“伽利略”系统.doc

“伽利略”全球卫星导航系统介绍 轨鉴定阶段 “伽利略”计划又划分为论证、研制与在轨鉴定和全面部署与运行三个阶段。论证阶段于2003年完成，形成了系统的基本技术指标。研制与在轨鉴定阶段于2003年底启动，目标是利用由4颗卫星组成的简化星座和一系列相关地面站来实现对系统的在轨鉴定。4颗星是保证能在试验位置得到确切定位和授时信息的最低卫星数。该阶段之初还要发射上述的两颗试验卫星。随后，整个计划将迈入部署阶段，包括建成整个地面基础设施网络和发射星座中剩余的26颗卫星。 “伽利略”星座中的每颗卫星都将广播精确的时间信号、星历和其它数据。优化后形成的额定星座技术指标为：1）圆形轨道（卫星高度23222公里）；2）轨道倾角56度；3）三个间隔均匀的轨道面；4）每个轨道面上均布9颗工作星；5）每个轨道面设一颗备份星（也发射信号）。卫星重700公斤，功率1.6千瓦。卫星绕指向地球的轴线旋转，以使太阳阵总能面向太阳，从而最大限度地获取太阳能。卫星底面上的天线总是指向地球。卫星平台尺寸为2.7米1.1米1.2米，太阳翼翼展为13米。 卫星的组成情况为：1）L波段天线，用于在1.21.6吉赫的频率范围内发射导航信号。2）搜救天线，可从地球上的信标机处获取遇险信号，尔后发送给地面站，供其转发给当地救援部门。3）C波段天线，用于从各“伽利略”上行站接收包含任务数据的信号。这些数据包括用于使星钟与地基基准时钟同步的数据以及含有每颗卫星工作状况信息的完好性数据。完好性信息被纳入导航信号中，向用户发送。4）作为遥测、跟踪与指令分系统一部分的两部S波段天线。它们向地面控制部门发送有关有效载荷和星体的星务管理数据，并接收卫星控制和有效载荷操作指令。两部S波段天线还接收、处理和发送能以几米的精度测定卫星高度的测距信号。5）红外地球敏感器和精太阳敏感器（FSS），均用于帮助卫星保持对地定向。红外地球敏感器通过探测深空与地球大气的冷热反差来工作，精太阳敏感器是可见光探测器，可测量其安装基座与入射阳光间的夹角。6）激光后向反射器，用于反射由地面站发射的激光束，从而以几厘米的精度测定卫星高度。激光后向反射器每年大概只需使用一次，原因是利用S波段天线测距信号得到的测高精度已足够高。7）空间散热器，是能把星体内设备产生的废热散发到深空中的热交换器，可使各装置保持在其工作温度范围之内。 星体内有效载荷的组成情况是：1）一台无源脉泽钟，用作星上的主钟。它是一种原子钟，利用氢原子内的超稳1.4吉赫转变过程来测定时间，12小时误差小于0.45纳秒。2）一台铷钟，供主钟失效时使用，12小时误差小于1.8纳秒。卫星实际上有4台时钟，每种两台，但在任何时间上每种都只有一台在工作。正常情况下，工作中的主钟会生成用以产生导航信号的基准频率。若主钟失效，工作中的铷钟会立即接替它，另两台备份钟也将启动。如失效主钟所存在的问题只是出于自身原因，那么另一台主钟将在其已全面运行之时于几天后接替那台铷钟。该铷钟随后将保持待机状态或重新作为备份。采取这种方式，因为有4台星钟，“伽利略”卫星将确保能不间断地生成导航信号。3）星钟监控装置，提供4台时钟与导航信号发生器之间的接口。它把信号从工作主钟传送到导航信号发生器，并保证主钟和热备份钟所产生的频率是同步的，从而使该备份钟能在主钟失效时立即接替它。4）导航信号发生器、频率发生器和上变频器，可利用来自星钟监测装置的输入信息及来自C波段天线的上行导航与完好性数据生成导航信号。这些导航信号被转换到L波段，以便向用户广播。5）远置终端单元，是各有效载荷单元与星上计算机之间的接口。 星体内服务舱的组成情况是：1）太阳阵驱动机构，用于太阳阵与星体的连接，并用于缓慢转动太阳阵，以使阵面能随时保持与阳光垂直。2）陀螺仪，用于测量卫星的转动。3）反作用轮，用于控制卫星的转动。反作用轮转动时，星体也会随之旋转。星体每运行一圈要转动两周，以使太阳阵能始终面向阳光。4）磁力棒，可通过在反方向上施加一个力矩（转动力）来调整反作用轮的转速。5）功率调节与分配单元，用于调控来自太阳阵和蓄电池的电力，并把电力分配给卫星各分系统和有效载荷。6）星上计算机，用于对卫星和有效载荷的工作进行全方位的控制。 全面部署与运行阶段 在轨鉴定阶段后的全面部署阶段涵盖26颗卫星的制造和发射以及整个地面段的建设。全部卫星均部署到位后，由27颗工作星和3颗备份星组成的完整星座将开始运行。