欧洲伽利略卫星导航系统进展_中_.pdf

中国航天2011年第9期欧洲伽利略卫星导航系统进展（中 ）□徐菁2%伽利略系统进展2.1空间段 2.1.1伽利略卫星星座伽利略卫星星座由30颗 卫 星 组 成（见图3） 这些卫星均匀分布在3个中高度地球轨道上， 其星座构形为Walker 27/3/1， 并有3颗在轨备份星 卫星轨道高度为23616km， 轨道倾角为56°， 设计寿命20年伽利略卫星 （见图4） 的 尺 寸 为2.7m ×1.2m ×1.1m，太阳 电 池 翼 展 开 跨 度13m，发 射 质 量 700kg， 功率1.6kW，主要有效载荷包括质量为130kg、 功率为900W的 导 航 载 荷 和 质 量 为 15kg、 功率为50W的搜救转发器 伽利略卫星发送连续的测距码和导航数据， 即使在恶劣情况下 ， 时 钟 坐 标 和 导 航 数 据 每100min上行注入一次， 完好性数据每秒钟上行注入一次伽利略卫星提供10个右圆极化的导航信号和1个搜救信号 依据国际电联的规定： 导航信号分别在分配的无线电导航 卫 星 系 统 频 段1164 ～1215MHz、1260 ～1300MHz和 1559～1591MHz内 发 射 ； 搜 救信号将在一个紧急服务预留频段 （1544～1545MHz） 内 广 播 。

系 统 采 用 码 分 多 址 （CDMA）扩频技术， 各卫星以相同的频率发射信号 伽利略卫星射频信 号 的 调 制 除 了 采 用 传 统 的BPSK调 制 技 术 外 ， 还 采 用 一种新的调制技术———二元补偿载 波BOC调 制 与BPSK相比， 这种调制方式具有较好的抗多路径效应、 降低码噪声和易于信号跟踪等优点， 将成为未来卫星导航与通信系统信号的有效调制手段2.1.2伽利略卫星有效载荷（1） 导航有效载荷导航有效载荷主要包括：①图3伽利略卫星星座示意图图4伽利略卫星24··Sep. 2011 Aerospace China授时系统；②信号产生子系统，对载波频率进行格式化、 编码和调制；③无线电频率子系统， 放大调制载波；④天线子系统， 向用户发送导航信号；⑤C频段数据接收系统， 负责接收导航电文和完好性数据 其中， 授时系统由星载原子钟以及相对应的功分器、 功率合成器、 频率分配网络 、 二 次 电 源 模 块 和 锁 相 环（PLL） 电路等部件构成 星载原子钟是卫星授时系统的核心，包括2台铷钟和2台氢脉泽钟铷 钟 质 量 为3.2kg，功 率 为30W； 氢 脉 泽 钟 质 量 为18kg，功率为70W。

铷钟体积小， 成本低， 具有较短的周期稳定度（优于10纳秒/天）， 是在星上采用的最先进的铷钟； 而氢脉泽钟的周期稳定度更短 （优于1纳秒/天）， 世界上首次在星上采用这种氢钟星载铷钟由原子共振器和控制电子部件组成 在共振器的铷蒸气单元中， 原子在高温环境中保持气态 为了引起共振， 原子被共振器一端的铷放电灯照射而处于激活状态； 在共振器的另一端， 光电二极管探测通过共振器的光子数量这些被激活后的原子衰退到更低的状态后， 通过在设定的频率 上 向 共 振 器 内 注 射 微 波 能量， 又被重新激活到中等能级水平 当这些原子处于中等能级 状 态 时 ， 光 子 的 吸 收 量 最大 光电二极管的输出量与调整微波频率的控制电路有关通过调节微波源维持恰当的频率， 从而获得最大的光子吸收量， 并利用铷放电灯的能量来维持共振， 使这些处于中等能级状态的原子又被激活到更高状态， 然后衰退到更低状态这样整个过程又重新开始星载氢脉泽钟已在2008年发射的GIOVE-B卫星上试验成功 该钟也由原子共振器和控制电子部件组成， 其内的存储瓶中的氢分子流向气体放电灯泡， 然后分离为氢原子 这些氢原子通过瞄准仪和磁性选择器进入共振腔， 而选择器只允许符合能量水平的原子进入。

