導航裝備研究進展及展望

謝金石，陳 霄，王冬霞，辛 潔，郭 睿

導航裝備研究進展及展望

謝金石1，陳 霄2，王冬霞3，辛 潔3，郭 睿3

（1. 32020部隊，武漢 430074；2. 北京衛星導航中心，北京 100094；3. 32021部隊，北京 100094）

為了進一步服務我國衛星導航系統的發展建設，通過介紹4大全球衛星導航系統的建設概況，系統總結出觀測監測裝備、天線裝備、精密測距碼裝備、加解密裝備、測試裝備等關鍵單機導航裝備的發展現狀，并給出導航裝備亟須解決的重點研究方向。

全球衛星導航系統；導航裝備；關鍵單機

0 引言

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）是能在地球近地空間內的任何地點、任何時間為用戶提供坐標、速度和時間信息的空基無線電導航定位系統[1]。導航裝備技術的發展直接決定著GNSS的綜合性能。

目前，國際上比較完善的4大GNSS分別是美國的全球定位系統（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（global navigation satellite system, GLONASS）、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo navigation satellite system, Galileo）和中國的北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system, BDS）[2]。本文介紹了4大GNSS的建設概況，并給出觀測監測裝備、天線裝備、精密測距碼（precise ranging code module, PRM）裝備、加解密裝備以及測試裝備等關鍵單機類導航裝備的發展現狀與研究展望。

1 4大GNSS建設概況

1.1 GPS建設概況

GPS是美國國防部于1973年開始研制的GNSS，目的是：①用于精確武器投放；②提供統一的導航定位授時服務。星座由至少24顆中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛星構成，分布在3個軌道面上，每個軌道面至少8顆，軌道傾角55°，軌道平面等間隔沿赤道分布，軌道高度20200 km，衛星軌道周期為12 h。這樣的軌道高度為半同步軌道，可產生重復地跡，不但有良好的覆蓋性，且便于備份星的分布。這種星座可使用戶在任何時間、任何地點均有6~11顆可觀測衛星[3]。截至2019年1月9日，GPS擁有31顆在軌衛星，利用時分多址（time division multiple access, TDMA）方式、基于特高頻無線電波（ultra high frequency, UHF）進行在線測量定位，其中定位精度是3 m，授時精度是3 ns[4-5]。構型示意如圖1所示。

圖1 GPS星座示意圖

GPS衛星正在更新為GPS III新型導航衛星，第一顆GPS III衛星于2018年12月成功發射，目前處于在軌測試階段。采用GPS III衛星的GPS系統預計單點定位精度優于1 m，授時精度為1~2 ns，將采用空分多址（space division multiple address, SDMA）方式進行測量通信；星間鏈路采用Ka頻段，信號播發方式為點對點傳輸方式：這將很大程度地提高系統的安全性[6-7]。

1.2 GLONASS建設概況

GLONASS是蘇聯研發的GNSS，其目標是99%以上地球表面在任意時刻都有5顆以上衛星可視。GLONASS星座由24顆MEO衛星組成，分布于3個軌道面內，軌道傾角為64.8°，軌道高度約為19100 km，軌道周期約為11 h 16 min。GLONASS采用頻分多址（frequency division multiple address, FDMA）方式進行測量通信，定軌數據主要采用L波段測距信息，激光測距信息進行輔助[8-9]。

至2019年3月31日為止，GLONASS擁有在軌運行衛星24顆，廣播星歷精度優于5 m。GLONASS正在研制新型的K/M系列衛星，同時采用碼分多址（code division multiple address, CDMA）方式進行測量通信，便于和GPS、Galileo以及BDS等兼容。

1.3 Galileo建設概況

Galileo由30顆MEO衛星組成，其中6顆為備份星，衛星平均分布在3個傾斜軌道面上，軌道傾角為56°，軌道高度為23222 km，軌道面相互間隔120°。Galileo星座的目標是：用戶等效距離誤差（user equivalent range error, UERE）優于65 cm，全球95 %用戶得到的水平精度為15~24 m，同時垂直精度優于35 m[3,10]。

至2019年4月12日為止，Galileo擁有在軌衛星18顆，廣播星歷精度優于10 m，預計2020年左右完成全部星座衛星部署，并進入工程應用階段。

1.4 BDS建設概況

BDS是中國自主研發的衛星導航系統，按照三步增量建設分階段實施發展規劃：①1994年至2000年，2顆地球靜止軌道（geostationary Earth orbit, GEO）衛星，實現雙星定位；②2001年至2012年，5顆GEO衛星、5顆傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous orbits, IGSO）衛星、4顆MEO衛星，實現亞太地區的定位測速授時和通信服務；③2013年至2020年，3顆GEO衛星、3顆IGSO衛星、24顆MEO衛星，實現全球的定位導航授時和短報文服務[10]。2018年12月27日，BDS開通基本導航服務，標志著中國正式邁入全球即第三代北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system with global coverage, BDS-3）時代。

