謝金石，陳 霄，王冬霞，辛 潔，郭 睿

導(dǎo)航裝備研究進(jìn)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(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094；3. 32021部隊，北京 100094）

為了進(jìn)一步服務(wù)我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)，通過介紹4大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)概況，系統(tǒng)總結(jié)出觀測監(jiān)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(guān)鍵單機(jī)導(dǎo)航裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，并給出導(dǎo)航裝備亟須解決的重點研究方向。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；導(dǎo)航裝備；關(guān)鍵單機(jī)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）是能在地球近地空間內(nèi)的任何地點、任何時間為用戶提供坐標(biāo)、速度和時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]。導(dǎo)航裝備技術(shù)的發(fā)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(tǒng)（global positioning system, GPS）、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS）[2]。本文介紹了4大GNSS的建設(shè)概況，并給出觀測監(jiān)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(guān)鍵單機(jī)類導(dǎo)航裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與研究展望。

1 4大GNSS建設(shè)概況

1.1 GPS建設(shè)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(tǒng)一的導(dǎo)航定位授時服務(wù)。星座由至少24顆中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）衛(wèi)星構(gòu)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(wèi)星軌道周期為12 h。這樣的軌道高度為半同步軌道，可產(chǎn)生重復(fù)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(wèi)星[3]。截至2019年1月9日，GPS擁有31顆在軌衛(wèi)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(jìn)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(gòu)型示意如圖1所示。

圖1 GPS星座示意圖

GPS衛(wèi)星正在更新為GPS III新型導(dǎo)航衛(wèi)星，第一顆GPS III衛(wèi)星于2018年12月成功發(fā)射，目前處于在軌測試階段。采用GPS III衛(wèi)星的GPS系統(tǒng)預(yù)計單點定位精度優(yōu)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(jìn)行測量通信；星間鏈路采用Ka頻段，信號播發(fā)方式為點對點傳輸方式：這將很大程度地提高系統(tǒng)的安全性[6-7]。

1.2 GLONASS建設(shè)概況

GLONASS是蘇聯(lián)研發(fā)的GNSS，其目標(biāo)是99%以上地球表面在任意時刻都有5顆以上衛(wèi)星可視。GLONASS星座由24顆MEO衛(wèi)星組成，分布于3個軌道面內(nèi)，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(jìn)行測量通信，定軌數(shù)據(jù)主要采用L波段測距信息，激光測距信息進(jìn)行輔助[8-9]。

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

1.3 Galileo建設(shè)概況

Galileo由30顆MEO衛(wèi)星組成，其中6顆為備份星，衛(wèi)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(biāo)是：用戶等效距離誤差（user equivalent range error, UERE）優(yōu)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(yōu)于35 m[3,10]。

至2019年4月12日為止，Galileo擁有在軌衛(wèi)星18顆，廣播星歷精度優(yōu)于10 m，預(yù)計2020年左右完成全部星座衛(wèi)星部署，并進(jìn)入工程應(yīng)用階段。

1.4 BDS建設(shè)概況

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

截止2019年4月12日，BDS在軌衛(wèi)星數(shù)為33顆，全球地區(qū)定位精度為10 m，亞太地區(qū)定位精度為5 m。

2 關(guān)鍵單機(jī)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

導(dǎo)航裝備包括空間段、地面段、用戶端的相關(guān)裝備，其中地面段關(guān)鍵單機(jī)裝備共包括5類：觀測監(jiān)測裝備、拋物面天線裝備、PRM及注入設(shè)備、加解密裝備、測試裝備等，本文調(diào)研并歸納了其發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。

2.1 觀測監(jiān)測裝備發(fā)展現(xiàn)狀

要提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航授時精度，首先要建立全面立體的導(dǎo)航系統(tǒng)觀測網(wǎng)，而這離不開觀測監(jiān)測裝備的發(fā)展。

對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說，觀測監(jiān)測裝備包括BDS/GNSS監(jiān)測接收機(jī)、衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)（radio determination satellite service, RDSS）監(jiān)測接收機(jī)。BDS/GNSS監(jiān)測接收機(jī)通過對BDS衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（radio navigation satellite system, RNSS）信號和其他GNSS衛(wèi)星非授權(quán)導(dǎo)航信號的連續(xù)跟蹤觀測，獲取偽距、載波相位和導(dǎo)航電文等信息，為BDS基本導(dǎo)航、星基增強、系統(tǒng)時差監(jiān)測等業(yè)務(wù)處理提供原始觀測數(shù)據(jù)。RDSS監(jiān)測接收機(jī)響應(yīng)BDS導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)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(xiàn)系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)性能監(jiān)測，為系統(tǒng)GEO導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌業(yè)務(wù)處理提供支持[11-13]。