进入共振腔的氢原子被限制在一个石英存储管中， 在恢复到基本的能量状态后发射微波频率 当发射的微波频率与原子的共振频率相同时， 会被一个询问电路探测到， 由询问电路锁定并放大微波信号2） 搜救有效载荷每颗伽利略卫星上都安装有搜救 （SAR） 有效载荷 它支持现有的国际搜救系统 （COSPAS/SARSAT）， 并能满足国际海事组织 （IMO） 和国际民航组织（ICAO） 在求救信号探测方面的要求搜救有效载荷是一个变频转发器， 质量约15kg， 功率为50W 该有效载荷在406MHz频带上检出求救信号， 将其转化为1544MHz频 带 （称 为L6频带， 保留为紧急服务使用） 的信号发送到地面救援系统 另外， 它还将把在C频段上接收到的由搜救注入站发来的救援指令变换到L频段发送给搜救终端 伽利略系统将定位功能和搜救功能集成在一个系统中，并能够实现全球无缝覆盖， 系统用户在任何地点和时间均可接收到4颗卫星信号， 从而确保实时报警和求救信号被可靠接收 搜救有效载荷具有双向转发功能， 可以将救援指令发送到求救者所在区域， 及时通知附近的救援组织前往营救；求救者收到此信号后， 也可以确知求救信号已被受理， 从而做好准备， 以配合救援行动。

2.1.3伽利略系统服务模式伽利略系统在军事和民用等领域都具有十分广阔的应用前景， 可提供免费服务和有偿服务两种服务模式 免费服务的设计定位精度为6m， 比现有GPS民用信号精度高； 有偿服务的定位精度可优于1m， 将为民航等用户提供高可靠性和高精度的导航定位服务 虽然伽利略系统提供的信息仍然是位置、 速度和时间， 但是其服务种类比GPS多GPS仅有标准定位服务 （SPS） 和精确定位服务 （PPS） 两种， 而伽利略则提供5种服务， 分别是①公开服务 （OS），②生 命 安 全 （SoL）服务，③商业服务 （CS），④公共 特 许 服 务 （PRS） ，⑤搜 救（SAR） 服务1） 导航服务在伽利略系统提供的5种服务中， 公开服务、 生命安全服务、 商业服务和公共特许服务是导航服务1） 公开服务 这种服务分为单频和双频两种， 为大规模导航应用提供免费的定位、 导航和授时服务， 针对不需要任何保证的大市场应用， 如车辆导航和移动定位 当用户在固定地面位置使用接收机时， 可为网络同步和科学应用提供精确授时服25··中国航天2011年第9期务 公开服务与现有的GPS和GLONASS系统的类似服务相兼容。

伽利略接收机也能够接收GPS和GLONASS信号， 其精度与常规的差分GPS精度相同，不需要额外的地面基础设施， 任何用户只要配备一台接收机就可以使用2） 生命安全服务 这种服务主要涉及陆地车辆、 航海和航空等危及用户生命安全的领域，要求提供迅速、 及时和全面的系统完好性信息以及高水平的导航定位和相关业务 它还将提供全球完好性信号， 可以被加密， 是公开服务信号的一部分 其性能与国际民航组织要求的标准和其他交通模式 （地面、 铁路、 海洋） 相兼容 生命安全服务和当前 得 到 的EGNOS校 正 增 强 的GPS系统相结合， 能满足应用的更高要求3） 商业服务 商业服务主要涉及专业用户， 是对公开服务的一种增值服务， 以获取商业回报 它具备加密导航数据的鉴别功能， 为测距和授时专业应用提供有保证的服务承诺 商业服务大部分与以下服务内容相关联：①分发公开服务中的加密附加数据；②非常精确的局部差分应用， 使用公开信号覆盖公共特许服务信号E6；③支持伽利略系统定位应用和无线通信网络的完好性领航信号商业服务中2种额外加密信号的接入， 使其具有更快的数据吞吐量和更高的精度， 授时精度达到100ns。

