你真的懂卫星导航系统的兼容与互操作?

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通过本文,您可以了解:

卫星导航系统兼容与互操作的涵义

如何才能兼容?如何才能互操作?

北斗与GPS谈兼容与互操作,是谁需要去调整?

兼容与互操作协商一致后,用户体验有何提升?定位精度是否能提高?

 

2017年11月29日,中国卫星导航系统委员会王力主席与美国国务院乔纳森•马戈利斯助理副国务卿在北京举行了中美卫星导航会晤。在王力主席和乔纳森•马戈利斯助理副国务卿的见证下,中国卫星导航系统管理办公室冉承其主任与美国国务院空间和先进技术办公室戴维•特纳副主任签署了《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》。声明表示,两系统在国际电联(ITU)框架下实现射频兼容,实现了民用信号互操作,并将持续开展兼容与互操作合作。

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一、概述

兼容与互操作是卫星导航系统资源利用与共享的重要内容,兼容与互操作的概念最早是2004年美国发布PNT国家政策时提出来的:

“兼容”定义为单独或联合使用美国空基定位、导航以及授时系统和国外相应系统提供的服务时,不互相干扰各自的服务或信号,并且没有恶意形成导航冲突。“互操作”定义为联合使用美国民用空基定位、导航和授时系统以及国外相应系统提供的服务,从而在用户层面提供较好的性能服务,而不是依靠单一系统的服务或信号来获得服务。

2004年6月,美国和欧盟发布GPS和Galileo联合发展和应用的合作协议US-EU Agreement(2004),对兼容与互操作的相关概念进行了明确的定义,兼容主要体现于GPS与Galileo射频信号兼容,包括与两个系统相关的所有星基导航授时服务;另外,两个系统之间要尽可能地实现非军用服务用户层面的互操作性。该协议还对GPS和Galileo系统兼容与互操作合作及应用的相关问题进行了框架式协定,其中包括构建与国际地球参考框架(ITS)尽量接近的大地参考框架以及在各自系统导航电文中发播两个时间系统之间的偏差信息等方面的条款。

目前,兼容与互操作已经成为国际卫星导航系统委员会(InternationalCommittee on Global Navigation Satellite Systems,ICG)的核心议题,并专门成立了相应的工作组。兼容与互操作也是全球GNSS 核心供应商双边谈判与多边协调的重要内容,国内外学术刊物和学术会议已发表了大量有关兼容与互操作的理论分析文章。

卫星导航信号的中心频率、信号功率、信号业务分配、码片速率和脉冲赋形、调制方式和编码长度以及电文数据率是影响多卫星导航系统兼容性和互操作性的6个关键因素。互操作性要求相同业务信号的中心频率和带宽重叠,从而简化接收机体系结构;兼容性又要求信号互干扰在可容忍范围内,甚至频谱分离。业务分配对信号频率、带宽、编码方式和长度、码片赋形、是否加密等提出了各种不同的需求。码片速率和脉冲赋形直接影响信号的带宽,导致卫星载荷的群时延变化,也影响系统内信号和系统间信号的相互干扰的程度,从而最终影响接收机捕获和跟踪能力、抗多径能力和对伪距测量的精确度。调制方式和编码长度以及电文数据率等将影响接收机捕获跟踪性能。信号载波功率的变化会导致不同信号间的干扰级别发生变化。

上述6个导航信号设计关键因素直接影响了新信号与原有信号的兼容性和互操作性,当然也就影响新建卫星导航系统与原有卫星导航系统的兼容性和互操作性。开展导航信号体制设计时,需要权衡这6个信号选项,满足兼容性与互操作性要求的导航信号体制设计是一项具有挑战性的任务,其要素包括:如何规划信号频谱以提高频谱利用率、减小系统内干扰和系统间干扰、允许互操作所要求的一体化接收处理方式,如何设计抗干扰能力强、捕获跟踪门限低且复杂度低的伪随机码,如何根据信道特性设计高性能、高效率、低复杂度的信道编解码算法和调制方式,如何设计灵活可扩展的电文帧结构以容纳互操作信息交换等等。

因此,开展卫星导航系统设计时,要考虑如何解决多个卫星导航系统间的兼容和互操作问题。互操作性的关键因素包括空间信号、大地坐标参考框架以及时间参考系统,互操作是在卫星导航系统兼容基础上的另一种更高层面的系统优化与合作,由此提高用户位置解算的可用性(solution availability)。

