Galileo系統上行注入探析及思考

金國平，閆小萍，王茂磊，范建軍，桑懷勝

（1 北京衛星導航中心北京 100094）

（2 武警總醫院計算機管理中心北京 100039）

1 引言

上行注入系統的任務是定期向衛星注入廣播星歷、衛星鐘差和衛星歷書等關鍵性導航電文，確保用戶的定位授時精度得到及時有效的保障，可以認為是衛星導航系統的交通樞紐。上行注入體制是保障上行注入任務的決定性因素，分析國外衛星導航系統上行注入的技術狀態有助于未來衛星導航系統的建設和發展。

Galileo系統上行注入的相關文獻資料非常有限，在綜合這些文獻資料的基礎上，試圖探明Galileo系統的上行注入體制。從上注策略、信號體制、注入站配置以及注入站與主控站的通信方式等4方面入手，分析了Galileo系統上行注入的技術特點，據此對衛星導航系統上行注入提出了設計思路，為未來衛星導航系統的建設和發展提供建議和參考。

2 Galileo系統上注策略

（1）主備注入模式[1,2]

根據Galileo系統的設計，上行注入使用主備模式，以提供冗余上行注入能力，如下：

①主模式：上行注入使用ULS(Up-Link Site)站，傳送公開服務(OS)、生命安全服務(SoL)、區域擴展完好性服務(ERIS)、公共管制服務(PRS)、商業服務和搜救服務(SAR)等6大服務的數據，導航電文預報長度為12 h；

②備用模式：使用TT&C (Telemetry，Tracking and Command)站，除遙控指令等主業務數據外，還定期向目標衛星注入導航服務數據。與ULS站有所區別的是，TT&C站只傳送公開服務、生命安全服務和公共管制服務3類服務的數據，預報長度也擴展到了24h。TT&C站定期接收上行導航服務數據，以常態方式執行注入任務，而不是只在ULS站出現注入困難時才啟用。ULS站和TT&C站的具體分工如圖1所示。

圖1 Galileo 主備上行注入模式

地面控制中心(GCC)的信息生成設備(MGF)匯集所有上行注入的服務數據，由其組幀形成上行注入子幀。為提高可靠性，由多個MGF同時生成上行注入子幀，但只有一個MGF的子幀會分發給ULS站，由GCC根據信息質量和既定的優先級來選擇。

（2）上行注入方式[1-4]

與GPSIII設計的上行注入方式不同，Galileo系統沒有使用星間鏈路分發方式，仍然采用一對一的注入方式，即地面天線只負責目標星本星的信息注入。由GCC統一發布ULS/TT&C站天線與衛星的配對規劃，覆蓋星座10天的周期，MUCF每天制定一次。ULS/TT&C站天線根據規劃跟蹤配對衛星，采用全自動處理方式，只有出于維護目的時才需要人工操作。

在可視弧段內，ULS站持續向目標衛星注入星歷、衛星鐘差等導航電文，保證廣播導航電文的數據齡期小于100 min，確保UERE控制在65cm（1σ）以內；還向衛星注入完好性信息，頻度為1次/s，確保完好性鏈路連續和6s告警時間。與導航信息不同，完好性信息不同時向所有衛星注入，而是選定18顆衛星注入，保證全世界任何地方的用戶都能同時接收到至少3顆衛星廣播的完好性信息。

（3）區域完好性信息的注入[1-5]

Galileo系統將全球劃分為多個區域，每個區域建立1個外部區域完好性系統（ERIS），該系統不歸屬于Galileo系統地面段。在非歐洲本土，該區域的完好性數據并不是由Galileo系統產生，而是由ERIS生成。為配合區域完好性服務，Galileo系統設計了直接注入和間接注入相結合的方式。

直接注入方式下，區域完好性信息由該區域的ERIS站直接注入到目標衛星；間接注入方式下，區域完好性信息先由ERIS站發至地面任務段(GMS)，然后由MGF編排入上行注入幀，通過ULS站注入到對應子星座。從GMS接收開始計算，要求區域完好性信息在1.2s內上注到目標衛星。

