5-4伽利略计划解析

伽利略卫星导航系统简介本次介绍主要内容：一．伽利略卫星导航背景、发展1.伽利略系统的产生2.伽利略系统的发展3.全球卫星导航系统的发展现状二．伽利略卫星导航原理简介1.伽利略系统结构2.伽利略信号3.伽利略的服务4.伽利略、GPS、格洛纳斯系统的对比1、伽利略系统的产生：欧空局(ESA)早在1990年就决定研制“全球导航卫星系统(GNSS)”，GNSS分为两个阶段，第一阶段是建立一个与美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、以及三种区域增强系统均能相容的第一代全球导航卫星系统(GNSS一1)，第二阶段是建立一个完全独立于GPS系统GLONASS系统之外的第二代全球导航卫星系统(GNSS一2)。由于GNSS一1主要是利用GPS等已经建成的系统，因此其主要工作是在欧洲建立30座地面站和4个主控制中心，系统已在2002年部署完毕,2004年完成运营试验。欧洲的长远目标是拥有自己的独立的全球导航卫星系统，即GNSS一2，也就是现在的“伽利略”系统。1、伽利略系统的产生：在上世纪90年代的局部战争中，美国的GPS出尽风头。利用GPS系统提供定位的导弹或战斗机可以对地面目标进行精确打击，这给欧洲国家留下了深刻印象。欧洲国家为了减少对美国GPS系统的依赖，同时也为了在未来的卫星导航定位市场上占有一席之地，决定发展自己的全球卫星定位系统。经过长达3年的论证，2002年3月，欧盟15国交通部长会议一致决定，启动“伽利略”导航卫星计划。2、伽利略系统的发展①定义阶段：1999年,欧洲提出了建立“伽利略”导航卫星系统的计划。经过长时间的酝酿,2002年3月26日,欧盟15国交通部长会议一致决定,正式启动“伽利略”导航卫星计划,这标志着欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统,结束美国GPS系统独占鳌头的局面。2、伽利略系统的发展②开发阶段：该阶段称为开发和在轨验证阶段，目前正在进行，主要工作有：汇总任务需求；开发2－4个卫星和地面部分；系统在轨验证。A.2005年12月28日,首颗在轨验证卫星的试验星GIOVE-A由俄罗斯联盟号火箭成功发射,进入高度为23258km,倾角为56°的中地球轨道(MEO),标志着“伽利略”计划在轨验证阶段迈出重要一步。2、伽利略系统的发展GIOVE-A卫星的主要任务有4项：确认获得国际电联分配给“伽利略”导航卫星系统的频率,欧盟必须按规定在2006年6月之前发射1颗传输该导航频率信号的卫星,才能获得这些频率的使用权;验证未来“伽利略”工作星所用的导航有效载荷(如铷钟、信号发生器和导航天线)的关键技术;测量“伽利略”星座所处的中地球轨道辐射环境;测试在研的用户接收机的性能。2、伽利略系统的发展B.2008年4月27日在位于哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心成功发射了第二颗实验卫星GIOVE-B,并入轨后运行良好。GIOVE-B卫星是未来工作型“伽利略”卫星的试验星。最主要的目标是在轨验证世界上首次上天的无源氢钟的技术性能,氢钟的精确性能在真空模拟测试中进行了验证,结果表明在技术上取得了突破性进展。其日稳精度优于1ns,是迄今精确性最高的星载原子钟。它将为“伽利略”系统的高精度导航应用铺平道路,而且其较高的时间保持精度也将使“伽利略”系统的性能优于现有的GPS导航卫星系统。2、伽利略系统的发展③部署阶段：主要任务是卫星的发射布网、地面站的架设、系统的整机联调。显然，此阶段已经推迟进行，并且此阶段是整个计划耗资最大的阶段，欧航局说：伽利略计划共包括30颗正式卫星，第一颗将在2010年底由一枚俄罗斯火箭发射升空。④运营阶段：商业营运阶段，提供增值服务，资方获得。