星座的运行需要有由地面站和局域及区域服务中心构成的庞大网络的支持。 由欧盟委员会和欧空局联合组建的伽利略联合执行体（GJU）正在选择特许经营公司（将称为“伽利略经营公司”），由其负责最终的部署和运行工作。 “伽利略”系统由全球设施、区域设施和局域设施构成。全球设施是系统的核心，包括卫星和所需的地面段。区域设施将包括多个外部区域完好性系统（ERIS），分别由欧洲以外的各机构、国家或国家群组建设和运行，以取得独立于“伽利略”系统的完好性服务，满足与系统保障相关的法律规定的要求。局域设施可在当地对“伽利略”的性能进行增强。这些设施可在无法接收卫星信号的地方提高导航信号传送性能。增值服务商将会部署局域设施。 全球设施中的每颗卫星将广播导航授时信号和导航数据信号。导航数据信号不仅含有导航所必需的时钟和星历修正数据，也包含用以提供全球天基增强服务的完好性信号。为空间段提供支持的“伽利略”系统地面段包括两座控制中心和一个全球收发站网络。 空间段的30颗卫星形成所谓的沃克（Walker）27/3/1星座，分布于额定倾角为56度的三个轨道面上。每个轨道面均匀布设9颗工作星，间隔40度，另设1颗备份星，用以替代失效的工作星。23222公里的轨道高度带来的星座重复周期为10天，其间每颗卫星要飞行17圈。 卫星轨道高度的选择考虑到了避免引力谐振的问题。这样一来，经初步轨道优化后，卫星在其寿命期内就无需再进行位置保持机动。轨道高度还要保证卫星有高度的可见性。由于要保持星座的均匀性，对各颗卫星的位置也要有所限制。每颗卫星相对于同轨道面内相邻卫星的位置均要保持在2度以内，偏离该轨道面不能超过2度。同轨道面位置精度要求相当于相对距离容许误差可超过1000公里，但仍需对卫星速度进行很精细的调整，以保证所有卫星的轨道周期都能保持严格一致。垂直于轨迹方向的容许误差意味着每颗卫星在发射时都允许有倾角和升交点赤经上的偏差，只要自然漂移处于容差之内、无需耗费大量燃料来改变轨道面即可。 各轨道面上不在使用之中的备份星将保证在有卫星失效的情况下星座能迅速得到修复，办法是由该备份星接替失效的卫星。卫星的替换仅需几天时间，无需安排新发射卫星。新发射卫星有可能要耗费数个月的时间。另外，“伽利略”卫星可采用多种火箭进行一箭双星或多星发射。 “伽利略”系统地面段的核心是两座控制中心。每座控制中心将在一专用地面控制段（GCS）的支持下实现其“控制”功能，并在一专用地面任务段（GMS）的支持下实现其“任务”功能。地面控制段将负责卫星星务管理和星座维护，而地面任务段将负责导航系统控制。 地面控制段利用额定条件下由5座测控站构成的全球测控网与每颗卫星进行通信，采取预先安排的定期联络、长期试验活动和应急联络相结合的通信方案。测控站是大型的，采用13米天线，工作于2吉赫的空间运行频段。正常工作过程中采用扩展频谱调制（类似于“跟踪与数据中继卫星系统”（TDRSS）和“阿蒂米斯”卫星数据中继用的调制方式），以实现稳健和无接口的运行。不过，当卫星的导航系统并未处于工作状态时（如发射过程中、轨道运行初期或应急状态下），采用通行的标准测控调制方式将允许利用不属于欧空局的测控站。 地面任务段将利用额定条件下由30座伽利略传感器站（GSS）构成的一个全球网络，通过包含商业卫星及有线通信设施、每条链路均采取冗余配置的一个综合通信网络，来连续监测各颗卫星的导航信号。地面任务段的首要设备是基准接收机。地面任务段与“伽利略”卫星的通信要通过由任务上行站（ULS）构成的一个全球网络进行。任务上行站设在5个地方，每个设多部3米天线。这些站将工作在5吉赫的无线电导航卫星（上行）频段。 地面任务段以两种方式来利用GSS网络。一是“轨道测定与时间同步”（OD&TS）功能，用以每隔10分钟对所有卫星在一长时段内的所有观测数据进行一次批处理，并计算每颗卫星准确的轨道和时钟偏差，包括对今后几小时预计偏差（空间信号精度，SISA）的预报。正常情况下，针对每颗卫星得出的这些计算结果将每隔100分钟通过一任务上行站按预定联络方案向该卫星上传一次。GSS网络的第二项用途是“完好性处理功能”（IPF），即从各GSS站取得每颗卫星的即时观测数据，以核实其信号的完好性。针对整个星座得出的这些计算结果将上传给选定的卫星，并进行广播，以保证任何用户都总能接收到至少两条完好性信息。 完好性信息有两部分。一是“完好性警标”，警告一个卫星信号可能已超出其容差限值。