（4）SAR數據的注入[1,2]

為配合SAR服務，GCC要將SAR回傳鏈路消息傳送到遇險信標。該消息并不是通過ULS站的所有可視衛星轉發，而是由GCC選擇兩顆最合適的衛星作為中轉，除滿足對地覆蓋要求之外，這2顆衛星都要處于高仰角位置，而且方位角相差較大。

3 信號體制

根據注入模式的不同，Galileo系統上行注入使用兩種不同信號體制。

（1）C頻段ULS站[1,2]

ULS站上行注入鏈路使用C頻段，中心頻率為5,005 MHz，起止頻率為5000～5010MHz，屬于國際電聯規定的地對空業務合法頻段，GPSIII上行注入系統同樣選用了。該頻段內，業務類型比較單一，無意干擾少。上行注入采用DS-CDMA體制，調制方式選用O-QPSK，I/Q2支路均承擔數據傳輸任務，糾錯碼為(2,1,7)卷積碼，使用Viterbi譯碼。由于I/Q支路分別調制卷積碼的兩路輸出，符號速率等同于信息速率，射頻信號生成過程和注入信號產生過程如圖2和圖3所示。

圖2 上行C 波段鏈路射頻信號生成過程

圖3 C 波段信號編碼與調制過程

上行注入信號帶寬只有10MHz，若以1.023MHz為基頻，從充分利用帶寬的角度出發，并考慮帶外抑制，偽碼速率很可能選為4倍基頻。

上行注入信息包括6大服務的導航數據、SoL服務的完好性數據、PRS服務的完好性數據、SAR的回傳鏈路數據以及CS服務數據，由2個子幀組成，一個是完好性子幀，另一個是消息子幀，其幀結構如圖4，整幀長度持續1s。完好性子幀包括SoL完好性狀態/警告信息、ERIS數據及有效字，時效性最強；消息子幀包括星歷與時鐘數據、完好性列表、CS服務數據、PRS服務數據以及搜索與救援回傳鏈路數據等，至少1.5 h注入一次，數據預報長度超過12h。消息子幀包含4組星歷數據（鐘差改正和星歷參數），每組預報周期4h，相鄰兩組相互交迭1h。

圖4 Galileo 上行鏈路幀結構

根據Galileo系統公布的OS服務ICD 文件分析，F/NAV和I/NAV的完好性信息、星歷參數、電離層改正參數、鐘差參數、SAR信息的數據量接近2kbits，其時效性較高，如果在一幀內上注，信息速率約為2kbps。歷書數據由于數據量大，且時效性低，可以通過多幀來傳送。

（2）S波段TT&C站[1-4]

TT&C站上行鏈路使用S頻段，中心頻率為2.048GHz，采用FDMA多址方式和DS-CDMA體制，信息速率為1～4 kbps，每次上注導航服務數據包含8組星歷數據，其預報長度24h

4 注入站配置

（1）ULS站[1-4]

由于不使用星間鏈路，Galileo系統采用全球布站策略，全球范圍內建設了9個ULS站，分別位于北美洲的溫哥華、南美洲的圣地亞哥和庫魯、南太平洋的帕皮提、亞洲的特里凡得瑯、大洋洲的新諾爾恰和努美阿、歐洲的基律納、印度洋的留尼旺島，歸屬于GMS。每個ULS站配備4幅3m蝶形天線，全部工作于C波段，能實時地與衛星建立連接，實現完好性信息的實時分發。注入站截至仰角5°。

（2）TT&C站[1-3]

Galileo系統共設計5個TT&C站，分別與庫魯、帕皮提、新諾斯、基律納以及留尼旺島等5個ULS站并址建設，其布局可保證地面與每個軌道面的每顆衛星至少建立1條上行控制鏈路，每條鏈路至少持續45min，支持同時處理多顆衛星的突發情況。TT&C站歸屬于地面控制段（GCS）。

