張春海，趙曉東，李洪濤

(北京衛(wèi)星導航中心，北京100094)

1 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)能夠為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天時、全天候、高精度的定位、導航和授時服務，是拓展人類活動、促進社會發(fā)展的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星導航正在使世界政治、經(jīng)濟、軍事、科技、文化發(fā)生革命性的變化[1]。2012年12月，中國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式服務運行，成為繼美國GPS/WAAS、俄羅斯GLONASS后的第三個正式服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。另外，歐盟GALILEO/EGNOS系統(tǒng)、日本 QZSS/MSAS、印度 IRNSS/GAGAN等系統(tǒng)也在建設(shè)中[2－4]。多個衛(wèi)星導航系統(tǒng)和增強系統(tǒng)的并存，已經(jīng)打破美國GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的壟斷局面，在民用領(lǐng)域形成百家爭鳴，更好地為全球民用用戶提供更精確、更安全的服務。

在印度，主要有印度空間研究組織(India Space Research Organization，ISRO)和印度機場管理局(Airports Authority of India，AAI)聯(lián)合組織開發(fā)的兩個系統(tǒng):一是GPS輔助GEO增強導航系統(tǒng)(GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN)，它是印度建設(shè)的GPS星基增強系統(tǒng)，由印度空間研究組織和印度機場管理局共同實施，系統(tǒng)建設(shè)的目的是在印度提供滿足民用和航空應用的精度和完好性要求的星基增強服務;二是印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(India Regional Navigation Satellite System，IRNSS)，由印度空間研究組織(ISRO)組織實施，它是一個獨立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，可以在印度領(lǐng)土及周邊1 500 km范圍內(nèi)提供定位精度優(yōu)于20 m的服務。IRNSS系統(tǒng)提供SPS(標準定位服務)和RS(限制服務)兩種服務。

本文詳細介紹了印度GAGAN、IRNSS兩個系統(tǒng)的星座組成、信號體制、導航電文格式以及地面站組成等，對全面了解印度導航系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的參考價值。

2 星座組成

印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展分為兩部分，其中GAGAN系統(tǒng)為美國GPS系統(tǒng)的區(qū)域增強系統(tǒng)，IRNSS系統(tǒng)為印度獨立建設(shè)的區(qū)域定位系統(tǒng)。根據(jù)印度方面向我方提供的參考假設(shè)文件(RAD)，其IRNSS/GAGAN系統(tǒng)的星座組成如表1所示，表中為截止2013年11月的指標。

表1 印度IRNSS/GANGA系統(tǒng)星座組成Table1 Constellation parameters of India's IRNSS/GAGAN system

IRNSS系統(tǒng)空間段由7顆衛(wèi)星組成，3顆GSO衛(wèi)星分別位于東經(jīng) 32.5°、東經(jīng) 83°和東經(jīng) 131.5°;4顆IGSO衛(wèi)星軌道傾角為29°，升交點分別位于東經(jīng)55°、111.75°，IRNSS 星座在 ECEF 坐標系中的星下點軌跡如圖1所示。

圖1 印度IRNSS系統(tǒng)星座組成圖Fig.1 Satellite constellation of India's IRNSS system

3 信號體制

3.1 GAGAN 系統(tǒng)

GAGAN是印度建設(shè)的GPS星基增強系統(tǒng)，由印度空間研究組織和印度機場管理局共同實施，系統(tǒng)建設(shè)的目的是在印度提供滿足民用和航空應用的精度和完好性要求的星基增強服務。GAGAN的空間信號覆蓋整個印度大陸，能為用戶提供GPS信息和差分改正信息，用于改善印度機場和航空應用的GPS定位精度和可靠性，是一個典型的GPS星基增強系統(tǒng)(SBAS)。

GAGAN系統(tǒng)的信號體制與GPS/WAAS保持高度一致，其使用的擴頻碼也是和GPS/WAAS同一碼組，并且是向美國國防部申請授權(quán)得到的。GAGAN系統(tǒng)的詳細信號特性如表2所示，表中為截止2013年11月的指標。

表2 GAGAN系統(tǒng)信號特性Table2 Signal parameters of GAGAN system

3.2 IRNSS 系統(tǒng)

IRNSS由印度空間研究組織(ISRO)實施，IRNSS系統(tǒng)是一個獨立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，可以不依靠GPS為印度領(lǐng)土的用戶提供獨立的導航定位服務?？臻g衛(wèi)星采用3個頻段作為載波:C頻段、S頻段和L頻段。其中C頻段頻率主要用于測控，使用L5頻段和S頻段發(fā)射衛(wèi)星下行導航信號，中心頻點分別為 1 176.45 MHz、2 492.028 MHz，SPS 服務采用BPSK－R(1)調(diào)制，RS服務采用BOC(5，2)調(diào)制，分為導頻和數(shù)據(jù)兩個通道[5]。其詳細的信號參數(shù)分別如表3和表4所示，表中為截止2013年11月的指標。

