黃雙臨，王冬霞,2,3，郭 睿,2,3，劉曉萍，李曉杰，毛 瀟

GNSS星地協(xié)同運行研究現(xiàn)狀及技術展望

黃雙臨1，王冬霞1,2,3，郭 睿1,2,3，劉曉萍1，李曉杰1，毛 瀟1

（1. 32021部隊，北京 100094；2. 大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077；3. 中國科學院 上海天文臺，上海 200030）

為了進一步研究北斗系統(tǒng)星地協(xié)同運行相關技術，通過介紹GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4大GNSS星地協(xié)同運行現(xiàn)狀，總結出星地協(xié)同運行的關鍵性問題，得出對我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設的幾點啟發(fā)，最后給出我國星地協(xié)同運行的研究重點和發(fā)展方向的建議，以期為我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展建設提供參考。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)；星地協(xié)同運行；北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）是指在全球范圍提供定位、導航、授時（position navigation and timing, PNT）服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)總稱，目前4大GNSS包括美國的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）、以及中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）。作為國家重要的基礎設施，GNSS在國民經(jīng)濟建設中占有重要的位置，直接關系到國家安全和經(jīng)濟建設的發(fā)展，其安全性、可靠性和穩(wěn)定性是基礎[1-3]。

目前，各導航大國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的主要運行模式是地面運控模式，即通過地面運控系統(tǒng)對衛(wèi)星星座進行運行管理，完成各項導航業(yè)務的處理，實現(xiàn)整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星地協(xié)同運行，以滿足陸、海、空、天等各類軍民用戶PNT的使用要求。同時，隨著機動錨固技術及星間鏈路技術的發(fā)展，衛(wèi)星導航系統(tǒng)星地協(xié)同運行模式主要包括3種：地面運控模式、錨固支持模式、星座自主導航模式[4-7]。

BDS是我國自主研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，按照3步走的發(fā)展戰(zhàn)略，已于2016年啟動第三代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（簡稱北斗三號）的研制建設，計劃于2020年左右實現(xiàn)全球導航。北斗三號不僅包括基本導航服務、星基增強服務，還包括GPS、GLONASS、Galileo等不具備的定位報告服務。三大服務共存增加了星地協(xié)同運行的難度，且無任何現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。因此，如何從衛(wèi)星和地面運控系統(tǒng)等多個角度進行優(yōu)化設計，最終提出一整套星地協(xié)同運行和模式切換策略，是我國導航系統(tǒng)發(fā)展過程中亟需解決的一個研究熱點。

1 4大GNSS星地協(xié)同運行研究現(xiàn)狀

1.1 GPS星地協(xié)同運行模式研究現(xiàn)狀

早期GPS只有地面運控模式，但為了提高GPS在戰(zhàn)時或重大災害條件下的生存能力，文獻[8]在20世紀80年代初期開始研究星座自主導航技術，并于1984年提出了星座自主導航的基本框架。目前，在軌運行的GPS Block IIR、GPS Block IIF、GPS III/IIIF衛(wèi)星均具有自主導航能力[4]。

為實現(xiàn)GPS星座自主導航運行，美國主要開展了3個方面的研究[9-10]：一是星間鏈路測量研究；二是星間鏈路通信研究；三是高精度自主導航算法研究。最終Block IIR衛(wèi)星的星間頻段為特高頻（ultra-high frequency，UHF）無線電波，測量通信方式為時分多址（time division multiple access，TDMA）。事實上，由于星座自主導航模式中的星間觀測量是相對量，其結果將導致星座整體旋轉，因此GPS III總體設計階段論證了地面“錨固站”作為自主導航空間基準的可行性。研究結果表明，一個錨固站就可以避免星座整體旋轉，同時能提高自主導航精度[11-13]。

綜上所述，GPS星地協(xié)同運行模式包括地面運控、地面錨固支持和星座自主導航3種大系統(tǒng)運行模式，而且隨著GPS III的逐步發(fā)射，地面錨固支持與星座自主導航模式的協(xié)同工作機制將會越來越緊密。但與BDS相比，GPS的單一中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛(wèi)星架構降低了系統(tǒng)星地協(xié)同運行的復雜度。

1.2 GLONASS星地協(xié)同運行模式研究現(xiàn)狀

為了彌補區(qū)域布站的不足，提高GLONASS的生存競爭能力，俄羅斯在研究GLONASS M及K系列衛(wèi)星時規(guī)劃論證了自主導航功能?？紤]到星座自主導航模式中星間測量相對量可能引起星座整體旋轉的問題，GLONASS采用星間鏈路地面主控站輔助自主導航運行的模式[14-15]。