新的卫星导航系统在保持独立性的同时,需要注重与其他卫星导航系统在时空系统方面的兼容与互操作,特别是在民用应用方面。这种互操作性主要有两种表现方式:

一种是采用兼容的时空系统。Galileo地球参考框架(GTRF)和GPS使用的WGS-84实际上都是国际地球参考框架(ITRF)的一种实现。WGS-84和GTRF的误差预计是在几厘米的量级。对于导航和大多数其他用户需求来说,这种精度就足够了。前GPS系统使用的GPST和Galileo系统使用的GST都是连续的时间系统,都与国际原子时TAI保持较小的固定偏差。GPST和GST都与UTC之间有明确的时间换算关系,用户可以方便地通过Galileo广播信息获得GST与UTC以及GPST之间的偏差。

另一种是在信号中广播与其他时空系统之间的转换参数。在欧洲和美国关于Galileo/GPS互操作性的协议中采纳了通过传统时间传递技术测量,或者利用组合GPS/Galileo接收机在两个系统的监测站进行精确估计的方法来确定时间偏差。另外,GLONASS卫星导航系统计划发播GPS与GLONASS时标之差。我国BDS卫星导航系统也将计划广播与GPS、GLONASS、Galileo系统时间转换参数以及GPS卫星钟差、星历改正参数等信息。

这些方法都很好地体现了GNSS系统之间的互操作,都将为用户利用多系统观测量进行导航定位提供最直接的便利。

全球卫星导航系统之间的兼容与互操作体现了系统之间的合作和协同,必将对系统的服务性能产生一定的影响。在保持系统独立运行的前提下,通过国际合作积极实现GNSS资源优化整合,最大限度地选择利用国际导航免费资源,同时充分发挥自主资源作用,并在接收机终端提出最佳化融合方案,为研究出高性能且廉价的接收机奠定总体设计基础,从根本上增强BDS在应用服务产业化领域的竞争力。

兼容与互操作是未来全球卫星导航系统发展的主要方向,在北斗全球系统的设计和建设中,应进一步重视信号的互操作设计,尽可能采用与GPS和Galileo相同的频点、类似的调制方式、相近的带宽等频域参数,达到与GPS和Galileo系统的高度互操作,坐标系统应尽可能一致,尤其是地面跟踪站尽量保持一致,否则应采用多模接收机监测其坐标系统偏差,并发播给用户进行改正,或作为用户导航定位参数估计的先验信息;时间系统的不一致,可采用多系统跟踪站进行监测和发播,也可通过增加模型参数进行实时估计。

 

二、兼容性

全球卫星导航系统国际委员会ICG将卫星导航系统“兼容性”定义为一种能力,即“全球卫星导航系统和区域卫星导航系统以及增强系统可以独立使用或者联合使用,不会引起不可接受的干扰,也不会伤害其他单一卫星导航系统服务的能力”。兼容性需要考虑导航信号射频兼容RFC、授权信号和民用信号的频谱分离、信号发射功率、空间坐标与时间参考系统兼容等事宜。

1、导航信号射频兼容性涉及的技术因素主要包括两方面,一是保护用户接收机避免出现射频干扰;二是用户接收机接收灵敏度以及对其他系统信号的互相关特性。目前,兼容性的分析主要集中在不同系统间信号的相互干扰方面,国际电联2007年提出的干扰估计方法(ITU-RM.1831)已经成为各GNSS兼容性评估的基本准则。

导航卫星播发的无线电定位信号的功率非常低,导航信号传播到地球表面上时,信号功率通常低于用户接收机本底噪声。例如,GPS系统L1频点C/A码的信号功率约-160dBW,比用户接收机本底噪声低16dB,L1频点军用P码信号功率比C/A码的信号功率又低13dB,GPS系统L1频点信号功率如图1所示。

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1:GPS系统L1频点信号功率

然而,随着在轨导航卫星数量的增加,当导航信号叠加在一起时,特别是在拥挤的L1频段,计算仿真表明四个全球卫星导航星座同时在轨工作时,即大约有100多颗MEO卫星同时播发L频段卫星导航信号,将大幅提高用户接收机本底噪声水平,因此,将降低用户卫星导航接收机的信噪比。

四大全球卫星导航系统L1频段导航信号中心频点及带宽如表1所示,由表可知,美国GPS民用信号的L1频点、欧洲Galileo民用信号的E1频点以及中国BDS民用信号的B1频点的中心频率为1.5GHz,其中GPS的L1与Galileo的E1的中心频率则完全相同,均为1575.42MHz,而俄罗斯GLONASS民用信号L1频点的中心频率为1603.6875MHz,接近Galileo的E1的上边带1608.156MHz,因此,2020年前后,四大卫星导航系统提供服务后,技术上可以实现用户同时接收选择多个系统的信号。

