世界上有多少卫星导航系统?

航天器的主天线(镶嵌在飞机前部中心的金盘)不断向地球广播时间和定位无线电信号,为数十亿人、智能手机等设备以及航空、测量、农业、运输等一系列行业提供数据。欧洲全球卫星导航系统管理局负责管理伽利略系统项目(GSA)主管、航空航天工程师GuerricPont这些性能的改进不仅巩固了互用性的基础,而且有助于实现单个和多个全球导航卫星系统的新功能或扩展功能。

世界上有多少卫星导航系统?

随着2020年6月一颗卫星的成功发射(图1),中国完成了过去20年一直开展的全球导航卫星系统(GNSS),即开发北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)。欧盟全球导航卫星系统伽利略系统在北斗系统全面运行期间,在过去10年中发展迅速。到2020年底,伽利略系统已经有22颗运行卫星(图) 2)。与此同时,俄罗斯的全球导航卫星系统格洛纳斯系统也得到了升级。2002年,格洛纳斯系统减少到只有7颗卫星,这些卫星在过去8年中全面运行。20多年后,在大多数情况下,只有美国的全球定位系统(GPS)的24~31颗卫星为用户提供全球位置和时间信号,大大提高了导航卫星对地球的区域覆盖精度(几乎每平方米)。

图1. 经过20多年的大规模扩张,全球导航卫星系统星座的规模增加了4倍左右,导航定位能力和服务也有所提高。卫星数量和性能的飞跃主要归功于21世纪初以来中欧数百亿美元的投资,以及伟大的航天器设计、建设和发射计划,以及广泛的航天基础设施建设。2020年6月23日,中国第55颗北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射,将北斗导航卫星射入距地球约36颗 000 km地球静止轨道。北斗导航卫星的成功发射将该系统的运行卫星数量增加到45颗,其中30颗构成了全面运行的卫星导航星座

注:来源:China Satellite Navigation Office(公开)

图2. 图中描绘了欧盟伽利略导航卫星星座中的太阳能动力航天器。航天器在中地轨道上略超过23 200 km高度绕地球一圈。航天器的主天线(镶嵌在飞机前部中心的金盘)不断向地球广播时间和定位无线电信号,为数十亿人、智能手机等设备以及航空、测量、农业、运输等一系列行业提供数据。伽利略系统将于2021-2022年完成任务,从而实现30颗卫星的全面运行,包括6颗备用卫星。GSA:European GNSS Agency

注:?GSA,经许可

多星座由四个全球导航卫星系统组成,为数十亿人、机器和计算机网络提供位置和时间信号。导航卫星的数量增加了300%以上,目前已达到125颗左右,预计将有更多的卫星。Bradford Parkinson说因此,在过去,一个用户只能从开放领空下接收大约8个用户 GPS在某些地方,大约30颗卫星的混合传输信号甚至超过50颗。作为美国空军上校,Bradford Parkinson20世纪70年代担任GPS开发和测试的首席设计师和负责人在说服美军全面部署系统方面发挥了关键作用 。

通常,全球导航卫星系统接收器同时接入的卫星信号越多,位置测量精度越高。然而,当收集的传输次数超过8次时~每10次采集一次信号,精度提高得越少。一般来说,卫星数量的增加可以提高位置测量精度。接收机可以选择性能最好、几何分布最好的航天器,因为有更多的卫星可供选择。卡尔加里大学地理信息工程教授 Yang Gao全球导航卫星系统的多星座带来了更多的卫星和信号,它们可以提高测量精度,但这并不是最重要的变化。最重要的变化是,用户端可以使用更多的测量结果来提高数据的可靠性。”

虽然大型半挂车可能会在短时间内降低附近汽车星基定位的完整性,但卫星数量的增加仍然可以提高全球导航卫星系统的整体性能。更多的卫星可以让路过的卡车在关键时刻留下足够的信号,从而实现准确的定位。美国加州斯坦福大学航空航天工程教授Parkinson(现为名誉教授)为卫星导航做出了许多开创性的贡献。他指出,要解决全球导航卫星系统欺骗或干扰等信号接收或精度问题,需要避免某些情况。随着可用卫星数量的增加(特别是当它们在不同的全球导航卫星系统中工作时),位置测量受阻或未知接收错误位置的可能性大大降低。

Parkinson你可以把其他星座看作是潜在的‘黑天鹅’(black swan)杀手。”Parkinson这是一个广泛使用的隐喻,即极不可能的故障。然而,这种故障会发生在系统上,因为即使这些系统在设计和施工过程中已经通过了全面和系统的故障安全操作,也不可避免地会遇到这些故障。例如,在多星座卫星多样性、高可用性保护系统位置和定期解决方案完整性的各种方法中,有一种方法称为接收器独立完整性监控技术。在本技术中,如果有6颗以上的卫星可用,则可以通过实时交叉比较从可用信号中计算位置,消除数据缺陷引起的异常解,以应对干扰和卫星或全球导航卫星系统故障。

