GNSS發展歷史及其系統之系統

2019.11.05 , 瀏覽次數: 14413

 

1.衛星導航靈感真的來自于第一顆人造地球衛星嗎?

盡管現在美國GPS(全球定位系統)幾乎已經成為全球衛星導航系統的代名詞,但是說到衛星導航的發展,還必須提到前蘇聯人類第一顆人造地球衛星。1957年10月4日,原蘇聯發射了全世界第一個人造地球衛星(斯普特尼克一號),開創了人類的空間世紀,地球進入了航天時代。

第一顆人造地球衛星發射后,在與蘇聯相距甚遠美國的霍普斯金大學應用物理實驗室里,有兩個年輕的科學家,一個叫做比爾·蓋伊,是個數學家,另一個叫做喬治·威芬巴赫,是個物理學家。他們在接收蘇聯人造地球衛星信號,研究衛星軌道時發現頻率出現偏移。研究發現是相對運動引起的多普勒頻移效應。衛星相對于地面接收機的運動速度是在變化的,兩者靠近和遠離時,會出現由于頻率增加和減少導致的運動多普勒頻率變量由正至負的變化。經此啟發,該實驗室的科技人員提出了衛星導航的多普勒測量方法與概念。根據多普勒測量結果不僅能夠確定衛星的運動速度,而且可以求出衛星與接收機之間的距離。后來的“子午儀”( TRINSIT)導航衛星系統,就是根據多普勒定位原理提出并實施的。

當兩個科學家向其實驗室主任弗蘭克·麥克盧爾講述他們成功地實現了對前蘇聯衛星的多普勒跟蹤時,實驗室主任的頭腦飛快地開動起來,因為他清楚的知道,美國海軍所面臨的挑戰。他說:“好啊,如果你能夠發現衛星在哪里,那么應該可以把問題反過來考慮,發現你在哪里?”

圖1.數學家比爾蓋伊(左)和物理學家喬治·威芬巴赫(右)

向他們的實驗室主任弗蘭克·麥克盧爾(中)講述利用多普勒方法跟蹤衛星的情況

 

2.第一代全球導航衛星系統叫什么?為什么?

第一代全球導航衛星系統,又名美國海軍衛星導航系統(Navy Navigation Satellite System,NNSS),對外公開的名稱是子午儀( Transit)系統,因為衛星的軌道與赤道的夾角為90度,所以衛星就沿著地球的子午線作南北向運動,因此該星座被稱為“子午儀”系統。

由于子午儀系統的概念是 Johns Hopkins大學應用物理實驗室的先行性成果。所以后來他們就負責整個計劃。從1958年原始概念出發,到1961-1962年實驗衛星發射,最終系統在1964年開始運行。當然,榮譽必須和美國海軍事業領導層分享,他們支持革命性的理念,并迅速地在六年間將其轉變為工作系統。

由于航天技術、無線電定位技術的發展,利用衛星發出的無線電信號,實現全球覆蓋的導航定位成為可能。美國為了滿足其軍事對快速高精度導航定位的需要,特別是軍用艦艇海上導航需要,美國海軍武裝實驗室于1958年起,實施建立“海軍導航衛星系統”(Navy Navigation Satellite System-NNSS)。該系統中的衛星軌道都經過地球兩極。故稱“子午衛星系統。1964年建成后,開始用于美國北極星核潛艇的導航定位,后逐步用于其它各種艦艇的導航定位。1967年系統解密,提供民間商業用途。

“子午儀”是世界上第一套衛星定位系統,具有劃時代的意義。但是,由于該系統衛星數目較少(每個軌道只有一顆,總計只有6穎)、衛星運行高度較低(平均約1000公里),故每隔12小時才有一顆衛星飛過地面觀測站,不能同時觀察多顆衛星:一臺接收機要觀測一次完整的衛星通過數據,才能定位,定位時間長(平均約10-15分鐘);無法提供快速連續實時三維導航定位。另外,受地球重力場影響大,受大氣阻力影響大,定位精度低(單機15分鐘定位精度200米;雙機相對定位1天時間,精度1米),只能用于低動態、低精度定位,難以滿足飛機、導彈等高動態導航定位要求。