1:四大全球卫星导航系统L1频段导航信号中心频点及带宽

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对一般用户而言,一部接收机就可以跟踪多个导航系统的卫星,通过获得冗余卫星保证卫星信号的完好性和连续性,从而提高定位性能;对于接收机制造商而言,高性能的GNSS多系统低成本联合接收机应该具有更大的市场潜力,实现全球科学技术成果的共享。

兼容性要求系统内和系统间干扰不会对各自系统正常工作造成太大影响,其中存在着一个度量的问题,需要在用户设备层面上对系统间干扰效应进行定量分析,在理论上可以找到一种适用的解析方法来评估系统间的兼容性。由于接收机信号捕获、跟踪和数据解调的性能均依赖于接收机相关器输出端的SINR(信号与干扰加噪声的比值),因此,评估干扰对相关器输出SNIR的影响,可以为评定干扰对这几种接收机功能的影响提供基础。

一般接收机中采用载噪比来表征所接收导航信号的质量,其中假定噪声是白色的;而相关器输出SINR的计算中需要考虑非白干扰,可以引入等效载噪比的概念来分析这种情形。

ITU-RM.1831建议书中也是采用等效载噪比作为系统间干扰评估参量。全球系统民用信号的兼容性主要考察落在相应带宽内的GPS、Galileo和GLONASS所有导航信号、全球系统其他导航信号(如授权信号)以及其他系统信号与民用导航信号的分离特性,分析各导航信号的干扰所导致的载噪比损失。由于干扰的存在使得载噪比下降,可以用等效载噪比的下降来评估干扰对接收机的影响。信号兼容性需求标准是:所有干扰所引起的载噪比损失不能使到达地面的信号载噪比低于载噪比门限,同时保证其他卫星导航系统的载噪比。

当前,只有海事和航空卫星导航用户接收机有导航信号射频兼容性RFC相关标准要求,对于陆地车载和铁路机载卫星导航用户接收机还没有导航信号射频兼容性RFC要求。上述要求,包括最低信噪比、遮蔽角、可接收的外部干扰与用户的应用场景息息相关。民用交通领域将是最大的卫星导航市场,因此,建立卫星导航系统兼容性的技术体系,制定用户接收机的相关兼容性标准是十分迫切的。

2、对于国家安全来说,授权信号和民用信号之间的频谱分离至关重要。一方面,为了确保采取功率增强等手段来提高军用信号的抗干扰能力时,能够不影响民用信号的正常使用;另一方面,为了避免战时敌方对军用信号实施干扰时会同时干扰民用信号,要求军民信号频谱分离,以确保导航战环境下民用信号的正常、连续使用。正如GPS将M码与C/A码和P码的频谱分开,就是要解决增加M码功率对C/A和P(Y)码的干扰问题,提高与C/A码和P(Y)码的兼容性。

然而,频谱完全分离并不总是可以做到期望的设计指标要求的,有时出于互操作目的,甚至希望导航信号又是重叠的。因此,各大卫星导航系统需要开展双边和多边协商,确保系统间的导航信号兼容性,导航信号兼容性的双边和多边协商典型示例如下:

·1998年: 美国和日本就QZSS/ MSAS系统和GPS系统之间的互操作和兼容性签署协议;

·2004年: 美国和俄罗斯就GPS和Glonass系统之间开展合作达成一致性意见;

·2004年: 美国和欧盟就GPS和Galileo系统之间开展合作达成一致性意见;

·2007年: 美国和印度就GNSS系统开展合作发表联合声明。 

 

三、互操作性

全球卫星导航系统国际委员会ICG将卫星导航系统“互操作”定义为一种能力,“联合使用全球卫星导航系统和区域卫星导航系统以及增强系统及相应服务,能够在用户层面比单独使用一种系统及相应服务获得更好的服务的能力”。显然互操作的实现必须基于卫星导航系统的兼容性,与兼容性有所不同,互操作涉及面更广,不但与各卫星导航系统的信号密切相关,而且与系统采用的空间和时间基准有关,对多系统GNSS 用户的影响也更为直接,研究工作更为复杂。

卫星导航系统的兼容性使得多系统互操作成为新的发展趋势,全球卫星导航系统也必然要与其他卫星导航系统实现互操作。多卫星导航系统的互操作性要求信号频谱共享、调制方式、多址方式、码片速率和码片赋形类似。