每個TT&C站配備一幅13mS波段蝶形天線，至少增加一幅備份天線。S波段天線兼顧測控下行接收（2.225GHz），還可開展星地雙向測距（TWSTFT），用于精密測定衛星高度，精度達米級。TT&C站截至高度角5度。TT&C站不負責衛星發射及早期操作階段的任務，而是采用租借其他測控手段的方式來完成。

（3）ERIS站

Galileo系統將全球劃分為5個不同的完好性區域，每個區域建立1個ERIS站，負責本區域完好性信息的生成和上注，每站配備1個C頻段上行注入通道。ERIS站不歸屬于Galileo系統。ERIS站與GCC建立數據接口，由其將區域完好性信息傳送給GCC的MGF，MGF將區域完好性信息編排到上行注入消息幀的固定位置，但不負責該信息的質量。ERIS站的直接上注計劃由MUCF制定，每天制定一次，定義與特定衛星的連接周期。

5 注入站與GCC的通信方式

根據Galileo系統設計方案，ULS/TT&C站與GCC之間共有4種通信方式，其中3種為主用方式，另1種為備份方式。幀中繼（FR）是首選主用方式；當GCC與ULS/TT&C站之間無法建立FR直連時，選用VSAT（VerySmallAperture Terminal）衛星通信方式，通過單跳衛星鏈路與其通信；當不能單獨使用以上任一種建立直接鏈路時，通過FR和VSAT2種方式對配合完成站與站的通信。

圖5 GCC 與ULS 站的通信鏈路

圖6 GCC 與TT&C 站的通信鏈路

綜合業務數字網(ISDN)是以上3種方式的備份手段，作為數字電話網國際標準，已成為一種典型的電話交換網絡系統。GCC與ULS/TT&C站的通信鏈路如圖5和圖6所示。每個ULS站和TT&C工作站均同時與2個地面控制中心保持通信，這是考慮了通信可靠性和無縫切換的需要。

6 Galileo系統上行注入特點分析

根據以上分析，Galileo系統上行注入基本上呈現以下幾個特點。

①Galileo系統的ULS站和TT&C站上行鏈路的頻率選擇完全遵從國際電聯規定。由于C頻段內業務單一，電磁環境較簡單，最大程度地減少帶內無意干擾，同時也避免了選擇不合法頻段所存在的國際糾紛隱患和繁瑣的國際協調；

②與GPSIII不同[7,8]，Galileo系統上行注入仍舊采用類似GPSII的方式，ULS站與衛星一對一地注入，不使用星間鏈路轉發方式，通過在全球布設多個注入站來達到對整個星座衛星的覆蓋；

③上行注入設計了多種備份手段，從信息組幀、GCC與注入站的通信、注入站天線配置和上行鏈路等多個方面來提高上行注入的冗余，不降低可用性，最大限度地保障上行注入的可靠性；

④TT&C站上行注入功能按不對等方式設計：一是沒有使用全備份策略，只備份了9個ULS站中的5個；二是注入任務簡化，縮減了上注電文，只注入緊迫性最強的信息，同時擴展了預報周期。此外，TT&C站上行鏈路定期上注，不是在緊急狀態下才啟用。這種設計方式在保障最基本導航服務前提下使系統最簡化，降低了系統建設復雜度，并且使上行注入達到了無縫連接；

⑤根據衛星對地覆蓋情況，選擇性地向高仰角衛星注入完好性信息和SAR信息，不是所有上行鏈路都同時發送，一是可提高注入可靠性，降低被干擾概率，二是高仰角導航信號可增加用戶接收成功率，提高服務精度。

⑥區域完好性信息的生成、注入和發播是從WAAS系統演變而來，同樣是由各區域獨立產生和注入。但不同的是，區域完好性信息仍通過Galileo衛星發播，ERIS也接受GCC的統一協調，不需要建設新的獨立于Galileo之外的支持系統或增強系統。此外，ERIS與GCC建立數據接口，可通過ULS站協助注入，為其提供了一種冗余備份手段。