為了解決以上問題,美國海軍又提出 Timatiom計劃,提高子午衛星定位能力。同時,美國空軍也在開展621B衛星定位系統研究,即在傾角為0°、30°、60°的橢圓軌道上,布設15-20顆衛星,使用帶數字信號的偽隨機噪聲調制進行測距,以實現全球連續的三維定位。

美國國防部于1969年建立了國防導航衛星系統DNSS計劃,將各軍種獨立的研制工作統一起來,形成了統一的聯合使用系統,由美國國防部長辦公室(OSD)建立導航衛星執行調控小組,制定DNSS可行性研究規劃。新一代衛星導航系統名為“授時與測距導航系統/全球定位系統”,簡稱GPS。具體計劃由GPS聯合計劃辦公室(JPO)制定。GPS JPO還負責管理新衛星,地面控制設備和軍用接收機的研制和生產。經過20年的努力,花費200多億美元,終于1993年系統基本建成,1995年宣布正式服務。

 

3.GPS算是第二代全球衛星導航系統嗎?

繼子午導航衛星系統之后,GPS是美國國防部批準陸??哲娐摵涎兄频牡诙驅Ш叫l星系統,也是第一個具有全能性(陸地、海洋、航空)、全球性、全天候、實時性、高精度的導航定位和授時系統??臻g部分由24顆衛星組成,衛星高度約20200km,分布在傾角為55°的6個軌道平面內,運行周期約為11小時58分,于1994年宣告部署完成;地面監控部分包括1個主控站、3個注入站和5個監測站。

GPS經過多年的運行,系統逐漸暴露出一些問題。由于新技術和器件工藝的快速進步,原有的系統功能及軟硬件設施已經難以滿足新時期的需求和應用環境。在各方人士紛紛呼吁對GPS系統進行更新和改進的情況下,2000年美國國會正式啟動了GPS現代化計劃。與早期的子午儀導航衛星系統相比,第二代系統的衛星軌道更高,衛星數量更多,工作頻率更高,而且定位原理為基于到達時間估計的三球交會原理,而不是基于多普勒定位原理,并且實現了實時動態定位。實際上目前所有的四大全球系統,均屬于第二代衛星導航系統,而第三代衛星導航系統的誕生,可能是在衛星導航與衛星通信的融合發展之中。

 

4.現在全球有哪六大GNSS服務提供商?

目前,全球提供導航、定位和授時系統服務的共有六個國家。其中,美國、俄國已經提供了全球服務;中國、歐盟在提供區域服務的基礎上,基本星座已經布署完成,逐步開展全球服務,2020年全面開展全球服務;日本和印度只提供本國及周邊區域的服務。

一、GPS系統

由美國空軍GPS聯合計劃辦公室( GPS-JPO)負責,包括民用部門在內的多個部門派代表參與;美國空軍航天司令部(HQAFSPC)所轄的第14空軍聯隊(14AF)負責星座運行。美國運輸部負責民用GPS服務運行和管理。美國海岸警備隊導航中心和民間GPS服務聯絡委員會負責支持使用標準定位服務的民用用戶。GPS的定位精度分兩級:精密定位僅給授權用戶服務,定位精度在水平方向分量為1米,數據的概率為95%;標準定位免費為世界范圍內民用用戶服務,定位精度在水平方向分量為10米,數據的概率為95%。

二、GLONASS系統

由俄羅斯聯邦航天局、國防部工業與能源部和運輸部組成的GLONASS項目部協調委員會管理。俄羅斯航天局負責 GLONASS系統及增強系統的開發和系統的性能監測與控制。 GLONASS系統提供軍用和民用兩種服務。定準精度:水平方向16米,高程方向為25米。

三、Galileo系統

Galileo是由歐洲委員會和歐空局聯合建設的歐洲全球導航衛星系統。歐洲委員會計劃2014年投入運行。 Galileo定位精準度:水平方向4米,高程方向8米。

四、北斗系統

中國衛星導航系統管理辦公室是北斗的管理機構。北斗三號系統的空間星座是由3顆地球靜止軌道(GEO)衛星、3顆傾斜軌道衛星(IGSO)和24顆中圓軌道衛星組成。北斗系統服務方式有開放服務和授權服務兩種。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務,定位精度10米,測速精度0.2米/秒,授時精度10納秒。授權服務是為有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶,提供定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。