因此，GLONASS星地協(xié)同模式包括地面運控和星座自主導航2種大系統(tǒng)運行模式。

1.3 Galileo星地協(xié)同運行模式研究現(xiàn)狀

歐洲的Galileo在方案設計攻關階段也論證了星間鏈路和自主導航技術。目前尚無配置星間鏈路設備的衛(wèi)星發(fā)射入軌，但在可預見的將來，星座自主導航模式也是Galileo大力發(fā)展的一個方向[16]。

1.4 BDS星地協(xié)同運行模式研究現(xiàn)狀

我國的BDS正處在全球系統(tǒng)的研制建設攻堅階段，楊元喜、譚述森等國內(nèi)知名專家指出，星座自主導航是北斗三號的重要發(fā)展方向[1-2]。根據(jù)BDS建設綱要，將在2020年底為全球范圍的陸、海、空、天各類用戶提供導航、定位、授時、位置報告等服務，具備地面運控、錨固支持、星座自主導航等3種星地協(xié)同運行模式。

綜上所述，GPS、GLONASS、Galileo、BDS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)根據(jù)各自發(fā)展戰(zhàn)略已在星地協(xié)同研究方面投入了大量時間和資源，在運行模式論證上取得了豐碩的成果。GNSS運行模式總體上分地面運控模式、地面錨固支持模式和星座自主導航模式，其中地面運控模式是主要模式和常態(tài)運行模式，地面錨固支持模式與星座自主導航模式是發(fā)展趨勢。

2 星地協(xié)同運行關鍵技術

2.1 星地協(xié)同運行模式

2.1.1 地面運控模式及工作流程

在地面運控模式下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)常規(guī)運行，衛(wèi)星導航任務處理單元正常發(fā)播地面運控上注星歷。星座自主導航保持后臺運行，生成自主導航星歷但不發(fā)播；地面錨固設備提供錨固功能。

地面運控模式是一種以地面主控站為中心的星地協(xié)同運行模式，主控站主要任務是收集系統(tǒng)導航信號監(jiān)測、時間同步觀測比對等原始數(shù)據(jù)，進行衛(wèi)星無線電導航業(yè)務（radio navigation satellite service, RNSS）處理、衛(wèi)星無線電測定業(yè)務（radio determination satellite service, RDSS）處理、星地/站間時間同步比對觀測等；注入站主要任務是配合主控站完成星地/站間時間同步比對觀測；監(jiān)測站主要任務是對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，為系統(tǒng)提供實時觀測數(shù)據(jù)。其運行如圖1所示。圖1中：IGSO（inclined geosynchronous orbits）為傾斜地球同步軌道；GEO（geostationary Earth orbit）為地球靜止軌道。

在這種模式下，運控系統(tǒng)在其建立和維持時空基準的基礎上，利用其收集的多種觀測數(shù)據(jù)完成整個導航星座的衛(wèi)星軌道和鐘差測定、電離層模型參數(shù)的綜合解算，生成每小時更新的導航電文，并向衛(wèi)星注入導航數(shù)據(jù)和自主導航輔助數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星自主導航進行評估，工作流程如圖2所示。

圖1 地面運控模式運行圖

2.1.2 地面錨固支持模式及工作流程

在地面錨固支持運行模式下，地面運控系統(tǒng)無法正常工作，不能完成導航電文的注入。衛(wèi)星系統(tǒng)無法單獨借助地面運控注入信息完成正常導航，自主生成導航電文并通過下行信號向用戶播發(fā)。地面運控具備錨固功能，與星座完成Ka頻段精密測量、時間同步，可生成自主導航輔助數(shù)據(jù)，并通過Ka鏈路向衛(wèi)星注入。其運行模式如圖3所示。

圖3 地面錨固支持模式

在這種模式下，星間鏈路完成指定衛(wèi)星的星地/星間雙向測量、星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，完成基于衛(wèi)星的系統(tǒng)時間產(chǎn)生與維持以及星地/星間時間同步。錨固站作為偽衛(wèi)星和地面輔助部分，最少需要在每隔7 d時間段內(nèi)完成一次連續(xù)12 h的星地/星間雙向測量和數(shù)傳任務，進行時間同步濾波處理，實現(xiàn)錨固站與衛(wèi)星的時間同步。錨固站可完成自主導航輔助信息的上注，工作流程如圖4所示。