除了航天器的数量外,四个全球导航卫星系统的功能和性能标准共享也增强了互用性。此外,伽利略、北斗卫星使用的空间级、高度稳定的被动氢原子钟等最新技术进步也有助于提高授时的一致性和准确性。欧洲全球卫星导航系统管理局负责管理伽利略系统项目(GSA)主管、航空航天工程师Guerric Pont这些性能的改进不仅巩固了互用性的基础,而且有助于实现单个和多个全球导航卫星系统的新功能或扩展功能。例如,无论如何 北斗系统或伽利略系统都提高了速度,可以准确确定船舶碰撞或其他事故的来源,从而为全球提供更好的卫星辅助搜索和救援服务。

2020年11月底,在旺代单人环球帆船赛期间,印度洋上的巨浪将一艘装有广播求救信号信号的法国赛艇劈成两半。Pont据说警报传到了三个伽利略 几乎所有这些航天器都配备了电子设备和天线,用于检测和处理此类报警。他说发射信号、检测信号到第一次定位,大约需要两分钟。三分钟后,通知传到救援中心。这两个系统还可以发送简短的回复信号,确认收到求救信号,并提醒发送者,救援人员已经收到通知,正在到达。

北斗和伽利略系统采用的其他先进技术也提高了系统的定位性能。Pont伽利略系统的地面站网络仍在扩大,每80个 min向其卫星传输一次新的测量数据以测量其在太空中的精确位置。航天器位置的准确性对于为用户提供可靠的三维位置坐标和辅助全球导航卫星系统服务至关重要。相比之下,几十年来,GPS卫星空间位置的更新往往取决于精确的轨道预测模型。

北斗系统的工程师选择了不同的策略,设计了卫星间测距和通信信号系统。通过星座航天器上的电子转向天线,系统可以向卫星阵列的一个成员传送高度精确的观测位置,然后提供一个参考,星座本身可根据该精确测量的数据更新卫星阵列中其他成员的空间位置。这种独特的、可调的测量和通信系统,被称为 星间链路可以提供一系列独特的通信服务。例如,星间链路可以在区域和全球范围内通过星座子集传输信息。

多星座还采用新的无线电频率,扩大服务范围,优化卫星导航技术。作为几十年来唯一的全球导航卫星系统,GPS一开始只有一个频率(1575.42 MHz,简称为L1)主要用于民用的公共广播位置和授时数据;第二次补充频率(1227.60 MHz,简称为L2)只有美军才能使用。然而,Pont指出伽利略系统的初始设计需要 11个信号组件。一份关于北斗系统的白皮书显示,该系统至少使用了5个独立的民用频率。Parkinson 说,GPS与格洛纳斯系统也纷纷效仿,最新GPS 除了原始信号频率外,卫星还使用多个频率进行广播 10个信号。

配备双频全球导航卫星系统接收机的智能手机用户可以明显感受到精度的提高,因为他们可以在两个不同的频率上接收位置数据。这种能力可以减少信号通过电离层延迟引起的位置误差,也可以减少表面信号反射的误差(如摩天大楼的城市峡谷墙)。航天工程师负责欧洲全球卫星导航系统管理局的空间数据应用和市场开发Fiametta Diani在伽利略系统中,采用双频发射显示位置的测距信号几乎是通用的。这表明制造商在智能手机全球导航卫星系统的接收芯片中设计了星座和双频功能。Diani 这不仅增加了多全球导航卫星系统解决方案,而且提高了卫星的可用性,提高了手机定位的准确性。例如,在城市里,你会知道在哪一边等待你的出租车或出租车Uber,这在过去是不可能的。”

除了让人们更方便地找到自己的乘车地点外,频率的扩大还能提升更多的服务,如“伽利略”系统基于返回链路的搜索和救援服务。这是一项即将推出的导航数据认证功能,旨在应对欺骗干扰以及提供快速且定位极其精确的高精度服务。“北斗”系统也同样规划了一项服务,即广播修正,旨在提供快速且高精度定位。

Gao全球导航卫星系统工作频率的不断增加也是未来和第五代(5G)自动汽车、智慧城市、人口密集的互动物联网等移动无线网络相关技术受到影响。他还指出,多星座是解决这些技术的核心(绝对定位),对于提供准确、稳定、无处不在的时间信号至关重要。这些技术很可能是通过使用三个或更多的全球导航卫星系统频率的快速位置收敛算法来实现的,以及车辆和其他设备上的相对位置传感器的辅助信号,以及来自低地球轨道卫星的数据。当Gao当他和同事思考卫星、传感器和网络能力的强大组合可以应用于哪些实际任务和问题时,他说:我们只限于我们的想象力。”

以上内容摘自:Peter Weiss. Welcome to the Global Navigation Multi-Constellation[J]. Engineering,2021,7(4):421-423.

来源:中国工程院院刊、Engineering

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