根据互操作要求,卫星导航系统的频率配置和空间信号的互操作主要是通过共用中心频率和频谱重叠来实现的,一方面解决了卫星导航频率资源的紧缺问题,另一方面可以减少接收机内为不同中心频率提供基准频率而产生的负担,简化多系统联合卫星导航系统的接收机设计和制造,降低功耗、成本和重量。

例如,Galileo的E5a(1176.45 MHz)和E1(1575.42 MHz)将分别与GPS在L5和L1频段上实现互操作。GLONASS也已在现代化计划中提出要在L5和L1频段上添加CDMA信号,与GPS实现互操作。日本QZSS发布的频率计划中,也将在L1、L2和L5上实现与GPS的完全兼容与互操作。可见,L1和L5已成为国际上卫星导航系统的主要互操作频段。

我国的北斗卫星导航系统要与国际卫星导航系统接轨,也应该在L1和L5频段上设计民用导航信号,实现与GPS、Galileo和GLONASS三大导航系统的互操作,且中心频点、调制方式和信号结构要与其他GNSS系统应趋于一致。

一般在系统和信号两个层次研究不同系统间的互操作。在系统层次,互操作可以视为在同样的边界约束条件下,多个卫星导航系统共同解算时提供的导航解与单独一个系统所提供的导航解完全一致的能力。也就是说,一部GPS/GLONASS或GPS/Galileo双系统用户接收机与一部GPS或Galileo单系统用户接收机为用户提供同样精度的导航解。在这个层面上,可以说GPS和Galileo是系统级“互操作”的,由于系统存在较大冗余度,因此,可以给用户带来更好的用户体验,提高市场对卫星导航技术的信心。在信号层次上,互操作可以视为当不同的卫星导航系统播发类似的导航信号时,用户导航接收机不需要作大的改动就能接收这些导航信号。对于卫星导航系统,导航信号互操作需要考虑下列因素:

·空间参考坐标:虽然国际民用坐标参考标准是国际地球参考框架ITRF,但是每个卫星导航系统都有自己独立的参考坐标,取决于其地面控制系统的参考坐标,并确保各自卫星导航系统的独立性。如果不同卫星导航系统参考坐标的差别在目标精度之内,那么在参考坐标角度,可以说两个卫星导航系统是可以互操作的。例如,GPS全球定位系统的参考指标是WGS84,而Galileo系统的参考指标是伽利略地球参考框架GTRF,WGS84和GTRF参考指标的差别在3cm之内,因此,可以在大部分导航应用场景下保证GPS系统和Galileo系统具有互操作性。

·时间参考系统:国际民用时间参考标准是协调世界时UTC/原子时TAI,虽然GPS全球定位系统的时间参考系统GPST和Galileo卫星导航系统的时间参考系统GST之间的偏差在纳秒量级,但是GPS系统和Galileo系统的均以导航电文方式将这一偏差播发给地面用户,因此,可以认为GPS系统和Galileo系统在时间参考系统环节具有互操作性。

·使用同样的载波频率:选择同样的载波频率对导航接收机的研制成本和技术复杂度具有重大的影响,由于GPS和Galileo系统选择了同样的载波频率,例如L1 和 L5/ E5a,因此,可以说GPS和Galileo系统在信号层次是“互操作”的。GLONASS卫星导航系统采用CDMA信号体制,每颗GLONASS导航卫星的载波频率均是不同的,因此,GPS和Galileo系统与GLONASS系统在信号层次是不能“互操作”的。这里需要指出的是,即使GPS系统和Galileo系统在某些载波频点也是不一致的,例如Galileo系统的E5b和GPS系统的L2频点,但两者并没有造成互相干扰,因此两者仍然是兼容的。

·空间导航信号:导航信号的特征,例如调制方式、信号结构、扩频码的选择仅仅需要调整接收机信号基带处理软件,不影响导航信号互操作。此外,为了确保导航信号兼容和互操作,在开展导航信号体制设计时,国际上有若干工作组定期开展研讨和协调。因此,GPS系统的军用M码信号和Galileo系统的公共管制业务PRS信号在L1频段是可以互操作的。另外,日本QZSS准天顶系统计划与GPS和Galileo系统在L1 和 L5/ E5a信号实现互操作。

综上所述,互操作不仅与卫星导航系统的信号体制有关,也与坐标系统、时间基准的定义及实现这些定义的方法有关,也与信号、坐标、运行时间偏差有关。可以认为,互操作概念对不同卫星导航系统供应商的影响是不同的,对不同的用户影响也是不同的,不同的互操作要素对接收机厂商的影响也是不同的。