五、日本QZSS準天頂衛星導航系統

QZSS系統是一個兼具導航定位、移動通信和廣播功能的衛星系統,旨在為在日本上空運行的美國GPS衛星提供“輔助增強”功能。包括兩方面:一是可用性增強,即提高GPS的信號可用性;二是性能增強,即提高GPS信號強度和可靠性。QZSS系統主要為移動用戶提供基于通信(音頻、視頻和數據)和定位服務。通過播發差分修正數據以及實驗導航信號等輔助導航定位信號,QZSS系統可使覆蓋區內的GPS接收機到達亞米級定位精度。

六、印度區域衛星導航系統(RNSS)

RNSS覆蓋范圍是南亞次大陸及周邊地區,由印度空間研究院ISRO(Indian Space Organizstion)負責運營和管理。RNSS的定位精度:在印度洋區域優于20米,在印度本土及鄰近國家定位優于10米。

 

5.北斗與伽利略系統屬于第二代導航衛星系統嗎?

第二代導航衛星系統的主要特征是定位信號是用廣播方式發布,所以能夠有無限多個用戶,或者說用戶數量不受限制。用戶機可免發上行信號,不再依靠中心站數字高程圖處理或由用戶提供高程信息,而直接接收衛星單程測距信號自己定位,用戶位置的隱蔽性提高。

北斗和伽利略系統均滿足上述要求,因此屬于第二代導航衛星系統。特別是北斗系統的短報文功能,已經具備了一定的通信能力,嚴格地說北斗應該屬于二代+導航衛星系統,已經具備第三代導航衛星系統(導航+通信)的基本特征。

 

6.北斗一號、二號、三號為什么說是系統的發展階段?

1994年,中國啟動了北斗衛星導航系統的建設,按照“質量、安全、應用、效益”的總要求,堅持“自主、開放、兼容、漸進”的發展原則,遵循“先區域、后全球、“先有源、后無源”的總體思路,北斗衛星導航系統正在按照“三步走的發展戰略穩步推進。具體發展步驟如下:

第一步,北斗衛星導航試驗系統(1994-2003),又稱北斗一號,形成區域有源服務能力。1994年立項,2000年相繼發射2顆北斗導航試驗衛星,建成北斗衛星導航試驗系統,成為世界上第三個擁有自主衛星導航系統的國家:2003年發射第3顆北斗導航試驗衛星,進一步增強了北斗衛星導航試驗系統性能。北斗一號系統采用“雙星定位”體制。由3顆同步衛星組成空間段;由一個地面主控站和若干標校站組成控制段;由眾多用戶設備組成用戶段。其定位原理是以2顆衛星的已知位置為球心,以測定的衛星到用戶設備的距離為半徑,形成兩個球面則用戶設備必然在球面相交的圓弧上;再由電子高程地圖提供一個以地心為圓心,以地心到用戶設備為半徑的球面:求解圓弧與球面的交點即可獲得用戶的位置。上述的距離測量和位置計算由地面主控站與用戶設備通過應答方式完成,完成定位的同時,既能報告位置,也能進行通信。

第二步,北斗區域衛星導航系統(2004-2012),又稱北斗二號,形成區域無源服務能力。該階段的發展目標是構成一個具有連續實時無源三維定位測速能力的區域性衛星導航系統,向我國及亞太地區用戶提供無線電導航衛星服務。2007年發射第一顆衛星,2012年底完成5顆GEO衛星、5顆GSO傾斜地球同步軌道)衛星和4顆MEO(中軌)衛星的組網服務。

第三步,北斗全球衛星導航系統(2013-2020),又稱北斗三號,形成全球無源服務能力。預計2020年將形成具有35顆衛星的全球星座,向全球用戶提供穩定可靠的定位、導航和授時服務。

 

7.GPS與GLONASS的現代化建設有沒有新一代的概念?

