卫星导航概论

张德慧 魏铭 王明月

摘 要：近年来，时间和空间的应用几乎涉及经济社会发展的各个领域，高准确度、高稳定度的时频基准已成为重要的战略基础，其中一个最典型的的战略应用就是以GPS为代表的全球定位系统的发展和应用。为了更好地促进卫星导航技术的发展，在本文中将对卫星导航进行简要概括介绍。

关键词：卫星导航，定位

卫星导航（Satellite navigation）是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。常见的GPS导航，北斗星导航等均为卫星导航。采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。利用太阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在19世纪后半期就有人提出，但直到20世纪60年代才开始实现。

1、国内卫星导航定位系统现状

世上现有的卫星导航系统可分为两类。一类是独立完整的卫星导航定位系统，正在运行的有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和中国的北斗试验系统；正在研发的有欧盟的Galileo导航系统，中国的北斗卫星导航系统和中国的区域定位系统CAPS等。国外的系统为全球定位系统，我国的系统首先是区域定位系统。当前运行的系统中最成动的是GPS系统，它是星基直播式卫星导航定位系统，具有被动接收观测、用户无限、精度高，功能全、性能好等优点，已得到广泛应用。另一类是增强系统，它通过在广域或局域内对GPS信号进行监测，得到差分改正信息及具有连续性，可用性，完好性等的信息，再通过卫星或其他途径广播给用户，达到高精度和高可靠性的目的，从而被不少国家和地区采用。有些现已建成，有些正在开发中。广域增强系统有美国的WAAS、欧盟的EGNOS，日本的MSAS和QZSS，印度及巴西的增强系统也在研发之中。局域增强系统有美国的LAAS、澳大利亚的GBAS等。

我国差分系统的研究起步较早，但仅是分散的开展了局域差分系统的研发和应用，对广域差分和增强系统的研究起步则较慢。近年来有关单位开始了利用通信卫星建立广域增强系统的研究，在新一代民航航管系统中也已开始立项研究局域增强系统。

2、卫星导航定位技术的发展趋势

卫星导航技术的下一步发展趋势如下：

（1）用一种经济实用的方式使GPS类（中轨卫星星座）卫星导航具有更可靠、更稳定、更完好的高性能。

（2）找到一种可以代替GPS类卫星导航系统的经济实用而且可靠的精密卫星导航系统。

第一种做法正随着GPS3的投入、GLONASS的恢复、Galileo和北斗卫星导航系统的研发而深入，系统间可以实现组合，组成双系统或多系统融合的卫星导航系统。同时可发展差分和增强系统，以及通过增加频点、研发新码、增加功率、改变调制方式、提高接收机的灵敏度及研发自适应调零天线等措施提高系统的抗干扰能力，提高系统的定位精确性、可用性和完好性。

第二种做法新卫星导航系统已由中国科学院艾国祥院士等提出，在中国科学院国家天文台、国家授时中心、上海微小卫星工程中心、中国科学院微电子研究所、中国科学院自动化研究所等单位通力合作下，已研发成功中国区域定位系统（CAPS）。这种新型卫星导航定位系统从原理上可以称为转发式卫星导航系统。转发式卫星导航系统可以利用位于赤道同步轨道的现有在轨道卫星上的转发器，把时间信号、轨道参数等导航电文及测距码从地面发射上行，经转发器转发，再广播下行。这样用户接收机接收到转发的导航信号，就可以实现导航、定位、测速和授时。

3、发展我国自主卫星导航系统面临的关键技術

（1）高稳定度的时频基准（原子钟）

在卫星导航系统中，除了授时度和测速精度等需要有高稳定度的时频基准外，因卫星与用户之间的距离测量是通过测量信号离开卫星上的发射天线相位中心至信号到达用户接收天线相位中心的时延得到的，时延的测量精度同样依靠系统中时频基准的准确度和稳定度，所以高性能的时频精准是GPS类卫星导航系统的关键技术之一。星载高精度原子钟研制难度大，价格昂贵，目前只有少数国家掌握这一技术，这一技术及设备对部分国家实行禁运，所以星载原子钟成为目前一些国家开发研制自主星导航系统的一大技术瓶颈，也是保证导航星座有一定的使用寿命的技术瓶颈。