圖4 地面錨固支持模式的工作流程

2.1.3 星座自主導航模式及工作流程

在星座自主導航模式下，地面運控系統(tǒng)不能正常工作，由衛(wèi)星系統(tǒng)單獨實現(xiàn)。衛(wèi)星利用星間測量和地面輔助信息，進行衛(wèi)星自主定軌及時間同步，并利用地面運控模式下或錨固支持模式下地面注入的輔助數(shù)據(jù)，完成導航星歷參數(shù)更新，更新的自主星歷發(fā)送到衛(wèi)星導航任務處理單元，轉化為下行導航信號并發(fā)播。在星座自主導航模式下，系統(tǒng)包括空間星座部分和用戶設備部分。此模式是一種戰(zhàn)略儲備性運行模式，僅基本導航業(yè)務能保持大約60 d的運行，而星基增強業(yè)務、定位報告業(yè)務均不能運行。其運行圖如圖5所示。

圖5 星座自主導航模式

在這種模式下，星間鏈路設備完成指定衛(wèi)星的星間雙向測量、星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，完成基于衛(wèi)星的系統(tǒng)時間產(chǎn)生與維持以及星間時間同步。根據(jù)地面上注的輔助信息，進行部分必要的數(shù)據(jù)處理，并預報生成衛(wèi)星導航星歷。按要求自主判斷導航模式切換，接收并執(zhí)行從地面監(jiān)控部分發(fā)射的控制指令，工作流程如圖6所示。

圖6 星座自主導航模式的工作流程

2.2 星地協(xié)同狀態(tài)切換策略

綜合3大星地協(xié)同運行模式及其工作流程，狀態(tài)切換策略是：地面運控模式是系統(tǒng)的常態(tài)運行模式；當運控系統(tǒng)主控站受到人為或自然因素破壞不能正常工作時，切換為地面錨固支持模式，由地面錨固站和測控系統(tǒng)共同參與衛(wèi)星導航；當運控、錨固站、測控均全部失效時，切換為星座自主導航模式，衛(wèi)星綜合利用星間測量和地面運控上注參數(shù)更新導航星歷；在此變換期間，如地面運控模式工作狀態(tài)恢復正常，再恢復到地面運控模式運行。

3 對我國星地協(xié)同運行模式的啟迪

從4大GNSS星地協(xié)同運行研究現(xiàn)狀來看：美國從20世紀80年代初開始研究星座自主導航相關技術，目前尚未完全實現(xiàn)GPS星座自主導航模式，僅通過地面試驗驗證了地面錨固支持模式和星座自主導航模式運行的可行性。美國將在GPS III的建設攻關中，進一步推進星地協(xié)同運行關鍵技術的研究。

對我國BDS來說，只有地面運控主站模式經(jīng)過工程驗證，而隨著北斗三號配備星間鏈路設備，其星地運行模式必然包括地面運控、地面錨固支持和星座自主導航3種，因此對我國北斗三號來說，其面臨的技術挑戰(zhàn)主要如下：

1）星地協(xié)同運行方案的復雜程度前所未有：衛(wèi)星由3種軌道衛(wèi)星組成，服務能力不僅包括基本導航服務、星基增強服務，還包括BDS獨有的定位報告服務，3大服務共存增加了星地協(xié)同運行的難度，且無任何現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。此外，地面站數(shù)量眾多、管理衛(wèi)星數(shù)量眾多、天線類型復雜、信號體制多樣，均是星地協(xié)同運行需要考慮的因素。因此，北斗三號星地協(xié)同運行方案的復雜程度前所未有。

2）星地協(xié)同運行方案的風險控制有待具體化：地面運控、地面錨固支持和星座自主導航3種運行模式在切換過程中，難免造成服務性能的變化。如何在星地協(xié)同運行方案中，對切換過程中和切換后進行有針對性的具體化的風險控制措施研究，實現(xiàn)模式間的快速穩(wěn)定切換，最大程度地保證各類用戶服務信息的連續(xù)穩(wěn)定，是我國未來導航系統(tǒng)亟需且必須解決的一個研究方向。

4 未來我國星地協(xié)同運行技術展望

綜合分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和關鍵技術研究現(xiàn)狀，星地協(xié)同運行和狀態(tài)切換的風險控制技術、高可靠性指標體系分析技術是我國未來導航系統(tǒng)星地協(xié)同運行領域亟需研究的發(fā)展方向。

1）星地協(xié)同運行和狀態(tài)切換的風險控制技術。北斗三號相對于北斗二號的復雜程度全面提升，按照關鍵系統(tǒng)、關鍵分系統(tǒng)、關鍵設備，從主控站、注入站、監(jiān)測站角度逐級梳理系統(tǒng)單點風險，有利于掌握北斗三號地面運控系統(tǒng)在狀態(tài)切換中可能發(fā)生的風險。并對可能發(fā)生切換風險的任務進行逐級分解，有利于保障地面運控系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運行。同時，對衛(wèi)星可能發(fā)生的風險，從軟件適配性角度分析研究，更好地保障用戶的服務性能。

