全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展方向研究

劉天雄 周鴻偉 聶欣 盧鋆 劉成

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

2020年11月23日，第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會在成都勝利召開，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)四大核心供應(yīng)商的主管部門在大會上就系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行和發(fā)展情況給出了詳實的介紹，主要包括星座部署、定位精度、信號精度、星基增強(qiáng)、當(dāng)前狀態(tài)、未來發(fā)展和PNT政策等內(nèi)容。美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室指出從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現(xiàn)代化，其中空間段導(dǎo)航衛(wèi)星從提高信號精度和信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性、播發(fā)第四民用信號L1C、延長工作壽命、配置性能更優(yōu)星載原子鐘等6個方面升級能力。歐盟國防工業(yè)與空間局在大會上給出了Galileo第二代系統(tǒng)(G2G)的任務(wù)目標(biāo)和服務(wù)模式，全面解讀了歐洲對彈性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的理解。俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roscosmos)給出GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展路線圖，從精度、可用性、穩(wěn)健性和創(chuàng)新發(fā)展4個維度建設(shè)下一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)的國家主管部門的大會報告內(nèi)容十分精彩，在當(dāng)前四大GNSS提供全球服務(wù)之際，各大系統(tǒng)都在謀劃下一代系統(tǒng)升級換代，采用新技術(shù)、研發(fā)新衛(wèi)星、構(gòu)建新體系，GNSS新一輪競爭態(tài)勢凸顯。北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國第一個面向全球提供公共服務(wù)的重大空間基礎(chǔ)設(shè)施，一方面要制定措施保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，另一方面要開展下一代系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，確保北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的先進(jìn)性。本文系統(tǒng)地解讀了國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會大會報告，結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)問題，總結(jié)了GNSS的發(fā)展趨勢，給出了建設(shè)下一代北斗系統(tǒng)的建議。

1 系統(tǒng)建設(shè)

1.1 星座部署

對于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說，導(dǎo)航信號(SIS)對服務(wù)區(qū)4重以上覆蓋是無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(RNSS)的基本要求。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座設(shè)計主要包括單顆導(dǎo)航衛(wèi)星軌道設(shè)計的權(quán)衡(軌道高度、軌道傾角、軌道周期)、性能臺階的目標(biāo)及與緯度的關(guān)系、4重以上覆蓋、覆蓋幾何對幅寬的限制、星座覆蓋的綜合權(quán)衡(衛(wèi)星數(shù)量、軌道平面數(shù)量、性能臺階、平均響應(yīng)時間)等因素；基于以上考量，四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均采用地球中圓軌道(MEO)衛(wèi)星，組成特定的Walker衛(wèi)星星座，用24顆衛(wèi)星對全球形成均勻覆蓋。例如美國GPS空間星座設(shè)計為24顆MEO衛(wèi)星形成Walker24/6/2星座；俄羅斯GLONASS系統(tǒng)星座設(shè)計為24顆MEO衛(wèi)星形成Walker24/3/2星座；歐洲Galileo系統(tǒng)星座設(shè)計為24顆MEO衛(wèi)星形成Walker24/3/1星座，3個軌道面每個軌道面2顆備份衛(wèi)星。GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)星座主要特征總結(jié)如表1所示[1]。

表1 GPS、Galileo和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座主要特征Table 1 Main constellation characteristics of GPS, Galileo and GLONASS

同其他星座相比，Walker星座設(shè)計能用更少的衛(wèi)星提供相同的覆蓋水平。在星座設(shè)計中，另一個重要的問題是要求將軌道參數(shù)維持在一個特定范圍內(nèi)，稱為“相位保持”，這就要求在一顆衛(wèi)星工作壽命期間所需機(jī)動的頻度和幅度最小。為了確保導(dǎo)航星座的可靠性，一般全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在每個軌道面配置在軌備份衛(wèi)星，而不是采用一般的Walker星座。例如，GPS空間星座24顆衛(wèi)星配置在6個軌道面，在其中的3個軌道面中各配置1顆備份衛(wèi)星，采用非標(biāo)準(zhǔn)Walker24/6/2星座設(shè)計方案，6個軌道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，每一個軌道上分布著4顆工作衛(wèi)星，處于同一個軌道上的衛(wèi)星，如圖1所示[2]。

圖1 GPS標(biāo)稱星座導(dǎo)航衛(wèi)星配置Fig.1 Constellation design of GPS

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，最明顯區(qū)別的就是為實現(xiàn)定位服務(wù)要求導(dǎo)航衛(wèi)星4重覆蓋，為可靠地保證這種覆蓋水平，實際的衛(wèi)星導(dǎo)航星座可提供4重以上的覆蓋。導(dǎo)航星座穩(wěn)健性要求在每個軌道面配置多顆衛(wèi)星，而不是一般化的Walker星座，且這些衛(wèi)星位于不同的軌道面上。例如，第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室給出GPS在軌衛(wèi)星數(shù)量為36顆，30顆在軌工作(Ops capable)，6顆設(shè)置為“不健康”(not set healthy)，這30顆工作衛(wèi)星分別為8顆BLOCK-IIR衛(wèi)星、7顆BLOCK-IIR-M衛(wèi)星、12顆BLOCK-IIF衛(wèi)星、3顆BLOCK-III衛(wèi)星[3]。目前，歐州航天局給出Galileo系統(tǒng)空間段由30顆衛(wèi)星組成，星座設(shè)計方案是Walker24/3/1，每個軌道面有2顆備份衛(wèi)星[4]。2019年，在第10屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，歐洲GNSS辦公室給出Galileo在軌衛(wèi)星數(shù)量為26顆，其中22顆在軌工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆不可用，Galileo星座導(dǎo)航衛(wèi)星配置如圖2所示[5-6]。第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS在軌衛(wèi)星數(shù)量為28顆，其中24顆在軌工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆在軌維護(hù)[7]。由此可知，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量比標(biāo)稱數(shù)量多，實際在軌衛(wèi)星數(shù)量如表2所示。

圖2 Galileo星座導(dǎo)航衛(wèi)星配置Fig.2 Constellation design of Galileo

表2 GPS、Galileo和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)量Table 2 Number of in-orbit satellites of GPS, Galileo and GLONASS