商业服务采用准入控制措施， 其实现将通过接收机上的 “进入密码”（类似移动通信中的PIN码） 来保证， 这样就无需使用昂贵的信号编码技术4） 公共特许服务 这种服务是为欧洲/国家安全应用专门设置的， 主要用户包括警察、海岸警卫队及海关等 公共特许服务以专门的频率向欧盟各国提供更广泛的连续性定位和授时服务， 其卫星信号具有高连续性和强抗干扰性， 并受成员国控制 公共特许服务主要用于： 欧洲/国家安全、 应急服务， 全球环境和安全监测， 其表2伽利略系统导航服务性能参数伽利略服务公开服务商业服务生命安全服务公共特许服务覆盖全球全球全球全球定位精度 （水平，2dRMS，95%）（垂直，95%）单频：15m或24m（水平）、35m（垂直）； 双频：4m（水平）、8m（垂直）双频：4m（水平）、8m（垂直）单频：15m或24m（水平）、35m（垂直）； 双频：6.5m（水平）、12m（垂直）定时精度30ns30ns30ns30ns无无12m（水平）、20m（垂直）20m（水平）、35m（垂直）6s10s3.5×10－7/150s3.5×10－7/150s连续性风险1×10－5/15s1×10－5/15s服务有效性99.5%99.5%99.5%99.5%通道控制免费开放通道控制通道： 测距码和导航数据导航数据的完好性信息证明控制通道： 测距码和导航数据确认和服务保证无服务的可用性保证服务的安全性保证服务的安全性保证完好性警告限制警告时间完好性风险图5搜救服务示意图26··Sep. 2011 Aerospace China他政府行为， 某些相关或重要的能源、 运输和电信应用， 对欧洲有战略意义的经济和工业活动等等。

成员国采取准入控制技术对用户进行授权 公共特许服务有2个加密测距码和导航数据可用 表2列出了伽利略系统导航服务性能参数2） 搜救服务搜救服务主要用于海事和航空领域， 能够收集从失事船只、 飞机携带的紧急信标发出的信号， 并中继给国家救援中心， 救援中心由此确定事件的精确位置 每颗伽利略卫星能中继150个浮标同时发出的信号，10min之内浮标信息就能发送到搜救地面站， 其码误差率小于10－5， 卫星每分钟能发送6条100bit的信息 伽利略系统搜救服务的优势在于： 缩短对事件地点的探测和定位时间；提供包括其他信息在内的扩展灾难通报， 有利于搜救行动的开展； 多颗卫星覆盖， 避免在极端情况下的信息阻塞 图5示出搜救服务示意图由图5可以看到， 系统用户在需要救援时， 通过地面终端设备向伽利略卫星发送求救信号， 信号由伽利略卫星转发给COSPAS/SARSAT系统的地球静止轨道卫星本地用户接收终端， 然后转发到地面站救援系统 地面救援系统收到求救信号并确认后， 原路发送反馈信号给用户， 同时展开救援行动2.1.4伽利略卫星研制进程目前， 伽利略计划空间段的建造已完成两颗GIOVE试验卫星的研制、 发射及运行，4颗在轨验证卫星 （IOV） 通过了关键设计评审， 工程模块和飞行模块已交付， 计划于2011年分两次发射。

图6示出了伽利略卫星研制进程2.1.4.1GIOVE试验卫星 GIOVE试 验 卫 星 包 括 GIOVE－A、B两颗卫星 这两颗卫星同时开始研制， 以保证在2006年国际电联 （ITU） 规定的最终日期之前能有一颗卫星入轨 两颗卫星性能互补 萨里卫星技术有限公司 （SSTL） 研制的GIOVE-A卫星携带了2台铷钟， 通过2个单独的通道同时发射试验信号， 已于2005年12月28日由联盟号火箭发射； 另一颗较大的GIOVE－B卫星由伽利略工业集团研制， 携带了2台铷钟和1台被动氢原子脉泽钟， 通过3个单独的通道发射试验信号， 已于2008年4月27日发射 每颗卫星的设计寿命为2年GIOVE卫星是欧洲第一组导航卫星， 也是欧洲第一组中地球 轨 道 卫 星 研 制 和 发 射GIOVE卫星的目标是保证国际电联分配给伽利略系统的频率占用； 验证伽利略系统采用的关键技术； 试验验证伽利略信号设计； 测量伽利略卫星运行轨道周围的辐射环境 按照伽利略系统设计， 两颗试验卫星按高精度（优于50cm） 和低修正率 （2h）发送近实时轨道确定和时间同步数据图6伽利略卫星研制进程图7GIOVE－A卫星27··中国航天2011年第9期（1）GI。