2.2 天線裝備發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航天技術(shù)的發(fā)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(xiàn)該目標(biāo)的有效途徑之一。因此，大口徑拋物面天線應(yīng)運而生。

天線裝備是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心裝備，實現(xiàn)上行信號注入、下行信號接收以及站間衛(wèi)通信號收發(fā)，主要由天饋子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、伺服控制子系統(tǒng)等組成，配置多頻段饋源。另外，天線裝備還可以實現(xiàn)實時導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，指導(dǎo)對在軌衛(wèi)星操作干預(yù)，為分析其信號質(zhì)量、優(yōu)化改進(jìn)信號生成過程、在軌操作動作及軍事應(yīng)用情況提供參考，并作為衛(wèi)星是否繼續(xù)保持服務(wù)的決策依據(jù)[14-15]。

2.3 PRM裝備發(fā)展現(xiàn)狀

在導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計和研究中，為了提高系統(tǒng)的安全性和作戰(zhàn)能力，需要為導(dǎo)航系統(tǒng)增加防止軟件反編譯和硬件逆向分析等物理保護(hù)措施，為軟件代碼、關(guān)鍵參數(shù)和時效控制參數(shù)加密存儲，并具有數(shù)據(jù)和程序的糾錯檢錯能力；因此，關(guān)于導(dǎo)航系統(tǒng)PRM裝備的研究應(yīng)運而生[16]。

PRM為精密測距碼，相關(guān)裝備包括PRM模塊及PRM注入設(shè)備。PRM模塊是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精密測距碼產(chǎn)生和管理的標(biāo)準(zhǔn)部件，分為上注、站間、信號源、導(dǎo)航信號4種類型。其中：上注型為地面向衛(wèi)星上注電文提供精密測距碼；站間型為站間衛(wèi)通設(shè)備數(shù)據(jù)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(dǎo)航信號模塊為監(jiān)測接收機(jī)、星地測量數(shù)傳接收設(shè)備等接收下行導(dǎo)航信號提供精密測距碼。對應(yīng)模塊需要研制配套的注入設(shè)備以產(chǎn)生和管理注入數(shù)據(jù)，并對模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)注入和性能測試。

2.4 加解密裝備發(fā)展現(xiàn)狀

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國家的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)安全對國家安全至關(guān)重要。為防止對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行惡意攻擊和篡改，需要對其進(jìn)行加密處理以提高安全性[17-18]。

導(dǎo)航系統(tǒng)加解密裝備是對上行注入、站間數(shù)傳、星間鏈路對地等發(fā)射信息進(jìn)行加密，對RNSS下行、站間數(shù)傳、星間鏈路對地等接收信息進(jìn)行解密，具有安全保護(hù)作用，利用用戶身份驗證、啟用授權(quán)等措施防止非法用戶使用，包括星地業(yè)務(wù)加解密裝備、站間業(yè)務(wù)加解密裝備、RDSS業(yè)務(wù)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(fā)展現(xiàn)狀

測試裝備是導(dǎo)航系統(tǒng)的一類關(guān)鍵單機(jī)，主要指導(dǎo)航信號源。導(dǎo)航信號源是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的專用測試設(shè)備，其主要作用是模擬仿真產(chǎn)生4大GNSS的射頻信號，用于支持開展監(jiān)測接收機(jī)測試。其中BDS衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)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(wèi)星播發(fā)的非授權(quán)導(dǎo)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(wèi)星所有非授權(quán)導(dǎo)航信號包括：G1 C/A、G2 C/A信號（FDMA），G3OC信號（CDMA）。Galileo衛(wèi)星播發(fā)的公開信號包括：E1B/C信號、E5a信號和E5b信號。

3 我國關(guān)鍵單機(jī)裝備研究展望

綜合分析4大GNSS建設(shè)概況和關(guān)鍵單機(jī)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，觀測監(jiān)測裝備的多系統(tǒng)多頻點高精度一體化測量技術(shù)、大口徑天線控制饋線環(huán)路時延控制技術(shù)、資源受限條件下的PRM模塊高安全編碼管理技術(shù)等將成為我國導(dǎo)航裝備亟需研究的發(fā)展方向。

3.1 觀測監(jiān)測裝備的多系統(tǒng)多頻點高精度一體化測量技術(shù)

衛(wèi)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(dǎo)航觀測監(jiān)測裝備接收信號能量弱、多徑效應(yīng)及電磁環(huán)境影響，難以實現(xiàn)偽距、載波相位等觀測數(shù)據(jù)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(jiān)測裝備需要能夠接收BDS及其他GNSS的衛(wèi)星信號。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括L、S、C、RDSS多頻段導(dǎo)航信號，頻率范圍約為1.15～2.5 GHz，頻率跨度高達(dá)1.35 GHz，因此導(dǎo)航監(jiān)測裝備的多系統(tǒng)多頻點高精度一體化測量技術(shù)是我國未來發(fā)展的一個關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 大口徑天線控制饋線環(huán)路時延控制技術(shù)