1.2 定位精度

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)利用導(dǎo)航信號傳播的到達(dá)時間(TOA)來確定用戶的位置?；居^測量是導(dǎo)航信號從位置已知的衛(wèi)星發(fā)出時刻到達(dá)用戶接收該信號時刻所經(jīng)歷的時間，時間乘以信號傳播速度，就可以得到衛(wèi)星和用戶之間的距離。用戶測量4個位置已知的衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，通過4個球面交匯就能夠確定自己的位置。對于用戶來說，評價一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最直觀的指標(biāo)就是定位精度。定位精度或者說用戶接收機(jī)解算位置的標(biāo)準(zhǔn)偏差是用戶等效測距誤差(UERE)和衛(wèi)星空間幾何分布的函數(shù)。導(dǎo)航衛(wèi)星空間幾何分布的影響被稱為幾何精度因子(GDOP)，它反映了由于星座中導(dǎo)航衛(wèi)星空間幾何關(guān)系的影響造成的偽距測量與定位精度之間的比例因子，是對用戶等效測距誤差的放大程度。用戶的定位精度(σA)由UERE(σUERE)和GDOP共同決定，UERE包含用戶測距誤差(URE)和用戶設(shè)備誤差(UEE)2部分誤差。URE主要取決于衛(wèi)星的位置和星鐘的精度，不會因為用戶位置變化，即與用戶位置無關(guān)系；而UEE取決與電離層、對流層延遲誤差等與空間物理環(huán)境相關(guān)的誤差以及多徑、接收機(jī)噪聲等與用戶設(shè)備相關(guān)的誤差，會因為用戶所處位置，環(huán)境不同而不同。URE定義為導(dǎo)航衛(wèi)星位置與鐘差的實際值與導(dǎo)航電文給出的預(yù)測之差，投影在衛(wèi)星到用戶視線上的等效距離誤差，反映了預(yù)報的導(dǎo)航星歷及鐘差精度，并最終影響用戶定位精度，也稱為導(dǎo)航信號測距誤差(SISRE)。衛(wèi)星始終在軌道空間運(yùn)動，GDOP也是時間的函數(shù)，研究表明，對導(dǎo)航衛(wèi)星星座而言，觀測4顆導(dǎo)航衛(wèi)星時，GDOP典型解為2～3，因此，如果系統(tǒng)的定位精度要求為10 m，則偽UERE必須低于3.3 m，這是對導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計提出要求的最原始依據(jù)。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室給出GPS信號用戶距誤差(URE)平均為52.2 cm(RMS)，最好為38.5 cm(RMS)，最差為90.2 cm(RMS)，觀測時間段是2019年11月7日—2020年11月7日[3]。也就是說，當(dāng)GDOP值為3時，GPS的平均定位精度優(yōu)于5 m(RMS)。歐盟國防工業(yè)與空間局給出Galileo系統(tǒng)信號URE為0.25 m(95%)，全球平均定位精度小于1 m[8]，授時精度小于5 ns,觀測時間段是2020年7月。俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS系統(tǒng)信號URE最優(yōu)為0.63 m，觀測時間段是2020年5月13日—21日，公開服務(wù)(Open Service)定位精度是5.6 m[7]。由此可知，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度已進(jìn)入米級時代，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)是高精度時空基準(zhǔn)建立維持和傳遞、進(jìn)一步提升導(dǎo)航信號精度以及電離層和對流層時延改正精度。國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)精度如表3所示。

表3 GPS、Galileo和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)精度Table 3 Positioning accuracy and URE of service of GPS, Galileo and GLONASS

1.3 星基增強(qiáng)

GNSS不能全面滿足航空及精密測繪用戶的導(dǎo)航性能要求，特別是在涉及生命安全的精密進(jìn)近和自動著陸導(dǎo)航過程中，GNSS定位精度和完好性指標(biāo)均不能滿足要求。以GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)為例，SPS全球平均定位精度水平誤差≤9 m(95%置信度)、垂直誤差≤15 m(95%置信度)，可以滿足民航非精密進(jìn)近階段的定位精度要求(220 m)，但不能滿足I類精密進(jìn)近操作(CAT-I)的精密進(jìn)近垂直精度6.0～4.0 m要求。從完好性指標(biāo)要求看，GPS可以提供一定程度的完好性服務(wù)，GPS在正常運(yùn)行控制模式下，任意一小時內(nèi)，當(dāng)SPS導(dǎo)航信號的瞬時用戶測距誤差超過導(dǎo)航容差(NTE)時，系統(tǒng)沒有及時向用戶告警的概率≤1×10-5，延遲告警的最壞情況為6 h，不能滿足CAT-I精密進(jìn)近完好性要求(1-2×10-7/進(jìn)近，且告警為6 s)[9]。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個以導(dǎo)航衛(wèi)星為核心的開環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)調(diào)制有測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的無線電導(dǎo)航信號，用戶接收導(dǎo)航信號就能解算自身的位置并獲取系統(tǒng)完好性信息。衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的任務(wù)是建立天地一體閉環(huán)控制系統(tǒng)，將導(dǎo)航系統(tǒng)的偽距、鐘差、軌道、電離層和對流層延遲差分改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息同步播發(fā)給用戶，由此實現(xiàn)提高系統(tǒng)的定位精度和增強(qiáng)系統(tǒng)的完好性的目標(biāo)。星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)在廣域差分(WAD)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用矢量差分技術(shù)和完好性檢測技術(shù)，提升系統(tǒng)性能。SBAS通過地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星播發(fā)差分改正數(shù)、完好性信息和測距信號來增強(qiáng)GNSS的性能，是一種廣域增強(qiáng)系統(tǒng)。目前提供SBAS服務(wù)的有美國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)，歐洲地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航中繼服務(wù)系統(tǒng)(EGNOS)，俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)(SDCM)，日本基于多功能運(yùn)輸衛(wèi)星(MTSAT)的增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS)，印度GPS和GEO地球靜止軌道衛(wèi)星增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)(GAGAN)，各SBAS對美國GPS的L1導(dǎo)航信號進(jìn)行導(dǎo)航增強(qiáng)，播發(fā)GPS L1頻點(diǎn)的增強(qiáng)信號[10]。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室指出WAAS為北美4700多個民航機(jī)場提供帶垂直引導(dǎo)的航向道進(jìn)近程序(LPV)服務(wù)，其中1000多個民航機(jī)場具備決斷高度為200 ft(60.96 m)的帶垂直引導(dǎo)的航向道進(jìn)近程序(LPV-200)能力，達(dá)到CAT-I服務(wù)水平。為了保持WAAS服務(wù)可用性，WAAS正在研發(fā)新的3顆GEO衛(wèi)星，以取代目前北美地區(qū)上空租約到期的3顆GEO衛(wèi)星，計劃在2022年發(fā)射GEO-7衛(wèi)星。為了在電離層紊亂期間持續(xù)提高WAAS的垂直引導(dǎo)服務(wù)水平，目前WAAS正在開展雙頻多星座(DFMC)和先進(jìn)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(ARAIM)研發(fā)工作[3]。俄羅斯聯(lián)邦航天局指出SDCM空間段有3顆GEO衛(wèi)星，其中2顆GEO衛(wèi)星(Luch-5B和Luch-5V)播發(fā)GPS L1導(dǎo)航增強(qiáng)信號，1顆GEO衛(wèi)星(Luch-5A)開展SBAS研究，SDCM測量俄羅斯上空電離層延遲，評估GLONASS、GPS和SDCM的完好性，提供精度為1.0 m的導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)[7]。目前俄羅斯ISS Reshetnev公司利用Ekspress-1000N三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺，研發(fā)3顆新一代SDCM靜止軌道衛(wèi)星(Luch-5M)，替代即將到壽的Luch-5A、Luch-5B和Luch-5V衛(wèi)星，并計劃在160°E增加1顆SDCM靜止軌道衛(wèi)星，實現(xiàn)符合國際民航組織(ICAO)標(biāo)準(zhǔn)的DFMC星基增強(qiáng)服務(wù)[11]。歐盟國防工業(yè)與空間署指出EGNOS提供GPS L1導(dǎo)航信號增強(qiáng)服務(wù),主要為涉及生命安全的應(yīng)用提供完好性數(shù)據(jù)，用戶主要包括民航機(jī)場飛機(jī)精確著陸和鐵路運(yùn)輸、公路收費(fèi)以及無人機(jī)，同時為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)用戶提供精度優(yōu)于0.5 m的導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)[8]。EGNOS為民航提供民航機(jī)場提供一類垂直引導(dǎo)進(jìn)近(APV-1)服務(wù)[12]。由此可知，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)一方面增強(qiáng)系統(tǒng)完好性為涉及生命安全的民航提供精密進(jìn)近服務(wù)，一方面提高定位精度為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等用戶服務(wù)。國外衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強(qiáng)系統(tǒng)的服務(wù)性能如表4所示。

