金國平，閆小萍，王茂磊，范建軍，桑懷勝

（1 北京衛(wèi)星導航中心北京 100094）

（2 武警總醫(yī)院計算機管理中心北京 100039）

1 引言

上行注入系統(tǒng)的任務(wù)是定期向衛(wèi)星注入廣播星歷、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星歷書等關(guān)鍵性導航電文，確保用戶的定位授時精度得到及時有效的保障，可以認為是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的交通樞紐。上行注入體制是保障上行注入任務(wù)的決定性因素，分析國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入的技術(shù)狀態(tài)有助于未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。

Galileo系統(tǒng)上行注入的相關(guān)文獻資料非常有限，在綜合這些文獻資料的基礎(chǔ)上，試圖探明Galileo系統(tǒng)的上行注入體制。從上注策略、信號體制、注入站配置以及注入站與主控站的通信方式等4方面入手，分析了Galileo系統(tǒng)上行注入的技術(shù)特點，據(jù)此對衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入提出了設(shè)計思路，為未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展提供建議和參考。

2 Galileo系統(tǒng)上注策略

（1）主備注入模式[1,2]

根據(jù)Galileo系統(tǒng)的設(shè)計，上行注入使用主備模式，以提供冗余上行注入能力，如下：

①主模式：上行注入使用ULS(Up-Link Site)站，傳送公開服務(wù)(OS)、生命安全服務(wù)(SoL)、區(qū)域擴展完好性服務(wù)(ERIS)、公共管制服務(wù)(PRS)、商業(yè)服務(wù)和搜救服務(wù)(SAR)等6大服務(wù)的數(shù)據(jù)，導航電文預報長度為12 h；

②備用模式：使用TT&C (Telemetry，Tracking and Command)站，除遙控指令等主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)外，還定期向目標衛(wèi)星注入導航服務(wù)數(shù)據(jù)。與ULS站有所區(qū)別的是，TT&C站只傳送公開服務(wù)、生命安全服務(wù)和公共管制服務(wù)3類服務(wù)的數(shù)據(jù)，預報長度也擴展到了24h。TT&C站定期接收上行導航服務(wù)數(shù)據(jù)，以常態(tài)方式執(zhí)行注入任務(wù)，而不是只在ULS站出現(xiàn)注入困難時才啟用。ULS站和TT&C站的具體分工如圖1所示。

圖1 Galileo 主備上行注入模式

地面控制中心(GCC)的信息生成設(shè)備(MGF)匯集所有上行注入的服務(wù)數(shù)據(jù)，由其組幀形成上行注入子幀。為提高可靠性，由多個MGF同時生成上行注入子幀，但只有一個MGF的子幀會分發(fā)給ULS站，由GCC根據(jù)信息質(zhì)量和既定的優(yōu)先級來選擇。

（2）上行注入方式[1-4]

與GPSIII設(shè)計的上行注入方式不同，Galileo系統(tǒng)沒有使用星間鏈路分發(fā)方式，仍然采用一對一的注入方式，即地面天線只負責目標星本星的信息注入。由GCC統(tǒng)一發(fā)布ULS/TT&C站天線與衛(wèi)星的配對規(guī)劃，覆蓋星座10天的周期，MUCF每天制定一次。ULS/TT&C站天線根據(jù)規(guī)劃跟蹤配對衛(wèi)星，采用全自動處理方式，只有出于維護目的時才需要人工操作。

在可視弧段內(nèi)，ULS站持續(xù)向目標衛(wèi)星注入星歷、衛(wèi)星鐘差等導航電文，保證廣播導航電文的數(shù)據(jù)齡期小于100 min，確保UERE控制在65cm（1σ）以內(nèi)；還向衛(wèi)星注入完好性信息，頻度為1次/s，確保完好性鏈路連續(xù)和6s告警時間。與導航信息不同，完好性信息不同時向所有衛(wèi)星注入，而是選定18顆衛(wèi)星注入，保證全世界任何地方的用戶都能同時接收到至少3顆衛(wèi)星廣播的完好性信息。

（3）區(qū)域完好性信息的注入[1-5]

