GNSS卫星导航系统关键技术的研究与思考.doc

6测绘通报测绘科学前沿技术论坛论文集GNSS卫星导航系统关键技术的研究与思考作者简介：高伟（1968-），男，山东宁阳人，博士，教授，北京大学在站博士后。 胡晓 高伟* 李本玉（山东农业大学 信息科学与工程学院 山东 泰安 271018）摘要：本文针对GNSS卫星导航系统的关键技术，详细分析了GNSS信号结构的多元化，探讨了GNSS接收机的综合性和多样性，给出了我国卫星导航系统的发展思路和策略。关键字：GNSS；GNSS信号；GNSS接收机一、引言GNSS（Global Navigation Satellite System)）泛指全球导航卫星系统，它包括利用GPS、GLONASS 和GALILEO 全球卫星导航系统中的一个或多个系统进行导航定位，并同时能够提供卫星的完备性检验信息（Integrity Checking）和足够的导航安全性告警信息。全球导航卫星系统是20世纪60年代中期发展起来的一种新型导航系统，到90年代,进入全运行和盛行时期，应用已扩展至经济和军事的各个领域。(1) 全球导航卫星系统广泛应用于民用领域全球导航卫星系统已应用于陆地、海洋和空中交通运输的导航，推动世界交通运输业发生了深刻变革，它在工业、精细农业、资源调查、测绘、地理信息产业等领域已得到广泛应用，它还用于宇宙飞船，空间站和低轨道卫星等航天飞行器的导航和定位，推动了航天事业的飞速发展。(2) 全球导航卫星系统的军用价值全球导航卫星系统可为各种军事运载体导航，使武器的命中率大为提高，已成为武装力量的倍增器。它作为一个功能强大的军事传感器，已经成为电子战，信息战及导航战的重要利器。可以说，谁拥有了先进的卫星导航系统，谁就在很大程度上掌控了未来战争主动权。目前采用单独的GPS 和GLONASS系统还不能满足现代社会发展的需要，伴随着欧洲的GALILEO系统卫星的发射，GLONASS卫星系统的不断改进和完善以及美国GPS卫星的现代化进程，GNSS卫星导航系统将在新世纪里迈上新的一个台阶。二、GNSS系统信号结构多元化目前GPS卫星定位系统共有29颗工作卫星，由GPS /A/R-M组成，其中一颗BLOCKR-M为2005年9月发射的第一颗新改进的卫星，该卫星增加了一个新的民用信号L2，在L1和L2载波上增设一个军用码（M码），L1为民用，L1和L2为军用。L2与此同时新的改进卫星BLOCKF卫星除具有BLOCKR-M卫星的全部功能外，还在保护波段增加第三民用信号L5（以下为GPS信号结构图）。 在美国加紧GPS信号结构优化的同时，俄罗斯从2001年起开始逐渐改善该系统，在新研制的GLONASS-M卫星上搭载铯钟，增强信号的稳定性，改善了结构，增加了附加信息，安装了滤波器，消除了1601.6MHz1613.8 MH以及1660.0MHz1670.0 MHz频段的信号干扰，与此同时，新卫星GLONASSK卫星增加了第三民用信号L3（1164 MHz-1215 MHz）。无线电导航信号的频率资源十分宝贵。2000年6月,在世界无线电通信大会上,欧盟经过多方努力,获得了实施GALILEO计划所需要的L频段的频率资源(见图)。 GALILEO系统在频率和信号设计时，一方面必须考虑与GPS系统的互操作性；另一方面，必须保持本系统的兼容性。就互操作性而言，GALILEO系统在E2-L1-E1和E5a/L5两个频段上采取了与GPS信号相同的中心频率，从而使用户可以使用一个接收机同时接收GALILEO/GPS两种信号，可选卫星数目增加，导航定位精度提高，系统稳定性和容错能力增强。为了保证系统的兼容性，必须防止与已有GPS信号产生干扰。GALILEO系统在E2-L1-E1和E5a/L5频段采用了巧妙的频率设计法，有效地实现与心频率相同的GPS信号的分离。根据GALILEO信号设计方案，L1频段存在2种导航信号，分别为L1F和L1P。这2种信号通过3个信道发射，分别为L1F数据信道、L1F导频信道和L1P数据信道。L1F信号是公开信号，所占带宽相对较小。而L1P信号是严格控制的保密信号，所占带宽较宽，且必须要求与其它信号（如GPS P（Y）码、C/A码等)频谱相隔离。三、GNSS接收机的综合性和多样性GNSS接收机是GPS或GLONASS的兼容接收机，它和单一的GPS接收机或GLONASS接收机比较有许多优点。3.1 安全性的提高不依附于某一系统，灵活的工作方式选择，使非拥有国的的用户摆脱了受制于人的状态。GPS/GLONASS兼容接收机既可以用GPS或GLONASS单独工作，又可以同时利用两个系统的信号，这样一旦外国用户使用某系统受到限制时，用户可以立刻转换系统继续工作。这个特点对军事应用尤为重要，在现代战争中已屡有表现。3.2 精度的提高增加卫星的数量，通常就会使用户与卫星之间的几何位置更好（即扩展精度）。