表4 WAAS、EGNOS和SDCM衛(wèi)星導(dǎo)航星基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)性能Table 4 Approach type and positioning accuracy of WAAS, EGNOS and SDCM

2 系統(tǒng)發(fā)展

2.1 GPS現(xiàn)代化

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室指出從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現(xiàn)代化，空間段導(dǎo)航衛(wèi)星的重點(diǎn)是部署10顆GPS BLOCK-III和22顆BLOCK-IIIF衛(wèi)星，BLOCK-III衛(wèi)星在提高信號精度和信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性、播發(fā)第四民用信號L1C、延長工作壽命、配置性能更優(yōu)星載原子鐘等6個方面實現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星的能力升級和效能提升。BLOCK-IIIF衛(wèi)星從統(tǒng)一S頻段跟蹤遙測和遙控、配置搜索救援載荷、安裝激光發(fā)射器3個方面進(jìn)一步提升衛(wèi)星效能?？刂贫蔚闹饕蝿?wù)是將運(yùn)行控制系統(tǒng)(OCS)分階段升級為新一代的運(yùn)控系統(tǒng)(OCX)，支持空間段GPS BLOCK-III和BLOCK-IIIF衛(wèi)星的運(yùn)控。用戶段的主要任務(wù)是配置接收現(xiàn)代化民用導(dǎo)航信號L1C(支持多GNSS之間的兼容互操作)、L2C(不同的商業(yè)應(yīng)用)、L5(受保護(hù)的頻帶，應(yīng)用涉及生命安全的服務(wù))的用戶終端[3]。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)源于軍事需求。GPS BLOCK-III衛(wèi)星進(jìn)一步強(qiáng)化GPS的軍事裝備屬性，BLOCK-III衛(wèi)星的特點(diǎn)是配置數(shù)字化載荷、大功率放大器、先進(jìn)原子鐘以及星間鏈路(Commanding/Crosslinks)，較上一代GPS BLOCK-II衛(wèi)星，定位精度提高3倍，抗干擾能力改善8倍[13]。與此同時，美國空軍研究實驗室(AFRL)制定了先鋒計劃(Vanguard program)，研制導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星3號(NTS-3)，NTS-3衛(wèi)星的敏捷波形平臺(agile waveform platform)是一個信號數(shù)字生成器，可以在軌可編程(reprogramed onboard)，由此可以實現(xiàn)軟件更新(update)、修改(modification)以及切換(switch)。利用大型相控陣L頻段天線，可以播發(fā)多個點(diǎn)波束(multiple spot beams)導(dǎo)航信號，導(dǎo)航天線如圖3所示；同時保留當(dāng)前賦球波束導(dǎo)航信號(earth coverage broadcast capability)，導(dǎo)航信號播發(fā)示意如圖4所示。NTS-3衛(wèi)星的任務(wù)是測試新型導(dǎo)航信號體制，驗證以戰(zhàn)時彈性可用為目標(biāo)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力、支撐快速多變的戰(zhàn)時任務(wù)[14]。

圖3 NTS-3衛(wèi)星大型相控陣L頻段天線Fig.3 Large phased-array L band antenna of NTS-1

圖4 NTS-3衛(wèi)星導(dǎo)航信號播發(fā)示意圖Fig.4 SIS broadcast of NTS-1

2.2 第二代Galileo系統(tǒng)

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，歐盟國防工業(yè)與空間署指出歐盟二代Galileo系統(tǒng)(G2G)的屬性是彈性。G2G服務(wù)模式、任務(wù)目標(biāo)已同相關(guān)投資方達(dá)成一致，服務(wù)模式演進(jìn)包括先進(jìn)授時服務(wù)、空間服務(wù)規(guī)模、先進(jìn)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測、緊急告警服務(wù)、搜索救援(具有返向鏈路的創(chuàng)新服務(wù))、電離層延遲預(yù)測服務(wù)、導(dǎo)航信號演進(jìn)(在用戶終端層次提高性能，包括降低功耗、縮短首次定位時間、提高精度、服務(wù)鑒權(quán)認(rèn)證等)、第二代搜索救援信標(biāo)機(jī)、播發(fā)L3導(dǎo)航信號、公開新的INAV接口控制文件(主要用于生命安全服務(wù))并向后兼容[8]。