針對北斗三號研制廠家多、設備多、國產(chǎn)化要求嚴格等一系列問題，從技術風險和管理風險角度出發(fā)，充分借鑒北斗二號成功研制建設的經(jīng)驗，通過制訂工作策劃方案明確分專業(yè)總體的責任和權利，及與系統(tǒng)總體、分項目研制單位的關系，吸納北斗二號承研設備使用情況和關鍵技術攻關成果情況，積極督促攻關單位加快攻關新增技術內(nèi)容，以控制技術風險，為北斗三號建設構建科學合理、經(jīng)濟可行的風險控制路線圖。

2）高可靠性指標體系分析技術。立足于3種運行模式，在現(xiàn)有北斗二號測試評估體系中，按照“服務可靠性指標→大系統(tǒng)運行可靠性指標→工程各系統(tǒng)運行可靠性指標→關鍵子系統(tǒng)/單機可靠性指標”的層次劃分，梳理選取與大系統(tǒng)可靠性相關的指標參數(shù)，在此基礎補充完善北斗三號可靠性測試評估內(nèi)容，并研究提出相應的測試評估方法。收集在軌衛(wèi)星監(jiān)測評估數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)測試評估集成平臺，完成對大系統(tǒng)可靠性指標的監(jiān)測評估。重點將星間鏈路可靠性納入大系統(tǒng)可靠性指標的體系，考慮星間鏈路對大系統(tǒng)可靠性指標實現(xiàn)的改進或影響，提出對星間鏈路可靠性的設計要求。

3）高可靠主備協(xié)同工作技術。主備協(xié)同工作的主要目的是保證各類服務的連續(xù)穩(wěn)定。在主控站異常、故障等服務可能中斷情況下，針對主備站的關鍵系統(tǒng)、關鍵分系統(tǒng)和關鍵設備的可靠性要求，通過合理優(yōu)化的運控模式變換設計，最大程度地確保星地協(xié)同運行模式切換過程中和切換后3大業(yè)務的連續(xù)運行，最終實現(xiàn)各類用戶服務信息的連續(xù)穩(wěn)定，研究一套面向北斗三號、工程應用化強的主備協(xié)同控制方案，都是我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設攻關過程中亟待解決的緊要問題。

5 結束語

本文詳細介紹了GPS、GLONASS、Galileo、BDS 4大GNSS的星地協(xié)同運行研究現(xiàn)狀，并分層次介紹了星地協(xié)同運行的關鍵技術問題，最后得出對我國衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設的啟迪，并指出我國星地協(xié)同運行的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在星地協(xié)同運行和狀態(tài)切換的風險控制技術、高可靠性指標體系分析技術、高可靠主備協(xié)同工作技術等方向。

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Status and development of GNSS satellite-ground coordinated operation

HUANG Shuanglin1, WANG Dongxia1,2,3, GUO Rui1,2,3, LIU Xiaoping1, LI Xiaojie1, MAO Xiao1

（1. Troops 32021, Beijing 100094, China; 2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Wuhan 430037, China; 3. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China）

In order to further study the technology of satellite-ground coordinated operation for BDS, the paper introduced the status of the coordinated operation in the four main GNSS of GPS, GLONASS, Galileo and BDS respectively, summarized the key technical points, and gave some enlightenment on the construction of satellite navigation systems in China, finally sugggested the research emphases and development directions of Chinese satellite-ground coordinated operation. The result would provide a reference for the development and construction of satellite navigation systems in China.

global navigation satellite system; satellite-ground coordinated operation; BeiDou navigation satellite system

P228

A

2095-4999(2019)03-0001-06

2019-01-14

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

黃雙臨（1975—），女，浙江臨海人，碩士，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行管理技術、故障診斷及容錯技術。

王冬霞（1985—），女，河南新鄉(xiāng)人，博士，高級工程師，研究方向為衛(wèi)星導航系統(tǒng)星間路技術、自主導航技術、故障診斷及容錯技術。

黃雙臨，王冬霞，郭睿，等.GNSS星地協(xié)同運行研究現(xiàn)狀及技術展望[J].導航定位學報,2019,7(3): 1-6.（HUANG Shuanglin, WANG Dongxia,GUO Rui, et al.Status and development of GNSS satellite-ground coordinated operation[J].Journal of Navigation and Positioning, 2019,7(3): 1-6.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190301.