表3 IRNSS系統(tǒng)L5頻段信號特性Table3 Signal parameters of IRNSS system L5 band

表4 IRNSS系統(tǒng)S頻段信號特性Table4 Signal parameters of IRNSS system S band

圖2為IRNSS系統(tǒng)信號的功率譜密度(PSD)。

圖2 IRNSS系統(tǒng)信號功率譜密度Fig.2 PSD of IRNSS signals

4 導航電文

4.1 GAGAN 系統(tǒng)

為了確保所有空基增強系統(tǒng)(SBAS)的互操作性，國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)標準與建議書行動組(Standards and Recommended Practices，SARPs)制定了 SBAS 系統(tǒng)的技術(shù)標準，以保證機載設(shè)備可以接收WAAS/EGNOS/MSAS/GAGAN等不同系統(tǒng)的信號，印度GAGAN系統(tǒng)的導航電文設(shè)計也嚴格遵循這一規(guī)范，因此其電文格式可參考美國WAAS系統(tǒng)的接口控制文件[6]。

4.2 IRNSS 系統(tǒng)

IRNSS的導航電文由幀、子幀組成，其中一個幀包含4個子幀，每個子幀的長度為292 b，經(jīng)過FEC編碼后的長度為584 b，加上16 b的同步頭，每個編碼后的子幀長度為600 b，一個主幀的長度為2 400 b，按照50 b/s的符號速率傳輸，傳輸一個主幀所需要的時間為48 s。4個子幀中，第1、2子幀為固定格式，用于傳輸歷書和鐘差參數(shù)，第3、4子幀為信息格式。IRNSS系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IRNSS系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure of IRNSS system

5 地面系統(tǒng)

5.1 GAGAN 系統(tǒng)

GAGAN地面系統(tǒng)由主控站(Master Control Center，INMCC)、上行注入站(Indian Land Uplink Stations，INLUS)、參考站(India Reference Stations，INRES)和通信鏈路(Communication links)組成，如圖4所示。

圖4 GAGAN地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of GAGAN system ground segment

GAGAN系統(tǒng)3個地面主控站分別對應3顆GEO衛(wèi)星，所有參考站的數(shù)據(jù)都通過通信鏈路傳輸?shù)街骺卣具M行結(jié)算，并由主控站生成差分改正信息，通過上行注入站(INLUS)分別注入3顆衛(wèi)星。GAGAN衛(wèi)星載荷采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作機制，因此要生成L1、L5兩個頻段的差分信息，需要上行注入站使用C1(中心頻點6 715.42 MHz)、C5(中心頻點 6 676.45 MHz)兩個頻段與衛(wèi)星之間建立饋線鏈路[7]。

5.2 IRNSS 系統(tǒng)

IRNSS系統(tǒng)地面段包括9個衛(wèi)星控制地球站(IRNSS Satellite Control Earth Stations，SECS)、2 個導航中心(Navigation Center，INC)、2個衛(wèi)星控制中心(Satellite Control Center，SCC)、17 個測量與完好性監(jiān)測站(Range＆ Integrity Monitoring Stations，IRIMS)、2 個時間中心(Network Timing，IRNWT)、4 個CDMA 測距站(CDMA Ranging Stations，IRCDR)、2個數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(Data Communication Network，IRDCN)以及1個激光測距站(Laser Ranging Station，LRS)等[8]，如圖 5 所示。

圖5 IRNSS系統(tǒng)地面段結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of IRNSS system ground segment

測量與完好性監(jiān)測站(IRIMS)用于進行IRNSS衛(wèi)星的連續(xù)單向距離測量、星座完好性監(jiān)測，IRIMS連續(xù)跟蹤IRNSS星座的導航信號，并將解調(diào)的數(shù)據(jù)、偽距、載波相位等信息發(fā)送給INC。導航中心(INC)的主要功能為計算衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差改正數(shù)、電離層誤差改正數(shù)以及相應的完好性信息，并將計算結(jié)果傳送給衛(wèi)星控制中心(Satellite Control Facility，IRSCF)，并通過衛(wèi)星控制地球站(SCES)注入到衛(wèi)星。衛(wèi)星空間控制中心(SCC)主要負責空間衛(wèi)星正常工作的管理、控制和維護。CDMA測距站和激光測距站(LRS)負責采集IRNSS衛(wèi)星的距離信息，進行修正后傳送給 INC[9]。

6 現(xiàn)狀及發(fā)展計劃

從印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略來看，印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展仿效歐盟的思路，先建設(shè)增強系統(tǒng)，為自主導航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)技術(shù)和經(jīng)驗，然后發(fā)展自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，因此GAGAN系統(tǒng)的建設(shè)進度要先于IRNSS系統(tǒng)。

