張德慧 魏銘 王明月

摘 要：近年來(lái)，時(shí)間和空間的應(yīng)用幾乎涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的時(shí)頻基準(zhǔn)已成為重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)，其中一個(gè)最典型的的戰(zhàn)略應(yīng)用就是以GPS為代表的全球定位系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。為了更好地促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，在本文中將對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行簡(jiǎn)要概括介紹。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航，定位

衛(wèi)星導(dǎo)航（Satellite navigation）是指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶(hù)進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。常見(jiàn)的GPS導(dǎo)航，北斗星導(dǎo)航等均為衛(wèi)星導(dǎo)航。采用導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地面、海洋、空中和空間用戶(hù)進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)。利用太陽(yáng)、月球和其他自然天體導(dǎo)航已有數(shù)千年歷史，由人造天體導(dǎo)航的設(shè)想雖然早在19世紀(jì)后半期就有人提出，但直到20世紀(jì)60年代才開(kāi)始實(shí)現(xiàn)。

1、國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)現(xiàn)狀

世上現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可分為兩類(lèi)。一類(lèi)是獨(dú)立完整的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，正在運(yùn)行的有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS和中國(guó)的北斗試驗(yàn)系統(tǒng)；正在研發(fā)的有歐盟的Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)，中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國(guó)的區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS等。國(guó)外的系統(tǒng)為全球定位系統(tǒng)，我國(guó)的系統(tǒng)首先是區(qū)域定位系統(tǒng)。當(dāng)前運(yùn)行的系統(tǒng)中最成動(dòng)的是GPS系統(tǒng)，它是星基直播式衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有被動(dòng)接收觀測(cè)、用戶(hù)無(wú)限、精度高，功能全、性能好等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。另一類(lèi)是增強(qiáng)系統(tǒng)，它通過(guò)在廣域或局域內(nèi)對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到差分改正信息及具有連續(xù)性，可用性，完好性等的信息，再通過(guò)衛(wèi)星或其他途徑廣播給用戶(hù)，達(dá)到高精度和高可靠性的目的，從而被不少?lài)?guó)家和地區(qū)采用。有些現(xiàn)已建成，有些正在開(kāi)發(fā)中。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)有美國(guó)的WAAS、歐盟的EGNOS，日本的MSAS和QZSS，印度及巴西的增強(qiáng)系統(tǒng)也在研發(fā)之中。局域增強(qiáng)系統(tǒng)有美國(guó)的LAAS、澳大利亞的GBAS等。

我國(guó)差分系統(tǒng)的研究起步較早，但僅是分散的開(kāi)展了局域差分系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)廣域差分和增強(qiáng)系統(tǒng)的研究起步則較慢。近年來(lái)有關(guān)單位開(kāi)始了利用通信衛(wèi)星建立廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的研究，在新一代民航航管系統(tǒng)中也已開(kāi)始立項(xiàng)研究局域增強(qiáng)系統(tǒng)。

2、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的下一步發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）用一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式使GPS類(lèi)（中軌衛(wèi)星星座）衛(wèi)星導(dǎo)航具有更可靠、更穩(wěn)定、更完好的高性能。

（2）找到一種可以代替GPS類(lèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用而且可靠的精密衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

第一種做法正隨著GPS3的投入、GLONASS的恢復(fù)、Galileo和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)而深入，系統(tǒng)間可以實(shí)現(xiàn)組合，組成雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)融合的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。同時(shí)可發(fā)展差分和增強(qiáng)系統(tǒng)，以及通過(guò)增加頻點(diǎn)、研發(fā)新碼、增加功率、改變調(diào)制方式、提高接收機(jī)的靈敏度及研發(fā)自適應(yīng)調(diào)零天線等措施提高系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的定位精確性、可用性和完好性。

第二種做法新衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已由中國(guó)科學(xué)院艾國(guó)祥院士等提出，在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、國(guó)家授時(shí)中心、上海微小衛(wèi)星工程中心、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所等單位通力合作下，已研發(fā)成功中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)（CAPS）。這種新型衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)從原理上可以稱(chēng)為轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用位于赤道同步軌道的現(xiàn)有在軌道衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器，把時(shí)間信號(hào)、軌道參數(shù)等導(dǎo)航電文及測(cè)距碼從地面發(fā)射上行，經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，再?gòu)V播下行。這樣用戶(hù)接收機(jī)接收到轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、測(cè)速和授時(shí)。

3、發(fā)展我國(guó)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)

（1）高穩(wěn)定度的時(shí)頻基準(zhǔn)（原子鐘）

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，除了授時(shí)度和測(cè)速精度等需要有高穩(wěn)定度的時(shí)頻基準(zhǔn)外，因衛(wèi)星與用戶(hù)之間的距離測(cè)量是通過(guò)測(cè)量信號(hào)離開(kāi)衛(wèi)星上的發(fā)射天線相位中心至信號(hào)到達(dá)用戶(hù)接收天線相位中心的時(shí)延得到的，時(shí)延的測(cè)量精度同樣依靠系統(tǒng)中時(shí)頻基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，所以高性能的時(shí)頻精準(zhǔn)是GPS類(lèi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。星載高精度原子鐘研制難度大，價(jià)格昂貴，目前只有少數(shù)國(guó)家掌握這一技術(shù)，這一技術(shù)及設(shè)備對(duì)部分國(guó)家實(shí)行禁運(yùn)，所以星載原子鐘成為目前一些國(guó)家開(kāi)發(fā)研制自主星導(dǎo)航系統(tǒng)的一大技術(shù)瓶頸，也是保證導(dǎo)航星座有一定的使用壽命的技術(shù)瓶頸。