針對2019年Galileo系統(tǒng)服務(wù)中斷問題，問題咨詢委員會給出G2G的彈性屬性建議。歐盟國防工業(yè)與空間局定義G2G的彈性屬性包括2個方面。①加強(qiáng)控制段運(yùn)行控制系統(tǒng)的程序指導(dǎo)，包括5個環(huán)節(jié)：在系統(tǒng)發(fā)生多重故障時，系統(tǒng)要保持導(dǎo)航功能，系統(tǒng)性能允許適度降級(graceful degradation)；改善在軌升級能力；根據(jù)現(xiàn)有服務(wù)和新的服務(wù)，審查保證正常服務(wù)的要素冗余情況；審查控制段運(yùn)行控制的過程和程序；持續(xù)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全。②提高當(dāng)前定義的授時服務(wù)的穩(wěn)健性[8]。(2019年7月11日，Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)生導(dǎo)航電文信息中斷問題，導(dǎo)致全球范圍所有利用Galileo系統(tǒng)進(jìn)行定位、導(dǎo)航和授時等服務(wù)的用戶無法獲得位置和時間信息。此次服務(wù)中斷117 h 10min。2019年7月14日4時15分，Galileo系統(tǒng)發(fā)布第2次公告稱“UTC時間2019年7月12日1時50分起，伽利略系統(tǒng)所有衛(wèi)星導(dǎo)航信號不能使用，在下一次公告前，所有用戶將經(jīng)歷伽利略服務(wù)中斷”。在2019年ICG大會上，歐盟對此次服務(wù)中斷的原因解釋是“owing to the rejection of expired NAV messages”[15]。)根據(jù)歐盟的解釋，可以認(rèn)為2019年Galileo系統(tǒng)服務(wù)中斷是地面控制中心數(shù)據(jù)處理軟件故障導(dǎo)致，造成處理的衛(wèi)星精密軌道、精密鐘差等導(dǎo)航電文信息錯誤。此外，時間同步是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，因此，Galileo地面控制中心的時間統(tǒng)一系統(tǒng)也有可能出現(xiàn)異常，造成控制中心所有業(yè)務(wù)運(yùn)行混亂或運(yùn)行錯誤。

2.3 GLONASS現(xiàn)代化

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展路線圖，從精度、可用性、穩(wěn)健性和創(chuàng)新發(fā)展四個維度建設(shè)下一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。從為GLONASS-M和GLONASS-K衛(wèi)星配置星間鏈路(Inter-Satellite Links)和新一代高精度原子鐘、全球部署導(dǎo)航信號監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、公布對流層和電離層延遲模型四個維度提升系統(tǒng)精度。創(chuàng)新發(fā)展包括發(fā)射GLONASS-K2系列導(dǎo)航衛(wèi)星和研發(fā)多頻接收機(jī)兩個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)魯棒性包括建設(shè)導(dǎo)航信號干擾監(jiān)測和控制系統(tǒng)以及研發(fā)彈性導(dǎo)航接收機(jī)兩個環(huán)節(jié)?？捎眯园槭褂脽o人機(jī)立法和為多個通道用戶播發(fā)導(dǎo)航信息兩個環(huán)節(jié)[7]。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明GLONASS的現(xiàn)代化包括研制新一代導(dǎo)航衛(wèi)星和地面控制段兩個環(huán)節(jié)，導(dǎo)航衛(wèi)星現(xiàn)代化又包括研制GLONASS-K、GLONASS-K2、GLONASS-B和LUCH 4個系列的導(dǎo)航衛(wèi)星，其中GLONASS-K2系列導(dǎo)航衛(wèi)星是GLONASS系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵，包括采用Ekspress-1000N三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺、衛(wèi)星設(shè)計壽命大于10年、星載原子鐘頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-14/天、采用一副相控陣天線播發(fā)雙頻(L1、L2)FDMA體制導(dǎo)航信號和三頻(L1、L2、L3)CDMA體制導(dǎo)航信號、配置無線電星間鏈路天線(Radio cross-links)、激光星間鏈路天線(Optical cross-links)、雙向/單向激光測距設(shè)備以及國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)搜索救援等載荷[7]。

3 發(fā)展趨勢

3.1 配置激光星間鏈路

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特征之一是導(dǎo)航衛(wèi)星全球組網(wǎng)，借助星間鏈路技術(shù)，一方面可以實現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向距離測量和數(shù)據(jù)傳輸，提升衛(wèi)星廣播星歷和廣播鐘差的精度，縮短衛(wèi)星廣播電文的更新周期，從而實現(xiàn)自主導(dǎo)航。具體來說是衛(wèi)星星間鏈路收發(fā)信機(jī)可以觀測到星間測距數(shù)據(jù)，星間測距數(shù)據(jù)減去利用衛(wèi)星星歷計算得到的星間距離，就可以得到一個距離偏差(O-C)方程；同時，利用星間距離對星歷參數(shù)作微分而得到偏導(dǎo)數(shù)矩陣；由此可以建立反映距離偏差與星歷偏差關(guān)系的法方程，求解法方程即可以得到星歷的改進(jìn)值，結(jié)合改進(jìn)前的星歷初值，就可以在星上完成星歷自主生成。另一方面可以實現(xiàn)星地雙向同步測量境內(nèi)衛(wèi)星鐘差，境外衛(wèi)星弧段利用星間鏈路“一跳”歸算至系統(tǒng)時間。此外，借助星間鏈路技術(shù)，可以實現(xiàn)星座所有衛(wèi)星之間的遙測遙控等數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。配置星間鏈路是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局計劃為GLONASS-M和GLONASS-K衛(wèi)星配置星間鏈路，現(xiàn)代化的新一代GLONASS-K2系列導(dǎo)航衛(wèi)星將同時配置無線電星間鏈路天線、配置激光星間鏈路天線[7]。為進(jìn)一步提升GPS的性能，在2017年的CGSIC/ION GNSS年會上，GPS理事會指出新一代的BLOCK-III衛(wèi)星將配置星間鏈路[13]。2019年，德國航空航天中心(DLR)和波茨坦地學(xué)中心(GFZ)聯(lián)合開展“開普勒”(Kepler)系統(tǒng)研發(fā)，Kepler系統(tǒng)由4～6顆低地球軌道(LEO)衛(wèi)星組成低軌星座，衛(wèi)星配置激光星間鏈路、高精度光鐘等載荷。二代Galileo系統(tǒng)也將配置激光星間鏈路，利用雙向激光鏈路實現(xiàn)中圓地球軌道(MEO)導(dǎo)航衛(wèi)星和LEO導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星之間以及MEO導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離測量、無時間誤差的激光鏈路時間傳遞和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，如圖5所示[16-17]。

圖5 Kepler星座：MEO導(dǎo)航衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星(配置高精度光鐘)之間的雙向激光星間鏈路Fig.5 Kepler constellation: two way laser cross-link between MEO satellite and LEO satellite