GPS與 GLONASS的現代化建設一直在進行,且已經持續多年。是否有新一代的概念還要看其是否與新一代通信服務的融合程度。

1995年4月GPS宣布全面投入工作,翌年便開始部署GPS現代化計劃。2000年5月1日,實施現代化計劃第一個行動,終止可用性選擇(SA)這一人為惡化精度的舉措,使得民用定位精度提高近一個數量級,達到10m以內。GPS現代化計劃,從系統的觀點而言,主要目標是提高空間段衛星和運控段的水平。而用戶段的工作主要依靠市場和用戶的需求拉動。近二十年來,美國持續地推動GPS現代化計劃,投資上百億美元,努力提升GPS的空間段和運控段具有新功能,以提高GPS的系統性能。這些功性能包括新的民用和軍用信號。GPSⅢ是GPS星座現代化進程的最終產物,估計最后一顆GPSⅢ衛星將在2034年發射。

GLONASS現代化計劃的主要內容為:增加資金投入,對系統全面更新:尋求國際合作,開拓資金來源;實行軍民兩用,開發與GPs兼容的技術,拓展應用領域;啟動生命安全,實施搜救服務,完善導航服務市場等。歷年來,普京總統多次發布命令和談話,要求盡快將GLONASS恢復到正常工作狀態,俄羅斯相關部門也開展相應的工作,使GLONASS星座逐漸復活,終于在2011年年底恢復24顆工作衛星,達到全球完全工作狀態,并積極地開展與美、歐、中、印等國家和地區的雙邊或多邊合作。

雖然,GPS與 GLONASS的現代化建設一直在進行,但距離跨時代的飛躍,進入第三代衛星導航系統還需時日。

 

8.中國的北斗系統需不需要來個現代化?

GPS和 GLONASS在基本系統建設完成后,都安排了系統現代化的問題, Galileo也在好幾年前就提出第二代伽利略系統的問題。我們的北斗一、二、三號的“三步走”軌跡明顯,下一步如何發展,應該提到議事日程上來了。

在談及中國時空服務體系的概念時,我們一直堅持的觀點是打造北斗的升級跨越版。升級跨越可理解為兩個不同的階段,即升級版和跨越版。在實現跨越版之前,北斗系統應該有個現代化進程,也就是升級版。

這個升級版有沒有必要?我們認為十分需要。為什么?因為我們的北斗系統,實際上是個分步設計、分階段實施、逐步構成的系統,而不是一個整體設計思想指導下的分步實施系統。其中包含了不少無奈與遺憾,且需要加強戰略性、前沿性的研究和儲備。北斗系統建設前前后后二十余年,在這二十年間,許多系統技術有著長足進步,早已今非昔比。而且,在北斗系統建設過程中,我們也積累了許多經驗教訓和感悟,需要進一步改進。還有就是,未來技術發展趨勢的召喚與使命夢想使然,以及提高跨越發展的鋪墊基礎,都需要北斗系統有個現代化進程,這樣才能完美對接過去與未來。

比較GPS現代化后的許多性能功能指標,我們會發現北斗全球系統與之還有一定的差距。這幾年來,GPS系統的穩定性,是目前其他GNSS難以與其相比的。GPS系統的可靠性,一年365天,每周七天,每天24小時連續工作,鮮有突然出現信號中斷的事項。而這方面。正是北斗系統的短板。以壽命而言,GPSⅢ衛星設計壽命達15年,北斗三號星設計壽命為10-12年。GPSⅢ系統布設完畢,其系統定位精度可優于1米,而我們是在特定的增強區域能夠達到1米,這個差距實際上不是一點點。顯然,如果進入實質性的關鍵細微環節的研究,我們會發現真正的差距,才能真正地做到知己知彼。嚴格地說,許多地方我們還沒有做到。系統的主要問題不是在空間段,而是在運控段。在全球系統及其運控保障,北斗二號和三號交接班等方面,有許多難題還沒有真正暴露和認識清楚。用戶段,特別是軍用設備的許多特殊要求,和抗干擾與防欺騙等難題。只是一般性的采取措施,沒有做深入細致的對抗性試驗獲得實戰性的解決方案。而環境段,是全球性的難題,美國人做了大量研究,北斗人也應該在環境段上做些創新和開拓性的工作,為世界多作貢獻。

凡此種種,值得反思,值得補課,值得化大力氣、大價錢去做個行之有效的現代化工程,打造北斗系統升級版,真正全面高質量地實現天上好用、地上用好的偉大愿景。

 

9.衛星導航系統亟待創新的理由是什么?