（2）高精度測(cè)定軌系統(tǒng)的技術(shù)

衛(wèi)星位置是空基導(dǎo)航系統(tǒng)的位置測(cè)量基準(zhǔn)，所以能實(shí)時(shí)精確廣播衛(wèi)星星歷變得十分重要。在中國(guó)區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS研制中，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心李志剛研究員等發(fā)明了通過(guò)偽碼擴(kuò)頻相關(guān)測(cè)時(shí)延、多站交會(huì)測(cè)軌的方法，最后通過(guò)動(dòng)力學(xué)定軌等方法，獲得了近2m級(jí)的實(shí)時(shí)測(cè)定軌精度相近。

因此，可以通過(guò)增加測(cè)軌設(shè)備、擴(kuò)建測(cè)軌站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)軌和短弧外推定軌，深人研究和消除影響測(cè)軌精度的各種誤差源，如衛(wèi)星星歷誤差、轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)延抖動(dòng)、電離層折射誤差、對(duì)流層折射誤差、多徑誤差、接收機(jī)觀測(cè)誤差和接收機(jī)噪聲等，力爭(zhēng)使測(cè)定軌精度優(yōu)于米級(jí)

（3）抗干擾技術(shù)

GPS的一個(gè)致命弱點(diǎn)是極易遭受干擾。在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，僅用小功率干擾機(jī)就能使GPS失效，造成導(dǎo)彈偏離飛行軌道。為此發(fā)展抗干擾技術(shù)尤為重要。美國(guó)在CPS3計(jì)劃中將花150億美元提高系統(tǒng)的抗干擾能力。GPS逐要通過(guò)增設(shè)頻點(diǎn)、研發(fā)新碼、提高功率、研制自適應(yīng)零天線等技術(shù)改善GPS的抗干擾能力，但效果并不明顯。由于干擾水平也在不斷升級(jí)，所以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的難度也在與日俱增，而CAPS則采取另辟蹊徑，開(kāi)創(chuàng)了采用換頻、換碼、信號(hào)寄生等方法改善系統(tǒng)抗干擾能力的新途徑。

抗干擾能力對(duì)改善導(dǎo)航定位性能的可靠性于和完好性十分重要，對(duì)擴(kuò)大衛(wèi)星導(dǎo)航的可用范圍也影響很大，尤其是對(duì)軍事應(yīng)用更具重要價(jià)值。

（4）高集成度芯片技術(shù)

近十年來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的集成電路發(fā)展以驚人的指數(shù)速度向前推進(jìn)?；镜腉PS接收機(jī)現(xiàn)在已可以整合在兩三片芯片之中。最為典型的是一片專(zhuān)用的射頻（RF）前端、一片專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及一片微分處理器。有的接收機(jī)將微分處理器嵌人到DSP中，便成了兩片機(jī)。接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向是單芯片式衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，它將RF、DSP、CPU等容納在一個(gè)芯片中，并且在形成接收機(jī)OEM板時(shí)使其外圍元器件盡可能地少。高集成度使安裝在芯片以外的接收機(jī)部件極少，節(jié)約的相當(dāng)大的印刷版空間、降低了組件成本，又減少了整個(gè)系統(tǒng)的功耗，使未來(lái)接收機(jī)具有低成本、低功耗、性能優(yōu)等特點(diǎn)。因此，接收機(jī)的關(guān)鍵是核心處理芯片的研發(fā)，包括射頻芯片、基帶處理芯片、數(shù)據(jù)處理模塊等，以及實(shí)現(xiàn)高集成化、低功耗和小體積。

（5）高性能接收機(jī)技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)地面時(shí)信號(hào)功率譜密度都非常微弱，深埋于熱噪聲之下，因此衛(wèi)星導(dǎo)航一般都用于戶(hù)外。隨著與蜂窩通信的結(jié)合，室內(nèi)定位的要求也被提出來(lái)了，于是出了高靈敏度的接收機(jī)的性能要求，比原先的靈敏度風(fēng)高出3dB左右。這是一個(gè)很大的難題，因?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)本來(lái)已經(jīng)是靈度很高的設(shè)備，要想進(jìn)一步提高其靈敏度，必須尋求新技術(shù)。另外，由于在室內(nèi)環(huán)境對(duì)多徑效應(yīng)和干擾噪聲等方面的要求更加苛刻與復(fù)雜，所以干擾我和多徑效應(yīng)緩解技術(shù)方面的研究應(yīng)當(dāng)引起重視。希望在其他系統(tǒng)的輔助下，衛(wèi)星導(dǎo)接收機(jī)可以真正實(shí)現(xiàn)天上、地下、水中、室內(nèi)定位，真正做到全球無(wú)縫導(dǎo)航。

總結(jié)：隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)技術(shù)一次次的革新，發(fā)展我國(guó)自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)變得非常重要。但我們至今仍然面臨著許多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，除此之外，還面臨著系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)人員的匱乏。作為新時(shí)代的一員，如果有能力且有興趣從事這方面，應(yīng)該盡自己最大努力，為我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展奉獻(xiàn)自己的力量。

參考文獻(xiàn)：

施滸立 孫希延 李志剛.轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航原理.科學(xué)出版社.