衛星導航概論

張德慧 魏銘 王明月

摘 要：近年來，時間和空間的應用幾乎涉及經濟社會發展的各個領域，高準確度、高穩定度的時頻基準已成為重要的戰略基礎，其中一個最典型的的戰略應用就是以GPS為代表的全球定位系統的發展和應用。為了更好地促進衛星導航技術的發展，在本文中將對衛星導航進行簡要概括介紹。

關鍵詞：衛星導航，定位

衛星導航（Satellite navigation）是指采用導航衛星對地面、海洋、空中和空間用戶進行導航定位的技術。常見的GPS導航，北斗星導航等均為衛星導航。采用導航衛星對地面、海洋、空中和空間用戶進行導航定位的技術。利用太陽、月球和其他自然天體導航已有數千年歷史，由人造天體導航的設想雖然早在19世紀后半期就有人提出，但直到20世紀60年代才開始實現。

1、國內衛星導航定位系統現狀

世上現有的衛星導航系統可分為兩類。一類是獨立完整的衛星導航定位系統，正在運行的有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國的北斗試驗系統；正在研發的有歐盟的Galileo導航系統，中國的北斗衛星導航系統和中國的區域定位系統CAPS等。國外的系統為全球定位系統，我國的系統首先是區域定位系統。當前運行的系統中最成動的是GPS系統，它是星基直播式衛星導航定位系統，具有被動接收觀測、用戶無限、精度高，功能全、性能好等優點，已得到廣泛應用。另一類是增強系統，它通過在廣域或局域內對GPS信號進行監測，得到差分改正信息及具有連續性，可用性，完好性等的信息，再通過衛星或其他途徑廣播給用戶，達到高精度和高可靠性的目的，從而被不少國家和地區采用。有些現已建成，有些正在開發中。廣域增強系統有美國的WAAS、歐盟的EGNOS，日本的MSAS和QZSS，印度及巴西的增強系統也在研發之中。局域增強系統有美國的LAAS、澳大利亞的GBAS等。

我國差分系統的研究起步較早，但僅是分散的開展了局域差分系統的研發和應用，對廣域差分和增強系統的研究起步則較慢。近年來有關單位開始了利用通信衛星建立廣域增強系統的研究，在新一代民航航管系統中也已開始立項研究局域增強系統。

2、衛星導航定位技術的發展趨勢

衛星導航技術的下一步發展趨勢如下：

（1）用一種經濟實用的方式使GPS類（中軌衛星星座）衛星導航具有更可靠、更穩定、更完好的高性能。

（2）找到一種可以代替GPS類衛星導航系統的經濟實用而且可靠的精密衛星導航系統。

第一種做法正隨著GPS3的投入、GLONASS的恢復、Galileo和北斗衛星導航系統的研發而深入，系統間可以實現組合，組成雙系統或多系統融合的衛星導航系統。同時可發展差分和增強系統，以及通過增加頻點、研發新碼、增加功率、改變調制方式、提高接收機的靈敏度及研發自適應調零天線等措施提高系統的抗干擾能力，提高系統的定位精確性、可用性和完好性。

第二種做法新衛星導航系統已由中國科學院艾國祥院士等提出，在中國科學院國家天文臺、國家授時中心、上海微小衛星工程中心、中國科學院微電子研究所、中國科學院自動化研究所等單位通力合作下，已研發成功中國區域定位系統（CAPS）。這種新型衛星導航定位系統從原理上可以稱為轉發式衛星導航系統。轉發式衛星導航系統可以利用位于赤道同步軌道的現有在軌道衛星上的轉發器，把時間信號、軌道參數等導航電文及測距碼從地面發射上行，經轉發器轉發，再廣播下行。這樣用戶接收機接收到轉發的導航信號，就可以實現導航、定位、測速和授時。

3、發展我國自主衛星導航系統面臨的關鍵技術

（1）高穩定度的時頻基準（原子鐘）

在衛星導航系統中，除了授時度和測速精度等需要有高穩定度的時頻基準外，因衛星與用戶之間的距離測量是通過測量信號離開衛星上的發射天線相位中心至信號到達用戶接收天線相位中心的時延得到的，時延的測量精度同樣依靠系統中時頻基準的準確度和穩定度，所以高性能的時頻精準是GPS類衛星導航系統的關鍵技術之一。星載高精度原子鐘研制難度大，價格昂貴，目前只有少數國家掌握這一技術，這一技術及設備對部分國家實行禁運，所以星載原子鐘成為目前一些國家開發研制自主星導航系統的一大技術瓶頸，也是保證導航星座有一定的使用壽命的技術瓶頸。

