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Galileo系统简介/卫星导航计划/系统构成

Galileo系统构成

[日期:2013-06-26] 来源:  作者: [字体: ]
Galileo系统的基本结构包括空间星座、地面监控设施、服务中心、用户接收机等。Galileo系统由如下几个主要部分组成。

1.空间星座部分
  如下图所示,30颗中轨道卫星(MEO)组成Galileo的空间卫星星座。卫星均匀地分布在高度约为23616km的3个轨道面上,每个轨道上有10颗,其中包括一颗备用卫星,轨道倾角为56°,卫星绕地球一周约14h22min,这样的布设可以满足全球无缝隙导航定位。卫星的设计寿命为20年,每颗卫星都将搭载导航载荷和一台搜救转发器。卫星发射采用一箭多星的发射方式,每次发射可以把5颗或6颗卫星同时送入轨道。可以满足发射任务的运载火箭有Ariane-5、Soyue等。
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图1  伽利略空间星座部分

  卫星星体围绕指向地球的偏航轴旋转,以保持它的太阳能电池帆板能指向太阳(峰值时可以产生1500W的能量)。星体结构采用矩形箱,有效载荷和卫星平台组装在独立的结构面板上。为了防止动量飞轮或转距杆之类的活动部件对卫星时钟等关键和敏感设备的干扰,要特别注意将它们分隔开。卫星发射质量将达到700kg(包括推进剂)。
  卫星的有效载荷在卫星上担负着生成所有的时间和导航信号的任务,包括授时、信号发生器和信号发射部分。为了与目前的搜寻与救援服务系统(COSPAS-SARSAT)相兼容,还需要制作专门的天线,以及频率转换、发射和接受平台。授时部分是有效载荷的核心。由原子钟提供精确的时间参考,由此产生的地面位置误差低于30cm。有两种不同的原子钟,即铷原子钟和氢原子钟。铷原子钟质量为3.3kg,已经进入生产设计阶段,该原子钟由激光泵浦激发铷原子振荡,使其频率达到微波级的6.2GHz。另外还在开发更加精确的被动氢原子微波激射器,这项研究开始于2001年,已经研制了电路板实验模型。氢原子钟最终模型质量为15kg,将直接以1.4GHz的频率振动。这种微波激射器的稳定性非常高,卫星绕轨道运行一周只需要一次地面注入。
  信号发生器部分发出导航信号。信号包括4种码,它们首先与导航电文进行模2加,然后调制载波,最后传到发射部分。导航电文中包括关于星历和时钟参考的信息。目前正在研究导航信号及其频率的生成和调制,一个初期的实验电路板已经制成。
  发射部分将4个导航信号载波分别放大到50W,然后将这些信号复合到一个输出多路复用器,并传到发射天线。两种功率放大器分别用于Galileo频谱的高、低波段,其工程模型已在2002年底建成;输出多路复用器的工程模型的开发已于2003年初完成;导航天线已在2003年底交付合格的工程模型。无论接收机是直接在卫星下方还是相对卫星只有很低的仰角,这些天线将以类似等通量的能量水平覆盖地球表面。针对搜寻救援服务的有效载荷,正在研发一种专门的发射/接收天线,其工程模型已在2003年底问世。
  通信和遥感探测功能将由两种不同的模式支持:在大部分ESA项目中用于跟踪(Tracking)、遥测(Telemetry)和遥控(Command)(TT&C)操作的标准模式和基于扩展谱(speread-spectrum)信号的新模式。
  对于卫星上的TT&C 异频雷达收发机,有极为严格的安全和操作要求。特别是,它们在比地球同步卫星更加恶劣的辐射环境中运行。有可能在一定限度内改变遥控和遥测的操作频率,以适应多星发射抗干扰安全及频率调整的需要。另外,测距使用高稳定的地面时钟参考,可以支持时间传输和时钟同步功能。