借助激光星間鏈路、高精度光鐘和光頻梳技術(shù)以及當(dāng)前的無線電鏈路，Kepler系統(tǒng)可以和地面運(yùn)控系統(tǒng)建立并保持的系統(tǒng)時間保持時間同步，成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時間和頻率中心。利用LEO衛(wèi)星精密軌道測定技術(shù)，借助MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間的激光鏈路，實現(xiàn)MEO導(dǎo)航衛(wèi)星厘米級的軌道精度測定。由此，可以系統(tǒng)提高Galileo的定位和授時服務(wù)精度。

此外，通過在LEO衛(wèi)星配置高精度導(dǎo)航監(jiān)測接收機(jī)，可以實現(xiàn)對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)MEO導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航信號的天基監(jiān)測，預(yù)測MEO衛(wèi)星的廣播星歷和鐘差精度、給出導(dǎo)航信號的質(zhì)量和完好性狀態(tài)，綜合處理形成導(dǎo)航信號精度、導(dǎo)航信號監(jiān)測精度、導(dǎo)航電文完好性、導(dǎo)航信號完好性以及導(dǎo)航系統(tǒng)完好性信息，通過星間鏈路傳遞給MEO衛(wèi)星，再由MEO衛(wèi)星播發(fā)給地面用戶，實現(xiàn)LEO衛(wèi)星增強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

3.2 提供安全可信導(dǎo)航服務(wù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，在政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等方面具有重要的意義，世界主要軍事大國和經(jīng)濟(jì)體都在競相發(fā)展獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全面服務(wù)于交通運(yùn)輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、智慧城市、農(nóng)林牧漁等行業(yè)，融入電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、金融網(wǎng)絡(luò)等國家核心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用指揮控制、協(xié)同作戰(zhàn)、武器制導(dǎo)、精確打擊，成為主導(dǎo)信息化戰(zhàn)爭的核心技術(shù)之一。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)先天的脆弱性(信號落地電平低、穿透能力差)導(dǎo)致其極易受到電磁干擾和電子欺騙威脅，在信號遮擋和多徑干擾環(huán)境下，嚴(yán)重制約了導(dǎo)航系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù)的可用性，衛(wèi)星導(dǎo)航信號，例如，GPS民用L1 C/A碼信號落地電平為-160 dBW[9]，而我們?nèi)粘Ｊ褂寐?lián)通手機(jī)信號功率則為-134 dBW，也就是說GPS用戶接受到的信號強(qiáng)度大約只有手機(jī)信號的1/400，較低的射頻干擾信號就可以對GPS下行信號產(chǎn)生較大的干擾。例如，一個10 W的GPS信號干擾機(jī)有效輻射干擾信號功率與干擾范圍之間的關(guān)系如圖6所示，圖中的3條曲線分別是干擾軍碼跟蹤曲線、干擾民碼跟蹤曲線和干擾信號捕獲曲線，橫坐標(biāo)為給定干擾范圍內(nèi)，縱坐標(biāo)全面干擾GPS接收機(jī)的干擾信號有效功率[18]。

圖6 有效輻射干擾信號功率與干擾范圍之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between range to target and Jammer effective radiated power

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室闡明GPS BLOCK-III衛(wèi)星要提高導(dǎo)航信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性，實現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星現(xiàn)代化[3]。此外，美軍還從給不同用戶配置導(dǎo)航信號角度，提升GPS的PNT服務(wù)的安全性和可信性，例如，民用導(dǎo)航信號L1C(支持多GNSS之間的兼容互操作)、L2C(支持不同的商業(yè)應(yīng)用)、L5(受保護(hù)的頻帶，應(yīng)用涉及生命安全的服務(wù))。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明通過建設(shè)導(dǎo)航信號干擾監(jiān)測和控制系統(tǒng)以及研發(fā)彈性導(dǎo)航接收機(jī)兩個環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)魯棒性?？垢蓴_能力可以通過用戶接收機(jī)輸入的干信比(J/S)量化評估，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出的GLONASS用戶終端抗干擾指標(biāo)如表5所示[7]。

表5 GLONASS用戶終端抗干擾指標(biāo)Table 5 Anti-interference index of user terminal of GLONASS

如果知道了導(dǎo)航信號的特征，就可以偽造調(diào)制有錯誤導(dǎo)航電文參數(shù)的虛假導(dǎo)航信號，從而欺騙用戶接收機(jī)錯誤鎖定到虛假的欺騙信號上,并產(chǎn)生錯誤的定位結(jié)果。2011年12月4日，伊朗工程師通過重構(gòu)GPS信號導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，誘使美國洛克希德-馬丁公司的RQ-170哨兵無人機(jī)(UAV)降落到伊朗東北部的喀什馬爾市附近，是經(jīng)典的導(dǎo)航欺騙干擾事件。為了防止這種電子欺騙干擾，美國研發(fā)了反電子欺騙(AS)技術(shù)。反電子欺騙能力可以通過用戶接收機(jī)正確解算導(dǎo)航解的概率來量化評估，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出的GLONASS用戶終端反電子欺騙指標(biāo)如表6所示[7]。

表6 GLONASS用戶終端反電子欺騙指標(biāo)Table 6 Anti-spoofing index of user terminal of GLONASS

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，歐盟國防工業(yè)與空間署從服務(wù)認(rèn)證和鑒權(quán)的角度來提升Galileo系統(tǒng)PNT服務(wù)的安全性和可信性。提高可信性的措施是公開服務(wù)導(dǎo)航電文鑒權(quán)(OSNMA)，目前Galileo系統(tǒng)已經(jīng)確定了OSNMA的方案，OSNMA模塊完成了鑒定和集成，正在開展系統(tǒng)內(nèi)部測試工作。OSNMA是新起草的智能行車記錄儀規(guī)則的基礎(chǔ)，在OSNMA接收機(jī)和應(yīng)用環(huán)節(jié)，編制了接收機(jī)研制指南、相關(guān)OSNMA接收機(jī)軟件和硬件已上市。計劃在2021年開展三方面工作，①鞏固當(dāng)前基礎(chǔ)工作成果，確保OSNMA接收機(jī)投入使用后的魯棒性；②在通過公開測試和測試驗證后，才能開通OSNMA服務(wù)；③公開發(fā)布官方導(dǎo)航信號接口控制文件(SIS ICD)和OSNMA接收機(jī)研制指南[8]。此外，針對商業(yè)服務(wù)對安全性的要求，開展提高安全性的措施是商業(yè)鑒權(quán)服務(wù)(CAS)，CAS性能和上線時間已確定，服務(wù)模式可行性還在進(jìn)一步細(xì)化，較OSNMA服務(wù)，CAS采取對導(dǎo)航信號加密，播發(fā)獨(dú)特的認(rèn)證信號E6/L6等措施為保險和金融交易等特殊行業(yè)用戶可以提供更加有力的保護(hù)[8]。