Galileo系統(tǒng)將全球劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域建立1個外部區(qū)域完好性系統(tǒng)（ERIS），該系統(tǒng)不歸屬于Galileo系統(tǒng)地面段。在非歐洲本土，該區(qū)域的完好性數(shù)據(jù)并不是由Galileo系統(tǒng)產(chǎn)生，而是由ERIS生成。為配合區(qū)域完好性服務(wù)，Galileo系統(tǒng)設(shè)計了直接注入和間接注入相結(jié)合的方式。

直接注入方式下，區(qū)域完好性信息由該區(qū)域的ERIS站直接注入到目標衛(wèi)星；間接注入方式下，區(qū)域完好性信息先由ERIS站發(fā)至地面任務(wù)段(GMS)，然后由MGF編排入上行注入幀，通過ULS站注入到對應(yīng)子星座。從GMS接收開始計算，要求區(qū)域完好性信息在1.2s內(nèi)上注到目標衛(wèi)星。

（4）SAR數(shù)據(jù)的注入[1,2]

為配合SAR服務(wù)，GCC要將SAR回傳鏈路消息傳送到遇險信標。該消息并不是通過ULS站的所有可視衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，而是由GCC選擇兩顆最合適的衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)，除滿足對地覆蓋要求之外，這2顆衛(wèi)星都要處于高仰角位置，而且方位角相差較大。

3 信號體制

根據(jù)注入模式的不同，Galileo系統(tǒng)上行注入使用兩種不同信號體制。

（1）C頻段ULS站[1,2]

ULS站上行注入鏈路使用C頻段，中心頻率為5,005 MHz，起止頻率為5000～5010MHz，屬于國際電聯(lián)規(guī)定的地對空業(yè)務(wù)合法頻段，GPSIII上行注入系統(tǒng)同樣選用了。該頻段內(nèi)，業(yè)務(wù)類型比較單一，無意干擾少。上行注入采用DS-CDMA體制，調(diào)制方式選用O-QPSK，I/Q2支路均承擔數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，糾錯碼為(2,1,7)卷積碼，使用Viterbi譯碼。由于I/Q支路分別調(diào)制卷積碼的兩路輸出，符號速率等同于信息速率，射頻信號生成過程和注入信號產(chǎn)生過程如圖2和圖3所示。

圖2 上行C 波段鏈路射頻信號生成過程

圖3 C 波段信號編碼與調(diào)制過程

上行注入信號帶寬只有10MHz，若以1.023MHz為基頻，從充分利用帶寬的角度出發(fā)，并考慮帶外抑制，偽碼速率很可能選為4倍基頻。

上行注入信息包括6大服務(wù)的導航數(shù)據(jù)、SoL服務(wù)的完好性數(shù)據(jù)、PRS服務(wù)的完好性數(shù)據(jù)、SAR的回傳鏈路數(shù)據(jù)以及CS服務(wù)數(shù)據(jù)，由2個子幀組成，一個是完好性子幀，另一個是消息子幀，其幀結(jié)構(gòu)如圖4，整幀長度持續(xù)1s。完好性子幀包括SoL完好性狀態(tài)/警告信息、ERIS數(shù)據(jù)及有效字，時效性最強；消息子幀包括星歷與時鐘數(shù)據(jù)、完好性列表、CS服務(wù)數(shù)據(jù)、PRS服務(wù)數(shù)據(jù)以及搜索與救援回傳鏈路數(shù)據(jù)等，至少1.5 h注入一次，數(shù)據(jù)預報長度超過12h。消息子幀包含4組星歷數(shù)據(jù)（鐘差改正和星歷參數(shù)），每組預報周期4h，相鄰兩組相互交迭1h。

圖4 Galileo 上行鏈路幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)Galileo系統(tǒng)公布的OS服務(wù)ICD 文件分析，F(xiàn)/NAV和I/NAV的完好性信息、星歷參數(shù)、電離層改正參數(shù)、鐘差參數(shù)、SAR信息的數(shù)據(jù)量接近2kbits，其時效性較高，如果在一幀內(nèi)上注，信息速率約為2kbps。歷書數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量大，且時效性低，可以通過多幀來傳送。

（2）S波段TT&C站[1-4]