截止2019年4月12日，BDS在軌衛星數為33顆，全球地區定位精度為10 m，亞太地區定位精度為5 m。

2 關鍵單機裝備發展現狀

導航裝備包括空間段、地面段、用戶端的相關裝備，其中地面段關鍵單機裝備共包括5類：觀測監測裝備、拋物面天線裝備、PRM及注入設備、加解密裝備、測試裝備等，本文調研并歸納了其發展現狀及未來發展趨勢。

2.1 觀測監測裝備發展現狀

要提高衛星導航系統的定位導航授時精度，首先要建立全面立體的導航系統觀測網，而這離不開觀測監測裝備的發展。

對衛星導航系統來說，觀測監測裝備包括BDS/GNSS監測接收機、衛星無線電測定業務（radio determination satellite service, RDSS）監測接收機。BDS/GNSS監測接收機通過對BDS衛星的無線電導航業務（radio navigation satellite system, RNSS）信號和其他GNSS衛星非授權導航信號的連續跟蹤觀測，獲取偽距、載波相位和導航電文等信息，為BDS基本導航、星基增強、系統時差監測等業務處理提供原始觀測數據。RDSS監測接收機響應BDS導航衛星播發的RDSS出站信號，完成RDSS定位、報文通信、位置報告和信號電平測量等功能，實現系統RDSS業務性能監測，為系統GEO導航衛星精密定軌業務處理提供支持[11-13]。

2.2 天線裝備發展現狀

隨著航天技術的發展，要求天線有越來越高的靈敏度和分辨率，而增大有效接收面積和降低噪聲溫度是實現該目標的有效途徑之一。因此，大口徑拋物面天線應運而生。

天線裝備是衛星導航系統的核心裝備，實現上行信號注入、下行信號接收以及站間衛通信號收發，主要由天饋子系統、結構子系統、伺服控制子系統等組成，配置多頻段饋源。另外，天線裝備還可以實現實時導航信號質量監測，發現異常現象，指導對在軌衛星操作干預，為分析其信號質量、優化改進信號生成過程、在軌操作動作及軍事應用情況提供參考，并作為衛星是否繼續保持服務的決策依據[14-15]。

2.3 PRM裝備發展現狀

在導航系統的設計和研究中，為了提高系統的安全性和作戰能力，需要為導航系統增加防止軟件反編譯和硬件逆向分析等物理保護措施，為軟件代碼、關鍵參數和時效控制參數加密存儲，并具有數據和程序的糾錯檢錯能力；因此，關于導航系統PRM裝備的研究應運而生[16]。

PRM為精密測距碼，相關裝備包括PRM模塊及PRM注入設備。PRM模塊是衛星導航系統精密測距碼產生和管理的標準部件，分為上注、站間、信號源、導航信號4種類型。其中：上注型為地面向衛星上注電文提供精密測距碼；站間型為站間衛通設備數據傳輸提供精密測距碼；信號源型為模擬信號源提供精密測距碼；導航信號模塊為監測接收機、星地測量數傳接收設備等接收下行導航信號提供精密測距碼。對應模塊需要研制配套的注入設備以產生和管理注入數據，并對模塊進行數據注入和性能測試。

2.4 加解密裝備發展現狀

全球衛星導航系統是國家的重要信息基礎設施，系統安全對國家安全至關重要。為防止對導航數據進行惡意攻擊和篡改，需要對其進行加密處理以提高安全性[17-18]。

導航系統加解密裝備是對上行注入、站間數傳、星間鏈路對地等發射信息進行加密，對RNSS下行、站間數傳、星間鏈路對地等接收信息進行解密，具有安全保護作用，利用用戶身份驗證、啟用授權等措施防止非法用戶使用，包括星地業務加解密裝備、站間業務加解密裝備、RDSS業務加解密裝備、終端解密裝備、密碼管理裝備、加解密測試裝備。

2.5 測試裝備發展現狀

測試裝備是導航系統的一類關鍵單機，主要指導航信號源。導航信號源是衛星導航系統的專用測試設備，其主要作用是模擬仿真產生4大GNSS的射頻信號，用于支持開展監測接收機測試。其中BDS衛星播發的導航信號包括：B1I信號、B2I信號、B3信號，B1C、B1A信號，B2a信號、B2b信號，B3A、B3AE信號、B3C信號和Bs信號。GPS衛星播發的非授權導航信號和L2P信號包括：L1 C/A信號、L1C信號、L2C信號，以及L5信號。GLONASS衛星所有非授權導航信號包括：G1 C/A、G2 C/A信號（FDMA），G3OC信號（CDMA）。Galileo衛星播發的公開信號包括：E1B/C信號、E5a信號和E5b信號。