3.3 細(xì)分民用導(dǎo)航信號

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室將L2C定義為GPS的第二民用信號，用于不同的商業(yè)用戶；L5定義為GPS的第三民用信號，用于涉及生命安全的民用航空等用戶；L1C定義為GPS的第四民用信號，用于支持GNSS之間的兼容互操作[3]。L1 C/A為GPS的第一民用信號，是當(dāng)前導(dǎo)航市場的主導(dǎo)信號。俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明GLONASS-K2系列導(dǎo)航衛(wèi)星是GLONASS系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了提升市場占有率，GLONASS-K2系列導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)L1、L2兩路與其他GNSS不一致的頻分多址(FDMA)體制導(dǎo)航信號，以維系老用戶的權(quán)益，同時播發(fā)L1、L2、L3三路新的與其他GNSS一致的碼分多址(CDMA)導(dǎo)航信號，新的CDMA導(dǎo)航信號是GLONASS系統(tǒng)能否在民用市場取得份額的關(guān)鍵[7]。歐盟國防工業(yè)與空間局將Galileo系統(tǒng)1164～1215 MHz的E1/E5雙頻導(dǎo)航信號定義為第一大眾市場信號，1260～1300 MHz的E6/L6頻點(diǎn)導(dǎo)航信號服務(wù)于高精度用戶，提供2 cm高精度定位服務(wù)[8]。

3.4 導(dǎo)航與通信業(yè)務(wù)融合

在全球任何地點(diǎn)、任何時間實現(xiàn)導(dǎo)航信號對地面服務(wù)區(qū)4重以上覆蓋是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)的基本要求，由此，GPS、Galileo和GLONASS均采用標(biāo)稱24顆導(dǎo)航衛(wèi)星的Walker星座設(shè)計方案。全球覆蓋的衛(wèi)星星座是一種資源，除了提供定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，還可以利用全球覆蓋特性，為用戶提供其他服務(wù)。例如，GPS衛(wèi)星核爆探測系統(tǒng)(NBDS)載荷配置探測大氣層內(nèi)核爆炸的輻照度儀和用于探測大氣層外空間核爆炸的X射線探測器以及用于測試帶輻射劑量水平的荷電粒子劑量儀，能夠精確測定全球范圍內(nèi)任何地點(diǎn)核武器爆炸的具體位置及發(fā)生時間，同時輔助評估核爆當(dāng)量[19]。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為用戶提供區(qū)域和全球兩種類型的短報文通信服務(wù)[6]，在通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的區(qū)域，可以提供應(yīng)急通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，結(jié)合北斗系統(tǒng)的定位功能，北斗短報文通信服務(wù)在搜索救援、救災(zāi)減災(zāi)、態(tài)勢感知、車輛監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為北斗系統(tǒng)的特色服務(wù)。文獻(xiàn)[6]指出目前北斗短報文通信服務(wù)正在申請加入全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GMDSS)，2018年6月，國際海事組織批準(zhǔn)北斗短報文通信服務(wù)加入GMDSS申請，有國際移動衛(wèi)星組織開展GMDSS技術(shù)與運(yùn)營評估。北斗短報文通信服務(wù)開啟了衛(wèi)星導(dǎo)航與衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)融合的先河，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益，其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)紛紛效仿。

Galileo系統(tǒng)配置了搜索救援載荷，支持全球搜索救援業(yè)務(wù)，簡稱SAR/Galileo業(yè)務(wù)，較傳統(tǒng)的國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的搜索救援業(yè)務(wù)，SAR/Galileo業(yè)務(wù)有兩大技術(shù)突破，①對用戶上行救援信號的監(jiān)測時間由平均45 min減少到到平均30 s，定位精度從典型5 km提高到10 m；②增加衛(wèi)星對用戶信標(biāo)的返向鏈路通信功能，從而可以使用戶確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)收到求救信息。從2015年底開始,Galileo系統(tǒng)在10顆衛(wèi)星上搭載了一代SAR載荷[20]。第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，歐盟國防工業(yè)與空間局指出SAR/Galileo業(yè)務(wù)已集成到COSPAS-SARSAT系統(tǒng)的搜索救援業(yè)務(wù)，上行鏈路性能優(yōu)良，實現(xiàn)了分鐘級遇險信號檢測，米級定位精度，并已經(jīng)在救援過程中挽救了遇險人員。2020年1月21日，SAR/Galileo業(yè)務(wù)提供返向鏈路(RLS)服務(wù)，系統(tǒng)對用戶發(fā)出的求救信標(biāo)予以確認(rèn)。與此同時，Galileo系統(tǒng)還為車禍遇險人員提供自動通話位置確定服務(wù)(eCall)以及E112緊急呼叫位置(E911)確定服務(wù)。二代Galileo系統(tǒng)的SAR業(yè)務(wù)將配置第二代SAR載荷，進(jìn)一步提升RLS性能[8]。

導(dǎo)航衛(wèi)星配置的SAR載荷實質(zhì)是一種通信衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，接收用戶信標(biāo)機(jī)發(fā)出的406.05 MHz遇險信號，然后將遇險信號上變頻到L頻段并播發(fā)給地面中軌道搜索地面站(MEOLUT)，MEOLUT據(jù)此開展用戶的位置解算。早在2000年，美國國家航空航天局(NASA)的戈達(dá)德航天飛行中心(GFSC)與能源部的圣地亞國家實驗室(SNL)研究在GPS衛(wèi)星增加SAR轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的可行性，也就是后來的GPS衛(wèi)星遇險報警系統(tǒng)(DASS)。2006年，GFSC利用GPS的BLOCK-IIR衛(wèi)星開展了DASS業(yè)務(wù)原理驗證，2011年1月，有9顆GPS BLOCK-ⅡR衛(wèi)星搭載了DASS載荷，DASS可以瞬時檢測和定位到應(yīng)急信標(biāo)發(fā)出的遇險信號，極大增強(qiáng)了搜索救援能力。DASS是MEOSAR體制在GPS系統(tǒng)的概念驗證，主要驗證互操作參數(shù)、相關(guān)功能、頻譜特性、轉(zhuǎn)發(fā)器性能和發(fā)射機(jī)參數(shù)，其中互操作參數(shù)包括下行鏈路調(diào)制、頻率、EIRP和極化以及轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。DASS的服務(wù)不是COSPAS/SARSAT系統(tǒng)的強(qiáng)制要求，DASS數(shù)據(jù)可提供給COSPAS/SARSAT系統(tǒng)使用[21]。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室闡明BLOCK-IIIF系列導(dǎo)航衛(wèi)星將配置SAR載荷，提供符合國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的搜索救援服務(wù)[3]。俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明GLONASS-K2系列導(dǎo)航衛(wèi)星將配置搜索救援(SAR)載荷，提供符合國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的搜索救援服務(wù)[7]。