幾乎自GPS系統正式服務開始之日起,衛星導航系統的現代化進程就一直在延續,其中創新不斷。GNSS系統越完善可靠,系統安全性就愈發重要。

現在地面網絡上充斥著各種干擾或破壞性技術的肇事者,他們為網絡安全帶來了巨大的威脅??罩械腉NSS電波與地面的無線網絡從本質上說都是無線電信號,只是頻段不同。在過去的幾十年中,從定位導航和授時的角度來看,我們非常幸運。我們面對的肇事者還比較初級,他們使用常規干擾或破壞性技術的訪問受到了限制。

隨著移動通信、信息和導航技術的融合,風險不斷增長,主要由兩個趨勢推動的:集成移動技術的發展和對語音、視頻、文本、互聯網位置和數據服務之間無線通信頻譜的更大依賴;全球范圍內破壞重要網絡的能力擴散。這種演變帶來了通信、信息和導航基礎設施風險狀況的變化。我們需要考慮將有意和無意的GNSS信號干擾,包括干擾和信號模仿或欺騙,與更廣泛的集成移動環境中的無線電頻率干擾潛能聯系起來,包括無線語音,視頻,數據,文本和互聯網服務,可以在現有的網絡安全框架內研究GNSS干擾與無線之間的關系。

由于信息和通信網絡的復雜性,以及政府和私營部門的不同作用,很難就如何定義網絡空間達成一致意見。隨著時間和技術的進步,網絡空間的性質及其對無線電頻譜的依賴性將繼續增長。使頻譜問題與網絡領域保持一致將有助于擴大我們的實時監控、分析和態勢感知的范圍和情景內容。

最近,美國國土安全部正在進行近兩年的GPS脆弱性研究:《國家風險評估:GPS中斷對美國關鍵基礎設施造成的風險》。該機構評估了四個部門的中斷風險:通信、緊急服務、能源和交通。這項努力在《愛國者觀察/愛國者盾/愛國者勇士》計劃中采取了最切實的形式,這一計劃仍然主要用于監測、檢測、分析、定位和應對GPS干擾。

 

10.新一代GNSS應該是什么樣的系統?

未來的GNSS將更加貼近用戶,與現代通信系統的融合是趨勢。衛星導航與移動通信的關系,可以分為三個層次:

一是結合型,衛星導航作為傳感器獲得的定位信息,可以通過通信系統這樣的傳輸手段,傳送給相關的對象,實現應用與服務,使得衛星導航如虎添翼,更加有效、效益更多。

二是輔助型,衛星導航利用無線電通信網絡,實現所謂的A-GPS/GNSS功能,通過通信網絡提供的附加的時間、位置以及其他信息,協助導航接收機實現快速定位,尤其是在位置服務中發揮特別有效的作用。

三是融合型,將無線電通信系統也作為定位手段與衛星導航相融合,即室內外定位融合,實現無處不在、無時不在、無所不在的所謂泛在定位導航授時。

導航有通信配合才能如虎添翼。衛星導航從基本原理上說,只是一種傳感器類型,但它是個大品種,因為它提供的是時間空間信息,而且可以實時動態地提供。一旦與無線電通信和傳輸通道連接起來,其作用就成十倍地擴大,走向各行各業,四面八方,將空間的點、線、面、體有機地連在一起,又通過時間序列將所有的人事物及其動態變化有序銜接,形成波瀾牡闊的歷史性畫卷,構成智能信息應用與服務的人類史詩。

通信有導航支持才可以實現位置服務。無線電通信發展中,由于安全和救援的需要,美國聯邦通信委員會在1996年鑒于911安全救援服務的增強的需要,提出了E911,實質上就是位置服務概念的問世,確定所有移動電話必須具備位置報告功能。這是通信領域對于導航定位提出的迫切需要解決的問題,并且形成強制性標準配置的法令?,F在多個國家和地區均推進這樣的強制性行動,如歐洲的E114日本和韓國的E112等。在這些舉措的發展基礎上,在互聯網和社會網絡上,正在逐步形成,并將發展成為一個巨無霸的位置服務產業這一天的到來已經為期不遠了。

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