3、全球卫星导航系统的发展现状卫星导航系统卫星数量定位精度系统进展研制国家北斗系统35颗10米2007年发射两颗北斗导航卫星，2008年基本满足中国及周边地区用户需求。中国伽利略系统30颗小于1米1999年欧盟公布了“伽利略”计划，现在“伽利略”系统正在建设中。欧盟格洛纳斯(GLONASS)系统24颗10～15米目前GLONASS系统已有17颗卫星在轨运行。俄罗斯GPS系统24颗5米1994年，GPS卫星导航系统己布设完成。现在正研制第二代GPS系统。美国1、伽利略系统结构“伽利略”系统的卫星星座是由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)构成,具体参数如下:每条轨道卫星个数10(9颗工作,1颗备用);卫星分布轨道面数3;轨道倾斜角56°;轨道高度24000km;运行周期14h4min;卫星寿命20年;卫星重量625kg;电量供应1.5kw。1、伽利略系统结构①GALILEO系统的结构主要包括以下5大部分：A.卫星星座；B.导航系统主控中心；C.GALILEO卫星轨道和同步性地面监测网；D.数个跟踪，遥测及控制站；E.用户部分；1、伽利略系统结构②中等轨道卫星装有的导航有效载荷包括:A.“伽利略”系统所载时钟有2种类型:铷钟和被动氢脉塞时钟。在正常工作状况下,氢脉塞时钟将被用作主要振荡器,铷钟也同时运行作为备用,并时刻监视被动氢脉塞时钟的运行情况。B.天线设计基于多层平面技术,包括螺旋天线和平面天线2种,直径为1.5m,可以保证低于1.2GHz和高于1.5GHz频率的波段顺利发送和接收。1、伽利略系统结构C.“伽利略”系统利用太阳能供电,用电池存储能量,并且采用了太阳能帆板技术,可以调整太阳能板的角度,保证吸收足够阳光,既减轻卫星对电池的要求,也便于卫星对能量的管理。D.射频部分通过50~60W的射频放大器将4种导航信号放大,传递给卫星天线。1、伽利略系统结构③地面部分主要完成两个功能:导航控制和星座管理功能以及完好性数据检测和分发功能。A.导航控制和星座管理部分由地面控制部分(GCS)完成,主要由导航系统控制中心(NSCC)、OSS工作站和遥测遥控中心(TCC)3部分构成;其中,OSS工作站共15个,无人监管并且只能接收星座发出的导航电文和星座运行环境数据,并把数据传送到导航系统控制中心,由导航系统控制中心检测和处理;分布在4点的遥测遥控系统接收导航系统控制中心中卫星控制设备(SCF)提供的导航数据信息,并上传到星座。1、伽利略系统结构B.完好性数据检测和分发功能主要由欧洲完好性决策系统(EIDS)完成,EIDS主要由完好性监视站(IMS)、完好性注入站(IULS)和完好性控制中心(ICC)3部分组成。其中,无人照管的完好性监视站网络接收来自星座的L波段,用来计算“伽利略”系统完好性的原始卫星测量数据;完好性控制中心包括完好性控制设备、完好性处理设备和完好性服务接口,用来接收完好性监视站的数据,并发送数据到完好性注入站,由完好性注入站将数据以S波段发送到星座上。2、伽利略信号①GALILEO系统使用L波段，发射三种频率的载波信号，其基准时钟频率为1.023MHz,利用频率合成器可以产生所需要的各种频率。各波段的中心频率为：A.E5波段：1191.795MHzB.E6波段：1278.75MHzC.L1波段：1575.42MHz2、伽利略信号②伽利略信号体制（2007年基线）2、伽利略信号重叠的L1频段：从定性的角度看，如果两个导航信号之间的谱峰相互重叠，那么它们之间的谱分离系数和码跟踪谱灵敏度系数就越大，相互之间的干扰就越强。采用合适的脉冲波形．使得不同导航信号之间的谱峰相互分离，特别是一个信号的谱峰在其他信号的零点处时，可以达到改善兼容的目的。这一设计思想在L1频段得到了最佳体现。L1频段GPS和Galileo信号功率谱见下图。2、伽利略信号2、伽利略信号二进制偏移载波调制信号(也叫离散频谱信号)目前用于GalileoSIS和现代化GPS。