2.地面控制部分
  地面控制部分的两大功能包括导航控制与星座维护以及完好性监控。地面控制部分的构成如下:
  (1)两个控制中心(GCC)。两个控制中心是地面控制部分的核心,分别位于法国和意大利。GCC的功能是:控制星座,保证卫星原子钟的同步,完好性信号的处理,监控卫星及由它们提供的服务,还有内部及外部数据的处理。GCC由轨道同步与处理设施(OSPF),精确授时设施(PTF),完好性处理设施(IPF),任务控制设施  (MCF),卫星控制设施(SCF),服务产品设施(SPF)设施组成。
  (2)GALILEO上行链路站(GUS)。往返于卫星的数据将通过GALILEO上行链路站的全球网络来传输,其中每个GUS都综合了一个TT&C站和一个任务上行站(MUS)。TT&C站上行链路通过S波段发射,MUS通过C波段发射。
  (3)GALILEO监测站(GSS)网络。分布在全球范围的GSS网络接收卫星导航信息(SIS),并且检测卫星导航信号的质量,以及气象和其他所要求的环境信息。这些站收到的信息将通过GALILEO通信网(GCN)中继传输至两个GCC。完好性信息是GALILEO与其他GNSS系统的主要区别。
  (4)GALILEO全球通信网络。利用地面和VSAT卫星链路,把所有地面站和地面设施连接起来。

3.区域设施部分(Regional Components)
  区域设施部分由完好性监测站(IMS)网络、完好性控制中心(ICC)和完好性注入站(IULS)组成。区域范围内服务的提供者可独立使用Galileo系统提供的完好性上行链路通道发布区域完好性数据,这将确保每个用户能够收到至少由两颗仰角在25°以上的卫星提供的完好性信号。全球最多可设8个区域性地面设施。在欧洲以外地区由专门对该地区Galileo系统进行完好性监测的地面段组成独立区域设施,区域服务供应商负责投资、部署和运营。

4.局域设施部分(Local Components)
  Galileo局域设施部分将根据当地的需要,增强系统的性能,例如 在某些地区(例如机场港口铁路枢纽和城市市区)提供特别的精确性和完好性,以及为室内用户提供导航服务。局域设备需要确保完好性检测、数据的处理和发射。将数据传输至用户接收机既可以 通过特别的链路,也可以不通过Galileo系统,而采用如GSM或UMTS标准的移动通信网、Loran-C海事导航系统等已存在的通信网。
局域设施部分应包括下列设备:
  (1)通过无线数据广播或GSM、UMTS提供本地差分修正信号,用户终端可以用来修正星历和时钟,以及补偿对流层÷电离层延迟误差。
  (2)通过无线数据广播或GSM、UMTS提供本地差分数据信号,三载波模糊度解算(TCAR)的用户终端可以用来修正星历和时钟,补偿对流层和电离层延迟误差。
  (3)使用单向或双向通信方式(例如通过GSM或UMTS)来协助用户终端确定在复杂环境下的位置。在以用户终端为中心的方式中,单向通信用来向用户终端传递卫星信息(例如星历和多普勒频移),来减少首次锁定时间(TIFF)。与使用新获得的卫星信号相比,用户终端能够更快地确定自己地位置。这种信息能够使用户终端方面减小SIS的跟踪阈值,还可以提高可用性。在以服务为中心的方式中,首先使用双向通信来将用户终端收到的伪距传回中央处理设施,解算位置后再传回用户终端。此后,由于不需要解调及接收附加的卫星信息,就减小了首次锁定时间并增加了跟踪阈值。在以上两种方式下,附加在开放服务(OS)信号上的导频/控制音可以进一步地改进跟踪阈值性能。
  (4)提供了本地的辅助“伪卫星”传输,使用户终端就像增加了卫星一样,这可以在视野受限及可用性要求较高的条件下补充可见的卫星。本地测距信息与从Galileo卫星收到的测距信号相对,由于所受到的环境畸变不再一个数量级上,因而质量更高。

5.用户接收机及终端
  用户接收机及终端,其基本功能使在用户段实现Galileo系统所提供的各种卫星无线导航服务,它应具备下列功能:
  (1)直接接收Galileo的SIS信号;
  (2)拥有与区域和局域设施部分所提供服务的接口;
  (3)能与其他定位导航系统(例如GPS)及通信系统(例如UMTS)互操作。
  另外,Galileo接收机还具有通过集成标准化微芯片来实现其他功能的技术潜力。例如,实现下列功能:
  (1)将Galileo微型终端集成进入移动电话,使之具备定位导航功能;
  (2)集成航空导航功能,使之应用于飞行器试验;
  (3)集成进入车载导航平台,向驾驶员提供定位与交通监测服务。
  Galileo卫星导航计划目前正处于来发和确认阶段,在2008年Galileo系统正式建成并进入商业运行之前,其体系界都还可能有所更新。Galileo作为世界上第一个全球民用卫星导航定位系统,将对未来世界科技、经济发展产生重大影响,因而跟踪了解Galileo系统,对于我国将来更好地应用该系统,发展我国的科技与国民经济有着重要的意义。
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