TT&C站上行鏈路使用S頻段，中心頻率為2.048GHz，采用FDMA多址方式和DS-CDMA體制，信息速率為1～4 kbps，每次上注導航服務(wù)數(shù)據(jù)包含8組星歷數(shù)據(jù)，其預報長度24h

4 注入站配置

（1）ULS站[1-4]

由于不使用星間鏈路，Galileo系統(tǒng)采用全球布站策略，全球范圍內(nèi)建設(shè)了9個ULS站，分別位于北美洲的溫哥華、南美洲的圣地亞哥和庫魯、南太平洋的帕皮提、亞洲的特里凡得瑯、大洋洲的新諾爾恰和努美阿、歐洲的基律納、印度洋的留尼旺島，歸屬于GMS。每個ULS站配備4幅3m蝶形天線，全部工作于C波段，能實時地與衛(wèi)星建立連接，實現(xiàn)完好性信息的實時分發(fā)。注入站截至仰角5°。

（2）TT&C站[1-3]

Galileo系統(tǒng)共設(shè)計5個TT&C站，分別與庫魯、帕皮提、新諾斯、基律納以及留尼旺島等5個ULS站并址建設(shè)，其布局可保證地面與每個軌道面的每顆衛(wèi)星至少建立1條上行控制鏈路，每條鏈路至少持續(xù)45min，支持同時處理多顆衛(wèi)星的突發(fā)情況。TT&C站歸屬于地面控制段（GCS）。

每個TT&C站配備一幅13mS波段蝶形天線，至少增加一幅備份天線。S波段天線兼顧測控下行接收（2.225GHz），還可開展星地雙向測距（TWSTFT），用于精密測定衛(wèi)星高度，精度達米級。TT&C站截至高度角5度。TT&C站不負責衛(wèi)星發(fā)射及早期操作階段的任務(wù)，而是采用租借其他測控手段的方式來完成。

（3）ERIS站

Galileo系統(tǒng)將全球劃分為5個不同的完好性區(qū)域，每個區(qū)域建立1個ERIS站，負責本區(qū)域完好性信息的生成和上注，每站配備1個C頻段上行注入通道。ERIS站不歸屬于Galileo系統(tǒng)。ERIS站與GCC建立數(shù)據(jù)接口，由其將區(qū)域完好性信息傳送給GCC的MGF，MGF將區(qū)域完好性信息編排到上行注入消息幀的固定位置，但不負責該信息的質(zhì)量。ERIS站的直接上注計劃由MUCF制定，每天制定一次，定義與特定衛(wèi)星的連接周期。

5 注入站與GCC的通信方式

根據(jù)Galileo系統(tǒng)設(shè)計方案，ULS/TT&C站與GCC之間共有4種通信方式，其中3種為主用方式，另1種為備份方式。幀中繼（FR）是首選主用方式；當GCC與ULS/TT&C站之間無法建立FR直連時，選用VSAT（VerySmallAperture Terminal）衛(wèi)星通信方式，通過單跳衛(wèi)星鏈路與其通信；當不能單獨使用以上任一種建立直接鏈路時，通過FR和VSAT2種方式對配合完成站與站的通信。

圖5 GCC 與ULS 站的通信鏈路

圖6 GCC 與TT&C 站的通信鏈路

綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)是以上3種方式的備份手段，作為數(shù)字電話網(wǎng)國際標準，已成為一種典型的電話交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。GCC與ULS/TT&C站的通信鏈路如圖5和圖6所示。每個ULS站和TT&C工作站均同時與2個地面控制中心保持通信，這是考慮了通信可靠性和無縫切換的需要。

6 Galileo系統(tǒng)上行注入特點分析

根據(jù)以上分析，Galileo系統(tǒng)上行注入基本上呈現(xiàn)以下幾個特點。

①Galileo系統(tǒng)的ULS站和TT&C站上行鏈路的頻率選擇完全遵從國際電聯(lián)規(guī)定。由于C頻段內(nèi)業(yè)務(wù)單一，電磁環(huán)境較簡單，最大程度地減少帶內(nèi)無意干擾，同時也避免了選擇不合法頻段所存在的國際糾紛隱患和繁瑣的國際協(xié)調(diào)；