该警标将以最快的速度产生、分发和广播，以使报警时间（从用户接收机输入出错到完好性警标出现的时间）不超过6秒，并将多次重播。完好性信息的另一部分包括完好性表，将定期播发，以保证新用户或错过近期信号的用户（如穿越隧道时）能正确地重构系统状态。 可以说，OD&TS功能监测的是与引力、温控、老化或其它原因造成的衰减有关的长期参数，而IPF功能监测的是因突然失效或变化引发的短期效应。 “伽利略”全球设施还将包括一系列的试验用户接收机。 导航信号和频率 “伽利略”接收机接收由卫星播发的信号，并进行处理，以计算出位置。通过这项处理，接收机会提取能表明用户到卫星的距离的测量参数。接收机还对“伽利略”导航数据进行解码。导航数据中包含计算用户位置所需的基本信息，如由“伽利略”地面段确定并定期向星座上行传送的卫星位置或星钟误差。 卫星使用的频率在1.11.6吉赫的频段内。这一频率范围特别适合用于移动导航和通信服务。每颗“伽利略”卫星将播发10种不同的导航信号，使系统能提供开放服务、生命安全服务、商业服务和公共管理服务等。包含导航数据的信号（数据信道）和不含数据的信号（导频信道）要加以区分。两种信道的信号相位相差90度，以便接收机能将其分开。 所有卫星都以相同的频率发射信号；也就是说，不管是哪颗卫星，L1频段上的信号都是在1575.42兆赫的频率上播发。为使接收机能区分信号来自哪颗卫星，并测定信号从卫星传到接收机所用的时间（定位所需的基本测量数据），信号上加了代码。每颗卫星的代码都是不同的。这些代码就好比是钥匙。当试图截获卫星信号时，接收机会对代码与机内存储的一个当地代码进行比对。若两者相符，则接收机信道就会打开，否则接收机就会拿对应于另一颗卫星的另一个代码进行比对，直到两者成功匹配。不过，两个代码并不要求绝对一致，只要足够接近即可。 服 务 “伽利略”系统将是一个独立、全球性和由欧洲控制的星基导航系统，可向配有与其兼容的接收机的用户提供多种有保障的服务。待在轨鉴定阶段所需的4颗卫星部署后，将逐步推出GPS/EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）/“伽利略”相结合的服务。 “伽利略”系统将向全球提供导航和搜救服务。通过对“伽利略”空间信号进行组合，该系统将能独立于其它系统，向全球提供以下特有的服务。 （1）开放服务（OS）。它来源于对开放信号的组合，对用户免费，定位和授时性能与其它GNSS系统相当。这项服务面向大众市场，任何配有接收机的用户都可使用，无需授权。该项服务有多达三个不同的信号频率，但只需使用价格便宜的单频接收机就能满足精度要求不高的应用。一般来说，采用开放服务时需把“伽利略”和GPS信号结合起来，由此可改善城区等恶劣环境下的性能。开放服务不提供完好性信息，信号质量的确定全赖于用户自己。伽利略经营公司将不对这项服务提供质量保证或承担责任。 （2）生命安全服务（SoL）。可在某些精度（完好性）要求得不到满足的情况下及时向用户报警，因而性能高于开放服务。生命安全服务需要认证，其性能将通过采用经认证的双频接收机来实现。在这种条件下，未来的伽利略经营公司将为该项服务提供保证。为利用好所要求的防护水平，生命安全服务将在预留给航空无线电导航服务的频段（L1和E5）上进行。本项服务将使安全性得到提高，特别是在没有传统地面基础设施服务的地方。它是一项全球无缝服务，将提高航空公司和远洋海运公司等全球化经营公司的效率。 （3）商业服务（CS）。在放开使用的信号的基础上增加两个信号，从而可提高数据吞吐速度，并使用户能改善精度。商业服务面向性能需求高于开放服务的市场应用。它提供收费的增值服务。增加的两个信号通过商业加密来加以保护，加密由服务商和“伽利略”系统的未来经营公司来管理。商业服务的应用包括数据广播和化解不同应用中的不确定性。这些服务项目将由各服务商开发。服务商要向伽利略经营公司付费购买这两个商业信号的使用权。通过单独使用商业信号或将商业信号与其它“伽利略”信号或外部通信系统结合起来来开发商业应用将带来多种多样的可能性。全球覆盖使得需要全球数据广播的应用具有强大的优势。典型的增值服务包括服务保证、精确授时服务、提供电离层延迟模型、提供极精确定位所需的当地差分修正信号及基于系统信息数据广播的其它服务。 （4）公共管理服务（PRS）。用于向服务连续性要求很高的特定用户