⑦上行注入鏈路使用擴頻體制，相比于頻分方式，節省頻率資源，可擴展性好，鏈路健壯性好，設備通用性好；使用類似于P碼或M 碼的長周期或無周期碼，可起到加密效果，保證數據安全；每個碼片都附帶時間信息，嚴格對準系統時，可支持星地雙向測距。

⑧上行注入選用卷積碼作為糾錯編碼方案，編碼增益稍低，但好處在于該編碼為非分組編碼，時延短（只占幾個信息位），有利于強時效性信息的發送；編排靈活，不像分組編碼受分組長度的約束，填充的無用數據非常少，編排效率高。

⑨ULS站和TT&C站使用全自動方式來實現衛星跟蹤和注入，高度自動化減少了對人的依賴，降低了因操作失誤等人為因素引起系統故障的風險，提高了工作效率、準確度和系統可靠性。

7 上行注入系統建設

根據對Galileo系統上行注入體制及特點分析，對未來衛星導航系統上行注入的建設提出自己的思考，以供衛星導航系統建設借鑒和參考。

⑴合理使用頻率資源

上行注入頻率要嚴格遵守國際電聯的相關條款規則。申請國必須承擔起頻率保護責任，共同構建和諧使用頻率資源的國際大環境，在國際大舞臺展現良好的國家形象。開展頻率設計時，要仔細評估帶內電磁環境，盡量避免業務過多或者上注級別較低的頻帶，以免無意干擾造成注入失敗。

⑵有效開展可靠性設計

鑒于上行注入的重要性，有必要增加備份冗余手段。從數據的產生和傳輸、信號的生成和發送等上行注入的不同狀態入手，在設備和鏈路等方面開展多手段多方式冗余設計，提高上行注入系統可靠性，增強突發情況應對能力。此外，提高系統自動化水平，降低人為因素，也是提高系統可靠性的一個有效手段。

⑶優化設計備份鏈路

對于工程系統，復雜度越低，可靠性程度越容易得到保障。據此，上行注入鏈路冗余設計首先要充分挖掘系統已有資源，借助現有鏈路開展備份設計，可降低系統建設成本和復雜度，GPS和Galileo系統在測控上行鏈路就均有上行注入備份功能[1-8]；其次，要充分論證備份鏈路的定位，以需求為導向明確備份策略，Galileo系統就是采用簡化備份策略，以保證系統最基本要求；再者，注重備份平穩切換設計，一旦主鏈路出現故障，能及時、無縫地切換至備份鏈路，確保導航服務不中斷、精度不降低，Galileo系統是使備份鏈路常態工作來達到此要求。

⑷加強鏈路安全性設計

考慮到上行注入的重要地位，要加強上行注入鏈路的安全設計，防止信號及數據被破譯，從而威脅系統安全。主要從數據安全和信號安全著手開展設計，如增加防欺騙設計、增加數據加密、使用長周期或無周期偽碼以及使用窄波束天線等技術手段來提高鏈路安全性。

⑸統籌設計注入方式

上行注入方式要根據系統特點、安全性、國際政治形勢和技術能力來統籌設計。如：面向區域服務的系統只需區域布站即可滿足系統服務性能，面向全球的系統必須要采取技術手段達到全球注入；全球布站要考量國際政治環境、系統的軍民特性、安全措施以及對衛星的可視情況；在無法實現全球布站的條件下，采取與GPSIII類似的星間鏈路轉發等其他技術手段實施全球注入。

⑹重點確保信息時效

上行注入信號體制設計要以確保信息時效作為必要條件，統籌設計信息速率和數據格式，合理選擇糾錯編碼方案，從信息傳輸時延、設備延遲等方面來滿足時效要求。

8 結束語

論文從注入策略、信號體制、注入站配置以及通信方式等方面著手，分析了Galileo系統上行注入技術體制，解讀其技術特點，提出了上行注入系統設計思路，為衛星導航系統的建設和發展提供建議。

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