兼容互操作设计对业已建成的GPS几乎没有任何影响,主要原因如下:

①GPS系统技术相对成熟,用户极其广泛,已经在世界范围内树立起了行业领导者的地位;

②GPS系统用户涉及的领域非常广泛,已经嵌入到飞机、舰船与武器平台、陆地车辆等各类移动载体,并已渗透到了交通运输、电力系统、移动通信、互联网以及其他穿戴设备,改变GPS系统的互操作设计是完全不可能的;

③国际民用航空组织和国际海事组织已经以GPS系统和GLONASS系统导航信号为飞机和舰船活动的标准导航蓝本;

④以GPS系统为主建立的广域和局域差分增强系统(WAAS and LAAS)已经广泛用于航空精密进近,而且这些增强系统之间大多数已经实现了互操作,为民用航空提供了近于无缝的精密导航服务;

⑤全球所有卫星导航系统接收机芯片和天线厂商都搭建了GPS 接收机生产线,排斥或改建这种产品生产架构都将付出代价;

⑥GPS系统坐标参考系WGS-84尽管与国际大地测量协会(IAG)确定的国际地球参考框架(ITRF)有差别,但是差别较小,而且,近几年GPS所用的WGS-84不断更新,对于大多数用户可以忽略不计,于是不影响GPS在卫星导航定位中的主导地位;

⑦GPS的时间系统虽然与国际计量局确定的世界协调时(UTC)有差别,但是美国海军天文台控制的钟组在UTC中具有绝对主导地位,而由美国海军天文台确定的时间系统也是GPS时间的基础。

因此,尽管在2020年前后,用户将可以接收到美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo以及中国BDS四大全球卫星导航系统以及日本的准天顶(QZSS)及印度的IRNSS区域卫星导航系统播发的信号,但不得不承认GPS系统已经被广大用户接受,已经占据全球卫星导航市场的主导地位,也已经占据各类导航标准政策的主导地位。其他卫星导航系统不得不与GPS相同实施兼容与互操作。而且GPS系统和Galileo系统已先行一步,已就兼容和互操作达成一致,相关信息简述如下。Galileo系统E1信号和GPS系统L1信号共用相同的载波频率1575.42MHz。GPS系统L1上调制有民码C/A码和军码P(Y)码、M码。

考虑到导航战中美国可能对其C/A码实施干扰,以避免敌国的应用,Galileo系统E1信号在设计中需要采用频谱搬移的手段,以避免其用户受到GPS的干扰,达到提高其与GPS之间兼容性的目的。由于1575.42MHz这一载波频率上的卫星导航信号已经相当拥塞,而且Galileo系统想要达到与GPS系统兼容互操作的目的,以及大信号带宽的设计思想,Galileo系统E1信号的设计是一项艰巨的任务,经历了漫长的研究阶段和复杂的研究历程。

某个卫星导航系统要想占领部分导航应用市场,就必须具备如下条件:

①提供更高质量的定位、导航和授时服务(包括精度、可靠性、操作便捷性、价格等);

②必须与GPS系统实行兼容与互操作;

③提供与GPS系统不同的特色服务。即使其他GNSS 供应商具备这些条件,用户依然会十分挑剔地审视使用其他GNSS 导航信号带来的成本和效益;如果使用多GNSS 信号给用户增加过多额外成本,用户仍然会放弃与GPS不能实施互操作的卫星导航系统。这给BDS 带来了更多的挑战。(详见杨元喜、陆明泉、韩春好所著《GNSS互操作若干问题》,测绘学报,Vol.45,No.3,2016.3)

卫星导航系统信号设计,包括导航信号结构、导航电文格式、导航信号载波频率、伪随机测距码及信号调制方案,直接影响系统间互操作的可能性,因此,各大卫星导航系统需要开展双边和多边协商,确保系统间的导航信号互操作,导航信号互操作的双边和多边协商典型示例如下:

·1998年: 美国和日本就GPS系统合作发表声明(QZSS系统和GPS系统完全兼容,高度互操作);

·2003年: 欧盟和中国就Galileo和BDS系统之间兼容和互操作达成合作协议;

·2004年: 美国和欧盟就GPS和Galileo系统之间开展合作达成一致性意见,形成四个工作组,其中MBOC导航信号调制方案是工作组在信号设计层面最富有成效的成果;