②與GPSIII不同[7,8]，Galileo系統(tǒng)上行注入仍舊采用類似GPSII的方式，ULS站與衛(wèi)星一對一地注入，不使用星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)方式，通過在全球布設(shè)多個注入站來達到對整個星座衛(wèi)星的覆蓋；

③上行注入設(shè)計了多種備份手段，從信息組幀、GCC與注入站的通信、注入站天線配置和上行鏈路等多個方面來提高上行注入的冗余，不降低可用性，最大限度地保障上行注入的可靠性；

④TT&C站上行注入功能按不對等方式設(shè)計：一是沒有使用全備份策略，只備份了9個ULS站中的5個；二是注入任務(wù)簡化，縮減了上注電文，只注入緊迫性最強的信息，同時擴展了預報周期。此外，TT&C站上行鏈路定期上注，不是在緊急狀態(tài)下才啟用。這種設(shè)計方式在保障最基本導航服務(wù)前提下使系統(tǒng)最簡化，降低了系統(tǒng)建設(shè)復雜度，并且使上行注入達到了無縫連接；

⑤根據(jù)衛(wèi)星對地覆蓋情況，選擇性地向高仰角衛(wèi)星注入完好性信息和SAR信息，不是所有上行鏈路都同時發(fā)送，一是可提高注入可靠性，降低被干擾概率，二是高仰角導航信號可增加用戶接收成功率，提高服務(wù)精度。

⑥區(qū)域完好性信息的生成、注入和發(fā)播是從WAAS系統(tǒng)演變而來，同樣是由各區(qū)域獨立產(chǎn)生和注入。但不同的是，區(qū)域完好性信息仍通過Galileo衛(wèi)星發(fā)播，ERIS也接受GCC的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，不需要建設(shè)新的獨立于Galileo之外的支持系統(tǒng)或增強系統(tǒng)。此外，ERIS與GCC建立數(shù)據(jù)接口，可通過ULS站協(xié)助注入，為其提供了一種冗余備份手段。

⑦上行注入鏈路使用擴頻體制，相比于頻分方式，節(jié)省頻率資源，可擴展性好，鏈路健壯性好，設(shè)備通用性好；使用類似于P碼或M 碼的長周期或無周期碼，可起到加密效果，保證數(shù)據(jù)安全；每個碼片都附帶時間信息，嚴格對準系統(tǒng)時，可支持星地雙向測距。

⑧上行注入選用卷積碼作為糾錯編碼方案，編碼增益稍低，但好處在于該編碼為非分組編碼，時延短（只占幾個信息位），有利于強時效性信息的發(fā)送；編排靈活，不像分組編碼受分組長度的約束，填充的無用數(shù)據(jù)非常少，編排效率高。

⑨ULS站和TT&C站使用全自動方式來實現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤和注入，高度自動化減少了對人的依賴，降低了因操作失誤等人為因素引起系統(tǒng)故障的風險，提高了工作效率、準確度和系統(tǒng)可靠性。

7 上行注入系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)對Galileo系統(tǒng)上行注入體制及特點分析，對未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)上行注入的建設(shè)提出自己的思考，以供衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設(shè)借鑒和參考。

⑴合理使用頻率資源

上行注入頻率要嚴格遵守國際電聯(lián)的相關(guān)條款規(guī)則。申請國必須承擔起頻率保護責任，共同構(gòu)建和諧使用頻率資源的國際大環(huán)境，在國際大舞臺展現(xiàn)良好的國家形象。開展頻率設(shè)計時，要仔細評估帶內(nèi)電磁環(huán)境，盡量避免業(yè)務(wù)過多或者上注級別較低的頻帶，以免無意干擾造成注入失敗。

⑵有效開展可靠性設(shè)計

鑒于上行注入的重要性，有必要增加備份冗余手段。從數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和傳輸、信號的生成和發(fā)送等上行注入的不同狀態(tài)入手，在設(shè)備和鏈路等方面開展多手段多方式冗余設(shè)計，提高上行注入系統(tǒng)可靠性，增強突發(fā)情況應(yīng)對能力。此外，提高系統(tǒng)自動化水平，降低人為因素，也是提高系統(tǒng)可靠性的一個有效手段。