（2）高精度測定軌系統的技術

衛星位置是空基導航系統的位置測量基準，所以能實時精確廣播衛星星歷變得十分重要。在中國區域定位系統CAPS研制中，中國科學院國家授時中心李志剛研究員等發明了通過偽碼擴頻相關測時延、多站交會測軌的方法，最后通過動力學定軌等方法，獲得了近2m級的實時測定軌精度相近。

因此，可以通過增加測軌設備、擴建測軌站，實現實時測軌和短弧外推定軌，深人研究和消除影響測軌精度的各種誤差源，如衛星星歷誤差、轉發器時延抖動、電離層折射誤差、對流層折射誤差、多徑誤差、接收機觀測誤差和接收機噪聲等，力爭使測定軌精度優于米級

（3）抗干擾技術

GPS的一個致命弱點是極易遭受干擾。在伊拉克戰爭中，僅用小功率干擾機就能使GPS失效，造成導彈偏離飛行軌道。為此發展抗干擾技術尤為重要。美國在CPS3計劃中將花150億美元提高系統的抗干擾能力。GPS逐要通過增設頻點、研發新碼、提高功率、研制自適應零天線等技術改善GPS的抗干擾能力，但效果并不明顯。由于干擾水平也在不斷升級，所以衛星導航系統抗干擾的難度也在與日俱增，而CAPS則采取另辟蹊徑，開創了采用換頻、換碼、信號寄生等方法改善系統抗干擾能力的新途徑。

抗干擾能力對改善導航定位性能的可靠性于和完好性十分重要，對擴大衛星導航的可用范圍也影響很大，尤其是對軍事應用更具重要價值。

（4）高集成度芯片技術

近十年來，衛星導航接收機的集成電路發展以驚人的指數速度向前推進。基本的GPS接收機現在已可以整合在兩三片芯片之中。最為典型的是一片專用的射頻（RF）前端、一片專用數字信號處理器（DSP）及一片微分處理器。有的接收機將微分處理器嵌人到DSP中，便成了兩片機。接收機技術的發展方向是單芯片式衛星導航接收機，它將RF、DSP、CPU等容納在一個芯片中，并且在形成接收機OEM板時使其外圍元器件盡可能地少。高集成度使安裝在芯片以外的接收機部件極少，節約的相當大的印刷版空間、降低了組件成本，又減少了整個系統的功耗，使未來接收機具有低成本、低功耗、性能優等特點。因此，接收機的關鍵是核心處理芯片的研發，包括射頻芯片、基帶處理芯片、數據處理模塊等，以及實現高集成化、低功耗和小體積。

（5）高性能接收機技術

衛星導航信號到達地面時信號功率譜密度都非常微弱，深埋于熱噪聲之下，因此衛星導航一般都用于戶外。隨著與蜂窩通信的結合，室內定位的要求也被提出來了，于是出了高靈敏度的接收機的性能要求，比原先的靈敏度風高出3dB左右。這是一個很大的難題，因為衛星導航接收機本來已經是靈度很高的設備，要想進一步提高其靈敏度，必須尋求新技術。另外，由于在室內環境對多徑效應和干擾噪聲等方面的要求更加苛刻與復雜，所以干擾我和多徑效應緩解技術方面的研究應當引起重視。希望在其他系統的輔助下，衛星導接收機可以真正實現天上、地下、水中、室內定位，真正做到全球無縫導航。

總結：隨著時代的發展，社會的進步，工業技術一次次的革新，發展我國自主衛星導航系統變得非常重要。但我們至今仍然面臨著許多關鍵的技術問題，除此之外，還面臨著系統總體設計人員的匱乏。作為新時代的一員，如果有能力且有興趣從事這方面，應該盡自己最大努力，為我國衛星導航系統的發展奉獻自己的力量。

參考文獻：

施滸立 孫希延 李志剛.轉發式衛星導航原理.科學出版社.