应用相关的双频/多星座星基增强,GNSS频谱保护,以及信号坚韧性提升[5]。
GNSS兼容互操作的概念是卫星导航国际合作最有成效的倡议。它的兼容概念是保障每个系统能够独立工作,但是又不会影响到其他系统的工作;而它的互操作概念是可以使得GNSS系统间能够相互依存,同时又可以相互利用,尤其是在频点 1 575.42 MHz上实现互操作,利用同 1个接收机硬件系统能够接收其他GNSS系统的同频信号,只是解调不同制式信号时在软件上有所不同。这种简单又实用的方式方法把不同系统组成了1个崭新的GNSS系统,绝对是个多星座系统组合能力与效果大大地大于原先的分散系统,构成多赢的解决方案。经过近一阶段众多的测试结果表明,在兼容互操作概念推进的过程中,已显示出其强大的技术集成推进力和强劲的生命力,大大增强了精度、可用性和完好性等一系列性能指标[5]。
打造国家竞争力,不仅要把自主创新的事情做到好上加好,同时又能够充分利用人类的科技智慧结晶,做好系统集成和再创新。能把多国分别独立设计的GNSS作为1个系统之系统,进行再设计、再利用、再创新,形成新应用新服务新方法新模式,是切实可行的1种创新思维和大胆探索。
GNSS作为系统之系统,2020年是个根本性的转折点,因为真正的完全投入服务的机遇来到了。换句话说,系统建设发展的历史告一段落,而其产业应用与服务的强势发展期和全盛期欣然到来。GNSS产业从“GNSS+”时期转折性地发展到“+GNSS”时期,也就是说,GNSS在一边继续发挥其新兴技术的引领作用的同时,又大踏步地进入与其他技术和产业实现跨界融合的发展新时期,发挥其对于传统产业改造和整合的强大作用,发挥其对于其他众多产业的集成创新与关联带动作用,成为发展智能产业的核心主线与牵引力和驱动力[5]。
BDS/GNSS目前最为热门和具有良好前景的领域是无人系统,包括无人机、无人舰船、无人驾驶车辆等等,广义而言,包括高端的机器人,其中如今最为接近市场的典型是无人飞行载体(unmanned aerial vehicle,UAV),而从较为长远考虑来讲,当然是无人驾驶车辆的应用与服务。无人飞行系统在军事项目中的应用早已司空见惯,但是民用方面,还是近些年来的事情,特别是农业飞行植保、飞机喷药、飞机灭林火等领域得到广泛应用。但是无人机实现城市物流配送,进行门到门服务,进入大众消费服务,显然还是存在着许多重大挑战。其中时空信息及其实时动态演变数据是不可或缺的关键要素。这些新兴业务不仅要求精度高,而且对于可靠性和智能化要求程度更高。这里主要涉及GNSS在UAV应用中的标准、GNSS接收机的抗干扰技术,与高精度定位的实时动态测量和环境智能化技术[5,15]。
现在已经进入智能融合发展的自动化时代,其中最为主要的融合是导航与通信的融合,实质上是实现时空信息的智能服务,这是科技发展的重要方向。在当前低轨宽带通信卫星星座满天飞的情况下,大多数只提到导航的增强功能,实际上有数百颗或者几千颗卫星的星座把通信与导航作为一体化载荷加以设计,已经没有任何困难。所以:首先是天基的导航与通信的一体化融合;其次就是地基的通信与导航融合,5G是个重大机遇。当然WiFi网络的通导一体化运作也是1种不错的选择。
图5为导航与通信智能融合情况。
由图5可见,从精准性、安全性、泛在性与连接性的“四性”基础组合可以看到,新时空是将天基PNT推向泛在安全,推向万物互联,推向智能融合,推向共享服务,是BDS/GNSS升级版,其实现跨越发展的目标是“奔向智能信息产业大发展的新时代”。新时空技术及其服务产业代表的是未来科技和产业的自动化和环境智能化重大发展方向,尤其是环境智能化技术已经成为所有自动化系统与产业发展的关键,还是需要突破的世界性难题,是科技创新发展的重大时代命题[5,15]。
图5 导航与通信智能融合将推动自动化和无人系统形成发展[5]
2020年是GNSS系统及其产业发展的转折点,其后10多年则会进入产业的快速持续健康发展的新阶段;而虚拟的 GNSS系统之系统概念会逐步发酵,由兼容互操作入手,进而有可能形成实质性的创新应用模式。与此同时,各国的导航系统会循各自的规划目标大步前进,中国的BDS将在2035年建成综合时空体系。在BDS新时空服务的推动下,我国的智能信息产业和中国服务的国家品牌将享誉全世界。