·2005年起: 美国和俄罗斯就卫星导航系统合作达成一致性意见,形成GPS和Glonass系统兼容和互操作专项工作组;

·2007年: 美国和印度就GNSS系统开展合作发表联合声明,定期召开GPS-IRNSS系统兼容和互操作专题协调;

·2005年12月成立的全球卫星导航系统国际委员会ICG是联合国框架下的政府间非正式组织,每年召开一次工作会议,旨在加强卫星导航领域的协调与合作,促进卫星导航全球化应用,鼓励全球卫星导航系统和区域卫星导航系统之间实现兼容与互操作,中国于2007年9月加入ICG,是全球四大卫星导航系统之一;

·亚太经济合作组织(APEC)全球卫星导航系统实施工作组(GIT)主要关注空中交通管制和航空相关事宜。

 

四、关键技术

单个卫星导航系统在某些情况下并不能完全保证用户的定位、导航、定时(PNT)服务可靠性,特别是在高楼林立的城市峡谷地区,导航信号很容易被遮挡,有时还会产生多径效应,由此导致导航信号不可用。此外,一旦某个导航系统出现问题,对单类型用户的危害是比较大的,例如,2014年4月2日,俄罗斯GLONASS系统出现问题,整个系统不能提供服务,经过13个小时的紧急抢修才恢复正常。

显然,多个卫星导航系统之间的兼容互操作能够解决单一系统出现问题时,还可以保证用户的PNT服务,同时还可以提高PNT服务的可靠性。因此,兼容互操作是卫星导航系统未来发展的大趋势。兼容互操作可以无限制地使用多星座提供的多频观测信息进行PNT应用,可减弱对单一星座的依赖,降低电磁干扰、地形/建筑物遮挡、电离层闪烁、拒绝服务等因素导致的性能下降或服务中断风险。

在卫星导航系统多星座多频数据融合下,经过数据探测、筛选、组合,将显著增加卫星和测距信号的数量,大幅提升导航性能。举一个最简单的例子,一旦终端是兼容互操作的,卫星数目的增多可以极大限度地减弱卫星导航盲区,缓解单一星座下由于城市建筑物遮挡等因素引起的导航信号缺失问题,提高卫星导航系统服务的连续性。

 

4.1  导航信号设计

导航信号是同时在控制段、空间段和用户段之间建立联系的核心要素。首先,导航信号是控制段与空间段之间的一个重要反馈链路,因此,导航信号的潜在性能在很大程度上决定了导航系统的先天性能。其次,导航信号是空间段与用户段之间的唯一接口,因此,卫星导航信号的优劣直接关系到系统的定位和授时能力能否通过用户接收机得到充分的发挥,直接影响到用户的服务质量。由于卫星导航接收机的唯一处理对象是卫星导航信号,因此,导航信号设计水平也在很大程度上决定了卫星导航系统的兼容互操作与应用推广和产业化。

导航信号的主要特征包括载波频率、调制方式、信号带宽、信号功率、极化方式、多址方式、扩频码、电文格式、电文纠错码等。从用户终端的角度看,为了研制性能好、功耗低、体积小、成本低的多系统兼容接收设备,总是希望各导航系统的上述参数尽可能相似,以便更多地共享接收机中的硬件和软件。特别是信号载波频率、信号带宽、调制方式、多址方式等与信号频谱特征密切相关的主要特性,最好应该完全一致,这也是ICG 所倡导的发展方向,即卫星导航系统的互操作。

卫星导航系统频率配置和信号的兼容与互操作主要是通过共用中心频率以及频谱重叠来实现的,当然需要使用不同的信号调制方式和不同的信号结构,这也是系统相互独立性的必然要求。国际电信联盟发布的导航频率占有情况如图2所示,图中给出了导航系统现有的和计划采用的主要频率分配情况。

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2:卫星导航系统导航频率分配情况

由图2导航频率分配情况可知, Galileo系统的E2-L1-El信号与GPS系统的L1信号以及E5a信号与L5信号共用中心频率,在信号层面较好地实现了兼容与互操作,为两个系统之间的互操作奠定了良好的基础。通过共用中心频率和频谱重叠,一方面解决了卫星导航频率资源的紧缺问题,另一方面可以减少接收机为不同中心频率提供基准频率信号而产生的负担,从而在一定程度上降低了多系统联合GNSS接收机的功耗、成本和重量。

对于中心频率相同的导航信号。接收机可以采用相同的射频前端、不同的捕获跟踪模块、相同的导航解算模块来实现导航定位。虽然通过共用中心频率和频谱重叠的方式可以实现系统问的协同工作,但是需要采用不同的信号调制方式或参数,以便在频谱上将这两个信号分离,从而保证不同系统信号之间的干扰降到最低。