3.5 建設(shè)彈性系統(tǒng)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為用戶免費(fèi)提供高精度的定位、導(dǎo)航和授時(PNT)服務(wù)，可以作為國家的時空基準(zhǔn)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與其他產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)性和融合性，使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、大數(shù)據(jù)服務(wù)和人工智能技術(shù)的技術(shù)支撐，與國家安全、國民經(jīng)濟(jì)和社會民生密切相關(guān)。但是衛(wèi)星導(dǎo)航信號從生成、播發(fā)、傳播到接收的過程中會受到許多不利影響，特別是導(dǎo)航信號在物理遮擋(森林、城市、室內(nèi)、地下、水下)、電磁干擾(無意干擾、敵意干擾)等環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度、連續(xù)性、完好性和可用性存在風(fēng)險甚至是不可用，對于依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為時空基準(zhǔn)的用戶，將可能面臨災(zāi)難性的后果。

因此，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)積極謀劃PNT服務(wù)在復(fù)雜電磁對抗環(huán)境下的可用性和可行性，降低對地面系統(tǒng)的依賴，提升系統(tǒng)自主導(dǎo)航能力，并尋求衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)拒止情況下的備份手段。2014年6月，美國國防先進(jìn)研究計劃局(DARPA)發(fā)布了題為“在對抗條件下獲得空間時間和定位信息技術(shù)”(STOIC)的招標(biāo)書，擬開發(fā)不依賴于GPS，可在對抗環(huán)境下使用的PNT系統(tǒng)，要求導(dǎo)航信號覆蓋半徑不小于1萬千米，系統(tǒng)定位精度10 m，授時精度30 ns[1]。針對GPS信號容易受到干擾和欺騙的問題，美國學(xué)者指出PNT彈性屬性包括3個因素：導(dǎo)航數(shù)據(jù)可信(trusted data)、導(dǎo)航信號加密(encrypted signals)和導(dǎo)航信號替代(alternative signals)[22]。AFRL研制NTS-3的任務(wù)之一是測試新型定位信號體制，驗證以戰(zhàn)時彈性可用、確保制導(dǎo)航權(quán)為目標(biāo)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力[23]。

第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室闡明為了滿足民用和國家安全的PNT服務(wù)需求，首先要保證GPS的穩(wěn)定運(yùn)行，其次可以考慮利用國外PNT服務(wù)來增強(qiáng)和加強(qiáng)GPS的彈性，此外可以開展國際合作來檢測、減緩有害干擾以增強(qiáng)GPS的彈性。2020年2月12日，美國總統(tǒng)簽署行政命令來加強(qiáng)美國PNT服務(wù)的彈性，該命令旨在通過聯(lián)邦政府、核心的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營和管理方負(fù)責(zé)人地使用PNT服務(wù)來增強(qiáng)國家PNT服務(wù)的彈性[3]。歐盟國防工業(yè)與空間署定義G2G的彈性屬性，核心思想是在Galileo系統(tǒng)發(fā)生多重故障時，系統(tǒng)要保持功能，系統(tǒng)性能適度降級(graceful degradation)[8]。俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明通過建設(shè)導(dǎo)航信號干擾監(jiān)測和控制系統(tǒng)以及研發(fā)彈性導(dǎo)航接收機(jī)兩個環(huán)節(jié)提高GLONASS系統(tǒng)魯棒性[7]。此外，GLONASS系統(tǒng)下一代衛(wèi)星GLONASS-K2通過FDMA和CDMA兩種體制導(dǎo)航信號，一定程度上也能提高系統(tǒng)的彈性。

4 結(jié)束語

2020年，四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均已提供服務(wù)，目前四大系統(tǒng)都在規(guī)劃下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)方案。在第11屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航年會上，美國國務(wù)院空間事務(wù)辦公室給出了GPS現(xiàn)代化的方案，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展路線圖，歐盟國防工業(yè)與空間局給出二代Galileo系統(tǒng)(G2G)的服務(wù)演進(jìn)特點(diǎn)，定義了G2G的彈性屬性。2021年，國家已將北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展列入國家“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)項目[24]，在要推動北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展同時，應(yīng)推動國家綜合定位導(dǎo)航授時(PNT)體系建設(shè)。從國外導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展方向看，有以下5點(diǎn)建議。

1)四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能差異取決于時鐘預(yù)報誤差及電文更新周期

LEO或者GEO衛(wèi)星配置超高精度原子鐘和激光終端，利用雙向激光鏈路實現(xiàn)與MEO導(dǎo)航衛(wèi)星以及MEO導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離測量、時間傳遞和數(shù)據(jù)傳輸，利用光頻梳技術(shù)以及無線電鏈路和地面運(yùn)控系統(tǒng)保持時間同步，結(jié)合衛(wèi)星精密軌道測定技術(shù)，最終實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時頻基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)天基化，大幅度減少對地面系統(tǒng)的依賴，實現(xiàn)系統(tǒng)自主導(dǎo)航。不僅可以解決北斗系統(tǒng)不能全球建立導(dǎo)航信號監(jiān)測站的困境，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的自主導(dǎo)航服務(wù)。

2)MEO衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)決定了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)健性

目前四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)稱Walker星座均由24顆MEO衛(wèi)星組成，不同的是軌道面的數(shù)量和實際在軌備份衛(wèi)星數(shù)量。GPS在軌衛(wèi)星數(shù)量為36顆，其中30顆在軌工作[3]。Galileo系統(tǒng)目前在軌衛(wèi)星數(shù)量為26顆，其中22顆工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份[4]。GLONASS在軌衛(wèi)星數(shù)量為28顆，其中24顆工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆在軌維護(hù)[7]。文獻(xiàn)[6]指出北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用3GEO+3IGSO+24MEO混合星座構(gòu)型，利用24顆MEO衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋。顯然，借鑒GPS的經(jīng)驗，為了確保北斗系統(tǒng)全球PNT服務(wù)的可靠性，需要在每個軌道面配置1～2顆備份衛(wèi)星。同樣，3顆GEO衛(wèi)星為我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域短報文(RSMC)、星基增強(qiáng)(SBAS)、精密單點(diǎn)定位(PPP)等導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)，也需要配置1顆在軌備份衛(wèi)星。