（2）高精度测定轨系统的技术

卫星位置是空基导航系统的位置测量基准，所以能实时精确广播卫星星历变得十分重要。在中国区域定位系统CAPS研制中，中国科学院国家授时中心李志刚研究员等发明了通过伪码扩频相关测时延、多站交会测轨的方法，最后通过动力学定轨等方法，获得了近2m级的实时测定轨精度相近。

因此，可以通过增加测轨设备、扩建测轨站，实现实时测轨和短弧外推定轨，深人研究和消除影响测轨精度的各种误差源，如卫星星历误差、转发器时延抖动、电离层折射误差、对流层折射误差、多径误差、接收机观测误差和接收机噪声等，力争使测定轨精度优于米级

（3）抗干扰技术

GPS的一个致命弱点是极易遭受干扰。在伊拉克战争中，仅用小功率干扰机就能使GPS失效，造成导弹偏离飞行轨道。为此发展抗干扰技术尤为重要。美国在CPS3计划中将花150亿美元提高系统的抗干扰能力。GPS逐要通过增设频点、研发新码、提高功率、研制自适应零天线等技术改善GPS的抗干扰能力，但效果并不明显。由于干扰水平也在不断升级，所以卫星导航系统抗干扰的难度也在与日俱增，而CAPS则采取另辟蹊径，开创了采用换频、换码、信号寄生等方法改善系统抗干扰能力的新途径。

抗干扰能力对改善导航定位性能的可靠性于和完好性十分重要，对扩大卫星导航的可用范围也影响很大，尤其是对军事应用更具重要价值。

（4）高集成度芯片技术

近十年来，卫星导航接收机的集成电路发展以惊人的指数速度向前推进。基本的GPS接收机现在已可以整合在两三片芯片之中。最为典型的是一片专用的射频（RF）前端、一片专用数字信号处理器（DSP）及一片微分处理器。有的接收机将微分处理器嵌人到DSP中，便成了两片机。接收机技术的发展方向是单芯片式卫星导航接收机，它将RF、DSP、CPU等容纳在一个芯片中，并且在形成接收机OEM板时使其外围元器件尽可能地少。高集成度使安装在芯片以外的接收机部件极少，节约的相当大的印刷版空间、降低了组件成本，又减少了整个系统的功耗，使未来接收机具有低成本、低功耗、性能优等特点。因此，接收机的关键是核心处理芯片的研发，包括射频芯片、基带处理芯片、数据处理模块等，以及实现高集成化、低功耗和小体积。

（5）高性能接收机技术

卫星导航信号到达地面时信号功率谱密度都非常微弱，深埋于热噪声之下，因此卫星导航一般都用于户外。随着与蜂窝通信的结合，室内定位的要求也被提出来了，于是出了高灵敏度的接收机的性能要求，比原先的灵敏度风高出3dB左右。这是一个很大的难题，因为卫星导航接收机本来已经是灵度很高的设备，要想进一步提高其灵敏度，必须寻求新技术。另外，由于在室内环境对多径效应和干扰噪声等方面的要求更加苛刻与复杂，所以干扰我和多径效应缓解技术方面的研究应当引起重视。希望在其他系统的辅助下，卫星导接收机可以真正实现天上、地下、水中、室内定位，真正做到全球无缝导航。

总结：随着时代的发展，社会的进步，工业技术一次次的革新，发展我国自主卫星导航系统变得非常重要。但我们至今仍然面临着许多关键的技术问题，除此之外，还面临着系统总体设计人员的匮乏。作为新时代的一员，如果有能力且有兴趣从事这方面，应该尽自己最大努力，为我国卫星导航系统的发展奉献自己的力量。

参考文献：

施浒立 孙希延 李志刚.转发式卫星导航原理.科学出版社.