根據(jù)主要功能和任務(wù)要求，大口徑天線設(shè)計中重點突出“實現(xiàn)多頻共用的功能”“時延穩(wěn)定性保證”和“可靠性和可維修性設(shè)計”等設(shè)計理念。導(dǎo)航系統(tǒng)中時延變化量的大小是影響系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度的重要原因，所以系統(tǒng)對各設(shè)備均提出了嚴(yán)格的時延變化量的要求。通過工程試驗驗證，天線設(shè)備各個分機(jī)的時延變化量可以精確標(biāo)定。但是，在跟蹤任務(wù)期間，天線時延變化量是隨機(jī)的，無法實時標(biāo)定。所以如何將饋線環(huán)路時延變化量控制在一個合理的范圍內(nèi)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(shù)

BDS-3不論是星載還是地面PRM模塊都面臨路數(shù)多倍增長的現(xiàn)象，這對有限資源及功耗要求下的PRM模塊實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。另外，由于PRM模塊的高保密性，安全管理技術(shù)成為PRM模塊必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模塊安全管理需要考慮模塊自身的安全性及數(shù)據(jù)注入過程的安全性，同時預(yù)留模塊管理以及參數(shù)分發(fā)的安全設(shè)計接口。另外，考慮到測試階段的安全問題，還應(yīng)增加測試階段安全性設(shè)計。因此，資源受限條件下的高安全編碼管理技術(shù)是PRM模塊未來的發(fā)展方向。

3.4 大數(shù)據(jù)量的高效注入安全管理技術(shù)

由于全球系統(tǒng)要求PRM模塊并行輸出的碼路數(shù)大大增加，模塊所需資源、應(yīng)用程序大小、關(guān)鍵參數(shù)等均有所增加，也極大地增加了模塊注入數(shù)據(jù)量。為了保證PRM模塊的快速數(shù)據(jù)注入，需要研究大數(shù)據(jù)量的高效注入技術(shù)。另外，由于PRM模塊的高保密性，注入設(shè)備的安全管理技術(shù)也成為必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要從注入設(shè)備及注入過程2個方面進(jìn)行安全性設(shè)計。在注入設(shè)備的安全性方面：注入設(shè)備設(shè)計具備防攻擊、防竊取的能力，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)及參數(shù)的安全性；注入平臺內(nèi)存儲的關(guān)鍵參數(shù)和注入數(shù)據(jù)采用高強度的加密存儲方法，確保存儲過程中不出現(xiàn)明文；同時，在注入設(shè)備的操作上進(jìn)行嚴(yán)格的權(quán)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(shù)據(jù)加密傳輸?shù)瓤刂啤?/p>

3.5 加解密裝備的高可靠性設(shè)計

為了保證密碼設(shè)備的高可用度，未來加解密裝備的發(fā)展方向是雙機(jī)雙工自動切換技術(shù)。該技術(shù)是一種高可用容錯技術(shù)：容錯系統(tǒng)由主備機(jī)2臺設(shè)備組成，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的雙入單出處理；系統(tǒng)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(jī)制。該技術(shù)采用定時在主備機(jī)之間傳送心跳協(xié)議診斷信息的方式，一旦診斷信號表明主機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，備機(jī)系統(tǒng)將自動替代主機(jī)處理發(fā)送數(shù)據(jù)，保證服務(wù)不間斷運行。該技術(shù)能確保密碼設(shè)備以24 h無人值守狀態(tài)連續(xù)運行，可以提高系統(tǒng)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(shù)

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

4 結(jié)束語

本文綜述了國際上4大GNSS的建設(shè)概況，探討了關(guān)鍵單機(jī)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，包括觀測監(jiān)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(guān)鍵單機(jī)裝備發(fā)展趨勢體現(xiàn)在觀測監(jiān)測裝備的多系統(tǒng)多頻點高精度一體化測量技術(shù)、大口徑天線控制饋線環(huán)路時延控制技術(shù)、資源受限條件下的PRM模塊高安全編碼管理技術(shù)等技術(shù)方向。

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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(dǎo)航裝備研究進(jìn)展及展望[J].導(dǎo)航定位學(xué)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(xué)基金（61603397，41874043，41704037）；大地測量與地球動力學(xué)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行管理技術(shù)、故障診斷及容錯技術(shù)。

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(dǎo)航系統(tǒng)裝備發(fā)展技術(shù)、星間路與自主導(dǎo)航技術(shù)、故障診斷及容錯技術(shù)。