3 我國關鍵單機裝備研究展望

綜合分析4大GNSS建設概況和關鍵單機裝備發展現狀，觀測監測裝備的多系統多頻點高精度一體化測量技術、大口徑天線控制饋線環路時延控制技術、資源受限條件下的PRM模塊高安全編碼管理技術等將成為我國導航裝備亟需研究的發展方向。

3.1 觀測監測裝備的多系統多頻點高精度一體化測量技術

衛星信號需要高精度的偽距、載波相位和多普勒測量，但由于導航觀測監測裝備接收信號能量弱、多徑效應及電磁環境影響，難以實現偽距、載波相位等觀測數據的高精度測量。為貫徹BDS“兼容互操作”其他GNSS的原則，BDS觀測監測裝備需要能夠接收BDS及其他GNSS的衛星信號。目前，衛星導航系統包括L、S、C、RDSS多頻段導航信號，頻率范圍約為1.15～2.5 GHz，頻率跨度高達1.35 GHz，因此導航監測裝備的多系統多頻點高精度一體化測量技術是我國未來發展的一個關鍵技術。

3.2 大口徑天線控制饋線環路時延控制技術

根據主要功能和任務要求，大口徑天線設計中重點突出“實現多頻共用的功能”“時延穩定性保證”和“可靠性和可維修性設計”等設計理念。導航系統中時延變化量的大小是影響系統導航定位精度的重要原因，所以系統對各設備均提出了嚴格的時延變化量的要求。通過工程試驗驗證，天線設備各個分機的時延變化量可以精確標定。但是，在跟蹤任務期間，天線時延變化量是隨機的，無法實時標定。所以如何將饋線環路時延變化量控制在一個合理的范圍內是天線研制過程中必須解決的難題，也是我國大口徑天線裝備未來研究的一個重要方向。

3.3 資源受限條件下的PRM模塊高安全編碼管理技術

BDS-3不論是星載還是地面PRM模塊都面臨路數多倍增長的現象，這對有限資源及功耗要求下的PRM模塊實現提出了挑戰。另外，由于PRM模塊的高保密性，安全管理技術成為PRM模塊必不可少的關鍵環節。模塊安全管理需要考慮模塊自身的安全性及數據注入過程的安全性，同時預留模塊管理以及參數分發的安全設計接口。另外，考慮到測試階段的安全問題，還應增加測試階段安全性設計。因此，資源受限條件下的高安全編碼管理技術是PRM模塊未來的發展方向。

3.4 大數據量的高效注入安全管理技術

由于全球系統要求PRM模塊并行輸出的碼路數大大增加，模塊所需資源、應用程序大小、關鍵參數等均有所增加，也極大地增加了模塊注入數據量。為了保證PRM模塊的快速數據注入，需要研究大數據量的高效注入技術。另外，由于PRM模塊的高保密性，注入設備的安全管理技術也成為必不可少的關鍵環節，主要從注入設備及注入過程2個方面進行安全性設計。在注入設備的安全性方面：注入設備設計具備防攻擊、防竊取的能力，確保關鍵數據及參數的安全性；注入平臺內存儲的關鍵參數和注入數據采用高強度的加密存儲方法，確保存儲過程中不出現明文；同時，在注入設備的操作上進行嚴格的權限控制。在注入過程的安全性方面，包括身份合法性雙向驗證、注入數據加密傳輸等控制。

3.5 加解密裝備的高可靠性設計

為了保證密碼設備的高可用度，未來加解密裝備的發展方向是雙機雙工自動切換技術。該技術是一種高可用容錯技術：容錯系統由主備機2臺設備組成，實現業務數據的雙入單出處理；系統實時性高、處理過程速度快，故障切換時間短，有完善的故障檢測機制。該技術采用定時在主備機之間傳送心跳協議診斷信息的方式，一旦診斷信號表明主機系統發生故障，備機系統將自動替代主機處理發送數據，保證服務不間斷運行。該技術能確保密碼設備以24 h無人值守狀態連續運行，可以提高系統的可靠性。

3.6 測試裝備的多體制多頻段信號兼容處理技術

導航信號源需要同時產生4大GNSS信號，同時產生BDS全球信號和區域信號，因此就需要在處理不同二進制偏置載波（binary offset carrier, BOC）體制信號的同時兼容傳統的正交相移鍵控（quadrature phase shift keying, PSK）調制信號處理，多體制多頻段信號兼容性處理是導航信號源未來需要解決的重要關鍵技術。

4 結束語

本文綜述了國際上4大GNSS的建設概況，探討了關鍵單機裝備的發展現狀，包括觀測監測裝備、天線裝備、PRM裝備、加解密裝備、測試裝備等。最后指出我國關鍵單機裝備發展趨勢體現在觀測監測裝備的多系統多頻點高精度一體化測量技術、大口徑天線控制饋線環路時延控制技術、資源受限條件下的PRM模塊高安全編碼管理技術等技術方向。

[1] 寧津生, 姚宜斌, 張小紅. 全球導航衛星系統發展綜述[J]. 導航定位學報, 2013, 1（1）: 3-8.