⑶優(yōu)化設(shè)計備份鏈路

對于工程系統(tǒng)，復雜度越低，可靠性程度越容易得到保障。據(jù)此，上行注入鏈路冗余設(shè)計首先要充分挖掘系統(tǒng)已有資源，借助現(xiàn)有鏈路開展備份設(shè)計，可降低系統(tǒng)建設(shè)成本和復雜度，GPS和Galileo系統(tǒng)在測控上行鏈路就均有上行注入備份功能[1-8]；其次，要充分論證備份鏈路的定位，以需求為導向明確備份策略，Galileo系統(tǒng)就是采用簡化備份策略，以保證系統(tǒng)最基本要求；再者，注重備份平穩(wěn)切換設(shè)計，一旦主鏈路出現(xiàn)故障，能及時、無縫地切換至備份鏈路，確保導航服務(wù)不中斷、精度不降低，Galileo系統(tǒng)是使備份鏈路常態(tài)工作來達到此要求。

⑷加強鏈路安全性設(shè)計

考慮到上行注入的重要地位，要加強上行注入鏈路的安全設(shè)計，防止信號及數(shù)據(jù)被破譯，從而威脅系統(tǒng)安全。主要從數(shù)據(jù)安全和信號安全著手開展設(shè)計，如增加防欺騙設(shè)計、增加數(shù)據(jù)加密、使用長周期或無周期偽碼以及使用窄波束天線等技術(shù)手段來提高鏈路安全性。

⑸統(tǒng)籌設(shè)計注入方式

上行注入方式要根據(jù)系統(tǒng)特點、安全性、國際政治形勢和技術(shù)能力來統(tǒng)籌設(shè)計。如：面向區(qū)域服務(wù)的系統(tǒng)只需區(qū)域布站即可滿足系統(tǒng)服務(wù)性能，面向全球的系統(tǒng)必須要采取技術(shù)手段達到全球注入；全球布站要考量國際政治環(huán)境、系統(tǒng)的軍民特性、安全措施以及對衛(wèi)星的可視情況；在無法實現(xiàn)全球布站的條件下，采取與GPSIII類似的星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)等其他技術(shù)手段實施全球注入。

⑹重點確保信息時效

上行注入信號體制設(shè)計要以確保信息時效作為必要條件，統(tǒng)籌設(shè)計信息速率和數(shù)據(jù)格式，合理選擇糾錯編碼方案，從信息傳輸時延、設(shè)備延遲等方面來滿足時效要求。

8 結(jié)束語

論文從注入策略、信號體制、注入站配置以及通信方式等方面著手，分析了Galileo系統(tǒng)上行注入技術(shù)體制，解讀其技術(shù)特點，提出了上行注入系統(tǒng)設(shè)計思路，為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展提供建議。

[1]S Journo,J Poumailloux,JM Piéplu,et al.Producing the Galileo Services From the Ground Mission Segment（GMS）[C].ION GNSS 19th International Technical Meeting of the Satellite Division,Fort Worth,2006:504-519.

[2]R Dellago,JM Pieplu,R Stalford.The Galileo System Architecture at the End of the Design Phase[C].Portland,2003:978-990.

[3]M Lugert,M Falcone,R brough,et al.The GalileoSat Ground Segment Architecture Concept and Operational Approach[C].Salt Lake City,2000:1761-1771.

[4]程鵬飛,景賓,趙靜.伽利略系統(tǒng)及其地面段的設(shè)計[J].海洋測繪,2003,4(23):49-53.

[5]過靜珺,盧建剛,吳衛(wèi)峰,曾潤國.歐洲伽利略導航系統(tǒng)的發(fā)展[J].測繪通報,2000(2):51-52.

[6]K Maine,P Anderson,F Bayuk,Communication Architecture for GPS III[C].Aerospace Conference,2004:1532-1539.

[7]European Union.European GNSS(Galileo)Open Service Signal In Space Interface Control Document[P].2010.

[8]O Luba,Larry Boyd,Art Gower.GPS III Systems Operations Concepts[J].IEEE A&B System Magazine,2005:10-18.