一般的说，在BPSK信号中应用一个正方形副载波就可以得到BOC(n,m)，这里n:副载波频率(1.023MHz的倍数);m:码元速率(1.023Mcps的倍数)。BOC调制的主要特色是他通过两个偏离中心频率的副载波传播伽利略信号频谱。把伽利略扩展编码与一个高速序列相乘就可以实现。BOC(1,1)情况下，伽利略扩展编码被一个占空比为50％、周期等于伽利略码元的方波相乘。3、伽利略的服务①公开服务:“伽利略”系统的公开服务能够免费提供用户使用的定位、导航和时间信号。此服务对于大众化应用,比如车载导航和移动电话定位,是很适合的。当用户处在一个固定的地方时,此服务也能提供精确时间服务(UTC)。②商业服务:商业服务相对于公开服务提供了附加的功能,大部分与以下内容相关联:A分发在开放服务中的加密附加数据;B非常精确的局部微分应用,使用开放信号覆盖PRS信号E6;C支持“伽利略”系统定位应用和无线通信网络的良好性领航信号。3、伽利略的服务③生命保险服务：生命保险服务的有效性超过99.9%。“伽利略”系统和当前的GPS系统相结合,将能满足更高的要求。包括船舶进港、机车控制、交通工具控制、机器人技术等等。④公众控制服务：公众控制服务将以专用的频率向欧共体提供更广的连续性服务,主要有:A用于欧洲国家安全,如一些紧急服务、GMES、其他政府行为和执行法律;B一些控制或紧急救援,运输和电讯应用;C对欧洲有战略意义的经济和工业活动。3、伽利略的服务⑤局部组件提供的导航服务：局部组件能对单频用户提供微分修正,使其定位精度值小于±1m,利用TCAR技术可使用户定位的偏差在±10cm以下;公开服务提供的导航信号,能增强无线电讯定位网络在恶劣条件下的服务。⑥寻找救援服务：“伽利略”系统寻找救援服务应该和已经存在的COSPASSARSAT服务对等,和GMDSS以及贯穿欧洲运输网络方针相符。“伽利略”系统将会提高目前的寻找救援工作的定位精度和确定时间。4、伽利略、GPS、格洛纳斯系统的对比4、伽利略、GPS、格洛纳斯系统的对比GLONASS与GPS、伽利略的不同之处：A.卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制，每颗卫星的信号频率和调制方式相同，不同卫星的信号靠不同的伪码区分。而GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。由于卫星发射的载波频率不同，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。B.坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90）。C.时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。4、伽利略、GPS、格洛纳斯系统的对比“伽利略”系统与GPS系统的主要区别在于：“伽利略”系统确定地面位置或近地空间位置要比GPS精确10倍。其水平定位精度优于10米，时间信号精度达到100纳秒。必要时，免费使用的信号精确度可达6米，如与GPS合作甚至能精确至4米。一位电子工程师举例说明了这个区别：“如今的GPS只能找到街道，而‘伽利略’系统则能找到车库门。请大家多多指教！GIOVE-A：英国萨瑞卫星技术公司研制的新型小卫星平台,造价3200万欧元,质量约为600kg。星载设备包括:2台互为备份的铷钟(体积小,质量轻,日稳精度为10ns);L频段导航天线;2台信号发生器;测量“伽利略”星座所处中地球轨道辐射环境的仪器。GIOVE-B：GIOVE-B卫星质量约为485kg。该卫星采用模块化设计,平台由2个舱段组成,其中1个为有效载荷专用舱,另外1个为平台公用舱,用于安装卫星控制和电源等分系统。卫星翼展前的整星尺寸为1m×1m×2.4m,设计寿命为3年,太阳电池阵将产生940W的功率。