[2] 劉艷亮, 張海平, 徐彥田, 等. 全球衛星導航系統的現狀與進展[J]. 導航定位學報, 2019, 7(1): 18-21, 27.

[3] 譚述森. 衛星導航定位工程[M]. 2版. 北京: 國防工業出版社, 2010.

[4] 王冬霞, 辛潔, 薛峰, 等. GNSS星間鏈路自主導航技術研究進展及展望[J]. 宇航學報, 2016, 37(11): 1279-1288.

[5] VASAVADA Y, GOPAL R, RAVISHANKAR C, et al. Architectures for next generation high throughput satellite systems[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2016, 34(4): 523-546.

[6] LAZAR S. Satellite navigation: modernization and GPS III crosslink[J]. The Aerospace Corporation Magazine of advance in Aerospace Technology, 2002, 22(2): 42-53.

[7] MAINE K P, ANDERSON P, BAYUK F. Communication architecture for GPS III[C]//AIAA and PHM Society. Proceedings of 2004 IEEE Aerospace Conference. Big Sky: AIAA and PHM Society, 2004: 1532-1539.

[8] Coordination Scientific Information Center. GLONASS interface control document (version 5.0) [EB/OL]. [2019-03-18]. http://www.unavco.org/help/glossary/docs/ICD_GLONASS-5.0-(2002)_en.pdf.

[9] KULIK S V. Status and development of GLONASS[EB/OL].[2019-03-18]. http://www.navcen.uscg.gov/pdf/ cgsicMeetings/51/3_GLONASS_CGSIC_Oleynik.pdf.

[10] 譚述森. 北斗導航衛星系統的發展與思考[J]. 宇航學報, 2008, 29(2): 391-396.

[11] 馮曉超, 劉魁星, 高帥, 等. 北斗監測接收機設備時延性能檢測評估[J]. 現代導航, 2018(4): 240-245.

[12] 李保東, 韓玉宏, 竇曉晶. 監測接收機健康評估與預測概念分析[C]//中國衛星導航系統管理辦公室學術交流中心. 第七屆中國衛星導航學術年會論文集. 北京: 中國衛星導航系統管理辦公室, 2016: 1-5.

[13] 李贊. 頻譜監測接收機的設計與實現[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2014.

[14] 杜彪, 伍洋, 張一凡, 等. 大口徑反射面天線技術綜述[J]. 無線電通信技術, 2016, 42(1): 1-8.

[15] 王永華, 王萬玉. S/X/Ka頻段天伺饋系統關鍵技術分析[J]. 電訊技術, 2013, 53(8): 1058-1063．

[16] 楊俊, 武奇生. GPS基本原理及仿真[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2006: 19-37.

[17] 崔鈺. 關于計算機網絡安全中的應用信息加密技術[J]. 山西電子技術, 2012(5): 66-67.

[18] 陳卓, 阮鷗, 沈劍. 網絡安全編程與實踐[M]. 北京: 國防工業出版社, 2008: 19-27.

Development and prospect of navigation equipments

XIE Jinshi1, CHEN Xiao2, WANG Dongxia3, XIN Jie3, GUO Rui3

（1. Troops 32020, Wuhan 430074, China; 2. Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094, China; 3. Troops 32021, Beijing 100094, China）

In order to further serve for the development and construction of satellite navigation system of China, the paper introduced the the construction status of the four major global satellite navigation systems including GPS, GLONASS, Galileo and BDS, and summarized the state of the arts related to the critical equipments for stand-alone navigation such as the observation monitor, antenna, PRM, encryption decryption and test equipments, then proposed the key research directions of navigation equipments finally.

global navigation satellite systems; navigation equipment; critical stand-alone engine

P228

A

2095-4999(2019)04-0001-04

謝金石，陳霄，王冬霞，等.導航裝備研究進展及展望[J].導航定位學報,2019,7(4): 1-4.（XIE Jinshi, CHEN Xiao, WANG Dongxia, et al.Development and prospect of navigation equipments[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 1-4.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190401.

2019-04-27

國家自然科學基金（61603397，41874043，41704037）；大地測量與地球動力學國家重點實驗室開放基金（SKLGED2017-3-3-E）。

謝金石（1977—），男，安徽天長人，碩士，高級工程師，研究方向為衛星導航系統運行管理技術、故障診斷及容錯技術。

王冬霞（1985—），女，河南新鄉人，博士，高級工程師，研究方向為衛星導航系統裝備發展技術、星間路與自主導航技術、故障診斷及容錯技術。