新型导航信号的设计成为GPS 现代化和Galileo建设中十分重要的内容,逐渐引入了针对卫星导航系统特点和应用需求的多样化设计理念,开发了不少新技术。典型的例子是,在GPS 和Galileo 信号设计中提出了频谱向中心频点两边分裂的二进制偏移载波(BOC)扩频调制技术,在保证与早期信号共用载波中心频点的同时,避免了系统间的频谱干扰;并且,信号能量向以载波频率为中心的上下边带分裂的频谱可以带来更大的Gabor带宽,提高了导航信号的潜在码跟踪精度。在此基础上,MBOC 与AltBOC 等改进技术以及导频与数据分离的新结构等,都充分显示了卫星导航信号的特色,并进一步提升了导航信号的接收和测距性能。

鉴于导航信号在导航系统中的重要性,在开展全球系统的信号设计时要特别重视频率资源、系统间的兼容性与互操作、测距精度、服务的稳健性、知识产权等方面的严苛约束。如前述,GPS系统技术成熟,用户涉及的领域非常广泛,已经在世界范围内树立起了行业领导者的地位,其他卫星导航系统要想占领部分导航应用市场,就必须与GPS系统实行兼容与互操作,互操作对卫星导航系统的基本要求是不同系统的信号应该尽可能相似,特别是与信号频率相关的特征应该高度相似,导航信号的中心频点不一致和带宽不一致,不仅影响系统间的兼容性,实际上对互操作性的影响更大。

例如,在40多年前,GPS系统的民用信号,即L1 C/A 码信号采用当时最先进的直接序列扩频/二进制相移键控(DSSS/BPSK)调制技术,基本上照搬了卫星通信中的信号设计方案,测距码的码片速率也相对较低(1.023MHz),电文结构、信道编码也比较简单。而北斗区域卫星导航系统的B1I信号在载波、带宽(扩频码速率)、扩频码、电文格式、纠错编码等方面与L1 C/A 码信号存在差异,很难实现两者的兼容互操作。

2007年7月26日,在GPS-Galileo射频兼容与互操作工作组经过将近10年的共同研究后,由美国和欧洲专家组成的联合设计机构推荐了一个最优化的GPS系统L1C信号和Galileo系统E1信号公开服务新扩频码调制方案MBOC(6,1,1/11)。美国和欧盟共同宣布了一项协议,MBOC(6,1,1/11)由BOC(1,1)和BOC(6,1)合并而成,在1575.42MHz频率上发射,BOC(1,1)和BOC(6,1)分别占合并以后总信号功率的10/11和1/11。

综述,未来北斗全球系统信号设计应在兼容性的基础上特别重视互操作的设计,无论是频率、坐标系统和时间系统都将尽量与国际现有技术标准一致。需要在保持信号自身特色和独立性的同时,采用与GPS和Galileo系统相同的频点、类似的调制、相近的带宽,在频域特性上尽可能与GPS和Galileo系统保持一致,以增强其互操作性。GPS未来的核心信号是L1C,北斗全球系统信号的互操作设计应面向未来,重点实现与L1C的兼容与互操作。

 

4.2  空间坐标系统设计

时间、空间坐标参考系统是卫星导航定位的基础。为了体现独立性,各系统都有独立的时间和空间系统。目前四大全球卫星导航系统的空间坐标系统的定义基本一致,但与IERS定义的参数均有差异,各星导航系统地心引力常数和地球自转角速度见表2,参考椭球的几何常数见表3。(详见杨元喜、陆明泉、韩春好所著《GNSS互操作若干问题》,测绘学报,Vol.45,No.3,2016.3。)

2:卫星导航系统使用的地心引力场数和地球自转角速度

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3:参考椭球常数

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四大全球卫星导航系统的地球参考框架实际上都是国际地球参考框架(ITRF)的一种实现。GPS、GLONASS、BDS系统的地心引力常数值、地球自转角速度与ITRF推荐值相同。四大全球卫星导航系统的参考椭球长半轴几乎都不相同,而且均与IERS 推荐值存在差异,相对于IERS 推荐的参考椭球长半轴a =6378136.6m,GPS 和BDS 参考椭球差了0.4m,GLONASS 参考椭球差了-0.6m,Galileo 参考椭球差了-1.1m,GPS 和BDS 与Galileo 参考椭球差了1.5m,但是参考椭球的长半轴和扁率的差异一般不会影响用户的定位结果。因为用户由卫星广播星历计算卫星坐标时,不涉及参考椭球的几何参数。BDS、GPS、GLONASS 采用的地球椭球扁率也与IERS 规定值不同,但这些常数差对卫星星历影响不大。对地图投影的影响一般在毫米量级,不影响用户使用。