3)下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有彈性特征

在復(fù)雜電磁對抗環(huán)境下，一方面要強(qiáng)化北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全性、可用性和可信性，一方面要積極謀劃備份手段，確保在復(fù)雜電磁對抗環(huán)境下用戶能夠持續(xù)獲取PNT信息。例如，美軍從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現(xiàn)代化；并同步發(fā)展地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)e-Loran(其特點(diǎn)是信號功率大，戰(zhàn)時不易受到干擾，可以彌補(bǔ)GPS的短板)。與此同時，美國又利用新一代銥星通信系統(tǒng)播發(fā)衛(wèi)星授時與定位(STL)脈沖導(dǎo)航信號，為用戶提供獨(dú)立的定位和授時服務(wù)。文獻(xiàn)[25]指出STL服務(wù)的定位精度50 m、授時精度200 ns，STL信號功率比GPS信號高30 dB，故戰(zhàn)時具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

4)低成本高效益的導(dǎo)航增強(qiáng)是未來發(fā)展的必由之路

德國DLR和GFZ利用由4～6顆LEO衛(wèi)星組成Kepler低軌星座，配置高精度光鐘和激光星間鏈路等載荷，構(gòu)建下一代Galileo系統(tǒng)的天基時間基準(zhǔn)，提升Galileo系統(tǒng)的衛(wèi)星廣播星歷和廣播鐘差的精度，縮短衛(wèi)星廣播電文的更新周期，由此系統(tǒng)提升Galileo系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù)精度。此外，通過在LEO衛(wèi)星配置高精度導(dǎo)航監(jiān)測接收機(jī)，可以實現(xiàn)對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)MEO導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航信號的天基監(jiān)測，預(yù)測MEO衛(wèi)星的廣播星歷和鐘差精度、給出導(dǎo)航信號的質(zhì)量和完好性狀態(tài)，實現(xiàn)LEO衛(wèi)星增強(qiáng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[13]指出NTS-3衛(wèi)星采用地球靜止軌道設(shè)計方案，并計劃利用4顆地球靜止軌道的NTS-3衛(wèi)星實現(xiàn)對GPS全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)。美國和歐洲的高軌和低軌導(dǎo)航增強(qiáng)方案均是利用幾顆衛(wèi)星就能實現(xiàn)各自系統(tǒng)的導(dǎo)航性能增強(qiáng)，值得我們學(xué)習(xí)借鑒。

5)基于LEO通信星座的導(dǎo)航系統(tǒng)、LEO導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)和LEO全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概念不同

(1)基于LEO通信星座的導(dǎo)航系統(tǒng)：在不影響通信任務(wù)的前提下，統(tǒng)籌設(shè)計LEO通信衛(wèi)星的通信信號和導(dǎo)航信號，導(dǎo)航信號包含測距碼信號和含有星歷等信息的導(dǎo)航電文，用戶接受多顆LEO衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航信號，利用接收機(jī)對多個脈沖導(dǎo)航信號瞬時多普勒圓錐曲面相交點(diǎn)，就可以確定接收機(jī)的位置?？梢宰鳛楫?dāng)前以MEO衛(wèi)星為測距源的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的備份系統(tǒng)。典型方案是美國基于新一代銥星移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)播發(fā)STL脈沖導(dǎo)航信號，為用戶提供獨(dú)立的具有較高精度的定位和授時服務(wù)。在不改變銥星通信載荷時頻單元劃分和通信信號物理層設(shè)計的基礎(chǔ)上，在銥星通信信號1616～1626.5 MHz頻帶內(nèi)，占用后0.5 MHz帶寬(1616～1626.5 MHz)資源，單工信道播發(fā)STL脈沖導(dǎo)航信號(每1.4 s播發(fā)一次)，STL信號具有落地電平高(較GPS信號高30 dB)，因此抗干擾能力強(qiáng)。此外。由于銥星衛(wèi)星通信信號、STL脈沖導(dǎo)航信號以及GPS信號均采用L頻段且頻點(diǎn)相近，因此，用戶可以用一臺接收機(jī)(共用射頻前端，數(shù)字基帶處理軟件不同)同時接受銥星通信信號、STL導(dǎo)航信號以及GPS信號，十分便捷地實現(xiàn)通導(dǎo)一體化服務(wù)。

(2)LEO導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)：LEO衛(wèi)星配置高精度原子鐘和激光星間鏈路載荷，利用雙向激光鏈路實現(xiàn)MEO導(dǎo)航衛(wèi)星和LEO導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星之間以及MEO導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離測量、無時間誤差的激光鏈路時間傳遞和數(shù)據(jù)傳輸，借助光頻梳技術(shù)以及無線電鏈路，LEO衛(wèi)星星座可以和地面運(yùn)控系統(tǒng)保持時間同步，并成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時頻率中心。通過LEO和MEO衛(wèi)星聯(lián)合定軌等手段，系統(tǒng)提生高當(dāng)前全球衛(wèi)星導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)精度和完好性。典型方案是Kepler低軌星座對二代Galileo系統(tǒng)的導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。此外，還可以獨(dú)立設(shè)計低成本的LEO衛(wèi)星星座，衛(wèi)星時頻載荷不再配置高精度高成本的星載原子鐘，利用GNSS的播發(fā)的高精度授時信號馴服LEO衛(wèi)星配置的高溫晶振，獲得LEO衛(wèi)星的時頻基準(zhǔn)，同時利用GNSS接收機(jī)獲取LEO衛(wèi)星的位置。利用LEO衛(wèi)星監(jiān)測以當(dāng)前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的MEO信號，播發(fā)MEO導(dǎo)航信號差分改正數(shù)和完好性信息，從而實現(xiàn)提升MEO導(dǎo)航信號精度、MEO導(dǎo)航信號全球完好性監(jiān)測的目的。此外，LEO衛(wèi)星還可以進(jìn)一步播發(fā)測距信號和含有星歷等信息的導(dǎo)航電文的兩路簡化信號，獨(dú)立提供高精度導(dǎo)航服務(wù)。獨(dú)立設(shè)計低成本的LEO衛(wèi)星星座，不管是監(jiān)測MEO信號，還是播發(fā)LEO導(dǎo)航信號，其成本和商業(yè)模式均值得商榷。

(3)低軌全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(LEO GNSS)：文獻(xiàn)[26]指出商業(yè)寬帶巨型LEO星座可以配置獨(dú)立的導(dǎo)航載荷，基于通導(dǎo)融合理念，LEO通信衛(wèi)星播發(fā)猝發(fā)類型(burst-type)導(dǎo)航測距信號，用戶在一個時間歷元接收多個猝發(fā)測距信號，通過比較信號接收時延和解調(diào)信號給出的星歷和鐘差，利用標(biāo)準(zhǔn)非線性偽距定位(standard non-linear pseudorange positioning)或者擴(kuò)展Kalman濾波器技術(shù)，實現(xiàn)用戶位置和時間估計。