6.1 GAGAN 系統(tǒng)

GAGAN系統(tǒng)的建設(shè)分為兩個階段，第一個階段是技術(shù)演示系統(tǒng)(TDS)，第二階段為全操作階段(FOP)，GAGAN系統(tǒng)在FOP階段包括15個參考站、2個主控站、2個上行注入站，數(shù)據(jù)通信依靠專用光纖網(wǎng)和VSAT鏈路。

2010年4月15日，印度的第一顆GAGAN衛(wèi)星GSAT－4在印度使用GSLV－D3運載火箭發(fā)射失敗;2011年5月20日，第二顆GAGAN衛(wèi)星GSAT－8在法國Kourou使用Ariane－5衛(wèi)星發(fā)射成功，并定點在55°E;2012年9月28日，印度的第三顆GAGAN衛(wèi)星GAST－10發(fā)射成功，并定點在83°E;下一顆GAGAN衛(wèi)星GSAT－15計劃于2014～2015年之間發(fā)射。GAGAN系統(tǒng)計劃完成穩(wěn)定運行測試后，2013年7月完成驗收，目前仍未見相關(guān)測試報告和新聞報道。圖6給出了GAGAN系統(tǒng)的服務區(qū)域。

圖6 GAGAN系統(tǒng)服務區(qū)Fig.6 Service area of GAGAN system

6.2 IRNSS 系統(tǒng)

2013年7月1日，印度的第一顆IRNSS系統(tǒng)衛(wèi)星IRNSS－1A發(fā)射成功，該衛(wèi)星是一顆IGSO衛(wèi)星，實際傾角27.1°，升交點位置為東經(jīng)55°，設(shè)計壽命10年。印度原計劃2015年完成IRNSS系統(tǒng)所有衛(wèi)星的發(fā)射，實現(xiàn)全星座運行，根據(jù)目前其系統(tǒng)建設(shè)進展估計，下一顆衛(wèi)星至少在1年后發(fā)射，如果一切順利，之后按照每半年發(fā)射一顆衛(wèi)星估計，IRNSS系統(tǒng)至少要在2017年底才可能具備全星座運行的能力。

7 結(jié)束語

印度由于所處經(jīng)度基本在我國范圍內(nèi)，其GAGAN和IRNSS系統(tǒng)的信號能夠覆蓋我國大部分領(lǐng)土，因此深入研究印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，解決好其與我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容與互操作問題非常重要:首先是兼容性問題。印度IRNSS系統(tǒng)是我國“北斗”系統(tǒng)之外唯一實際使用S頻段(2 483.5～2 500 MHz)的系統(tǒng)，其新增信號對我國“北斗”系統(tǒng)RDSS業(yè)務的影響還需要進一步深入進行分析;另外，印度IRNSS/GAGAN系統(tǒng)的建設(shè)運行也大大增加了亞洲－太平洋地區(qū)可見導航衛(wèi)星的顆數(shù)，通過有效利用其差分改正信息，可以顯著提升GPS接收機的定位性能。因此，進一步跟蹤研究印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展是十分必要的。

[1]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告(藍皮書)2.0[R].北京:中國衛(wèi)星導骯系統(tǒng)管理辦公室，2011.Satellite Navigation Office.Report on the Development of Beidou(COMPASS)Navigation Satellite System[R].Beijing:Satellite Navigation Office，2011.(in Chinese)

[2]ICG.Current and planned Global and Regional Navigation Satellite Systems and Satellite－based Augmentations Systems[M].New York:United Nations，2010.

[3]譚述森.衛(wèi)星導航定位工程[M].2版.北京:國防工業(yè)出版社，2010.TAN Shu－sen.The Engineering of Satellite Navigation and Positioning[M].2nd ed.Beijing:National Defense Industry Press，2010.(in Chinese)

[4]譚述森.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學報，2008，29(2):391－396.TAN Shu－sen.Development and Thought of Compass Navigation Satellite System[J].Journal of Astronautics，2008，29(2):391－396.(in Chinese)

[5]Rao V G，Lachapalle G，Vijaykumar S B.Analysis of IRNSS over India subcontinent[C]//Proceedings of 2011 ION ITM.San Diego:ION，2011:1150－1162.

[6]FAA－E－2892b，Specification for the Wied Area Augmentation Sysytem(WAAS)[S].

[7]Ganeshan A S.GAGAN:Statue and Update[J].Coordinates，2012，VIII(9):1－5.

[8]Rao V G，Lachapelle G.Combining GAGAN with IRNSS[J].Coordinates，2013，IX(4):1－5.

[9]高為廣，陳金平，王楠.印度衛(wèi)星導航系統(tǒng)最新進展[J].全球定位系統(tǒng)，2008，33(1):42－45.GAO Wei－guang，CHEN Jin－ping，WANG Nan.The Progress of Indian Navigation Satellite System[J].GNSS World of China，2008，33(1):42－45.(in Chinese)