尽管各卫星导航系统坐标系统的定义差别不明显影响融合导航定位结果,但是,各坐标系统实现的差别对导航定位结果影响明显。这是因为卫星导航系统坐标系统实现和维持所带来的误差直接影响卫星轨道精度,而卫星轨道误差对用户单点定位结果的影响是系统性的。

由于现有四大全球卫星导航系统采用了不同的坐标框架,于是坐标框架的相对偏差将影响各卫星星座的互操作。解决这类互操作有两种策略:对于单点定位和实时导航,可以在观测模型中设置互操作参数,并在融合定位时估计这类参数;对于事后处理的高精度定位用户,可以采用相对定位方式削弱这类互操作参数的影响。需要注意的是各GNSS 系统必须选择各自的参考卫星进行差分,才能消除坐标互操作参数的影响。

实践中,应该采用多GNSS 接收机同时接收GPS、GLONASS、BDS 和Galileo 等卫星信号,综合测定跟踪站的地心坐标,计算各GNSS系统存在的坐标系统误差,并发播给用户作为先验参数,供用户在多模融合导航定位时参考。如果将不同GNSS 测定的地面点三维坐标转换成大地经纬度和大地高,则使用不同的参考椭球参数会产生明显差异。所以在我国若要求将多GNSS 测定的点位坐标转换成大地坐标时,则一定要采用CGCS2000椭球参数,而不是使用各GNSS 所对应的其他参考椭球参数,如此才能确保不同卫星系统定位结果的坐标系统一致性。

在坐标系的不一致方面,多GNSS 坐标基准定义相近,但选用的参考椭球常数存在差异,坐标基准的实现途径和更新周期均存在较大差异。多GNSS 参考椭球的地心引力常数差异及地球的自传角速率差异将导致卫星广播星历2至数十米偏差,而坐标基准的实现误差、更新周期等差异将首先影响卫星轨道,进而对多GNSS用户产生影响。于是,未来可采用多GNSS接收机监测各GNSS的坐标互操作参数,并将BDS跟踪站的坐标更新周期改为每年一次,以便减小地壳形变误差对坐标基准互操作参数的影响。

 

4.3  时间参考系统设计

GPS、Galileo、BDS 三大系统都采用连续的原子时标,无闰秒,系统间的偏差包括两部分:①各系统在不同的UTC时间定义起点时间,而导致整秒偏差,BDT与GPST、GST的整秒差为14秒,而GST与GPST不存在整秒差:②由于各系统时间由各自的原子钟组生成,在长期的运行过程中会产生微小的偏差,一般称之为“秒内偏差”,通常为几十纳秒量级。

GLONASS 系统的基准时间(GLNT)与UTC(SU)+3h同步,而且与UTC一起进行动态闰秒,因此,GLONASS系统与其他系统时间的偏差存在三方面的影响:

①GLNT与GPST、GST和BDT系统时间的整小时偏差为3h;

②整秒偏差部分:由于GLNT与UTC同步闰秒,而且整秒偏差不是一个固定常数,需根据BIPM发布的闰秒公告具体计算;

③秒内偏差部分,GLNT系统钟组运行产生的误差,该偏差需要通过动态监测链路来实时获取。这三类偏差有的直接影响授时,有的影响时间同步,有的影响多GNSS联合导航定位。

GPS、GLONASS、BDS和Galileo 四大全球卫星导航系统对应的时间系统定义差别较大,具体情况的比较分析如表4所示。(详见杨元喜、陆明泉、韩春好所著《GNSS互操作若干问题》。)

4:GNSS 系统时间定义说明

图片15.png

在多系统兼容互操作中,时间系统的不一致直接影响多系统导航定位和授时结果。对于秒以下偏差部分,对定位误差的影响可达十米乃至数十米,对授时的影响可达数10ns。在进行系统时差精确测定和修正后,定位误差的影响一般可优于1m,授时误差可小于3ns。对于整数时差可以按照系统时间的基本定义直接改正;对时间系统运行误差,则可以在函数模型中增加待定参数进行补偿,或采用系统内差分减弱其影响;也可以通过地面监测站实时进行监测、评估,并向用户发播改正信息。


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