由于GLONASS卫星上没有SA的干扰，所以与GPS相比较，GLONASS的测试精度提高了3倍。而且在静态、动态及半动态的工作中，定位速度更加快，进而也就加快了整个数据采集处理的速度。卫星轨道的较大倾角使GLONASS卫星比GPS的卫星具有更好的覆盖性能。因而在某些区域GPS/GLONASS兼容接收机的导航性能有所提高，比如在加拿大北部和阿拉斯加。3.3 强劲的系统可靠性增加可观察的卫星数量，极大地提高了发现和孤立故障卫星的能力。由于系统具有处理来自两个独立工作的卫星群的信号的能力，所以提高了系统的完整性级别，从而消除了系统性故障,也就提高了整体的监视能力。在有阻碍环境中工作时，比如在山地或城市“峡谷”中，相对于单一的GPS接收机或单一的GLONASS接收机，兼容性的接收机就意味着两倍的可用卫星数。当接收机没有采集到位置和时间信息时，增加可观察的卫星量就会提高捕捉到卫星的几率，从而减少捕捉时间。GNSS接收机另一项前沿关键技术就是它的多样性。GNSS应用设备现在并不仅仅限于单独使用，最流行的方式是与另一类系统结合应用，即GNSS+X应用模式。随着GNSS用户设备小型化和低价位趋势的发展，其嵌入应用成为一种时髦。GNSS+X表示式中X可以是另一种导航输入，也可以是通讯设备、Video、互联网、WAP、PDA、手机、笔记本电脑乃至GIS等。当前最具发展前景的是与智能交通系统相关的汽车导航系统和汽车信息系统，还有一种是与移动手机和PDA蓝牙结合的产品。一旦与现代通信手段3G UMTS结合，则GNSS用户组合设备会前途无量。据某些机构分析，至2015年，带有GNSS用户设备的个人移动服务终端在全球将达到20亿个，其中一半为车辆应用。四、我国卫星导航系统的发展思路与策略卫星导航系统为人类带来了巨大的社会和经济效益，当前，世界各主要大国都已拥有或即将拥有先进的卫星导航系统，这对中国而言既是机遇又是挑战，因而，采取必要战略举措和作为显得尤为紧迫。通过一段时间的研究调查，结合世界先进导航系统的优缺点和我国导航系统自身的发展现状，未来我国卫星导航系统的发展思路和策略为：4.1 坚持独立自主的科研方针北斗导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了中国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。4.2 加强国际间合作加强我国已加入了伽利略系统研制计划的资金和技术支持，这是一个极具战略眼光的积极举措，数年后，中国政府和老百姓将因此受益无穷。对于目前由于经费原因运行不佳的GLONASS，我们有必要和俄罗斯通力合作，争取尽最大可能地为我所用。4.3 坚持以市场为导向，大力发展卫星导航相关产业链据国内学者估计，我国卫星导航的产业在2020年可达2600亿元，总收入可达4200亿元。因而，紧紧抓住国内外市场就可以为社会创造数百万个就业机会。4.4 建立健全北斗系统的标准和认证体系，完善经营、管理和法律体系北斗系统必须遵守必要的以及所有现行的国际标准和认证要求，这有利于北斗系统未来的发展。因此，学习与创新相结合走中国特色发展之路相当必要。在经营理念上要摈弃陈旧思想，健全市场体制，引进竞争机制，完全和国际标准接轨。在参照GPS和GALILEO运作模式和管理制度的基础上，完善我国北斗系统的管理体系和法律体系，为军民两用政策的严格执行扫平障碍。4.5 重点培养一大批卫星导航领域的高尖端人才当前，我国在卫星导航领域与西方距离逐年拉大，原因多种多样，但归根结底还是缺乏优秀的专业技术、运营管理和开拓市场的精英，因此，发现和培养该领域优秀人才显得尤为重要。 五、结论 目前世界上的卫星导航系统，正在兴起一个新的卫星导航定位产业。通过对GNSS卫星导航系统关键技术的分析得出，该产业将在未来的10-20年时间内得到快速发展，是被全世界看好的一个新兴的高科技、高经济收益的领域，各个国家正在投入大量的人力、财力进行研究、开发、应用，参与竞争。尤其是GALILEO计划完成后，更加符合民用要求的使用，我国参与GALILEO计划并自主建立北斗系统，将对我国产生巨大的社会和经济效益。但是在迅速发展的同时，我们要保持清醒的头脑，我国现有的技术水平还离世界先进的前沿关键技术还有一定的差距，因此还需要不断的努力和改进。参考文献：陈俊勇，党亚民。全球导航卫星系统的新进展。测绘科学，2005，（02）。王解先。全球导航卫星系统GPS/GNSS的回顾与展望。工程勘察，2006，(03)。赵玉滨。GNSS的现状及其发展方向。电力系统通信，2001，(08)。朱志勤。跟踪测量中的GNSS。全球定位系统，2004，(03)。窦朝晖，李德治，阎国英，王占武。GNSS接收机模拟的关键技术及实现。飞行器测控学报，2002，(01)。赵静，曹冲。中国GNSS应用产业现状