现代卫星导航系统技术特点与发展趋势探究

2023-02-13

数十年以来, 随着GPS系统在各大战争中的几次成功应用, 让人们也充分意识到现代卫星导航系统的巨大利用价值, 这些价值不仅表现在军事方面。在国民经济的诸多领域之中, GPS系统也得到了广泛的应用, 在当前备受各国关注, 已经成为具有国际影响力的巨大产业。本文在这样的背景下, 针对现代卫星导航系统技术特点以及发展趋势展开探究。

一、现代卫星导航系统技术特点

在2005年5月, 美国正式宣布启动GPSⅢ, 这是新一代GPSⅢ系统。虽然GPSⅡ系统在相关领域的应用取得了空前的成功, 但是该系统的结构框架源于上个世纪七八十年代, 存在很多的缺陷, 包括导航信号的抗干扰性能、可监测性、安全性、完好性、可用性以及精度等, 还有对于星座异常事件的快速反应能力, 这些缺陷导致GPSⅡ系统无法满足未来商业用户、民用以及军事的更高要求。因此, GPSⅢ系统被开发出来, 这个系统使用了全新的设计方案, 并且融入了各种各样的技术资源, 在很大程度上克服了GPSⅡ系统的一些缺陷, 并且还具有较强的兼容能力, 在未来几十年内能够满足用户的需求和系统技术扩展需求[1]。

目前, 对于GPSⅢ系统操作模式概念研究、需求分析研究、系统结构定义与需求定义已经基本上完成, 而且星间链路论证和通信网络也逐渐趋于完善, 并且在此基础上开发了GPSⅢ仿真系统软件, 性能强大, 可以进行系统性能分析和星座设计。GPSⅢ系统将会使用3个或者6个轨道平面, 目前对于轨道的暂定高度为20196千米, 倾斜角为55°, 星座设计方案是由4颗或者9颗GEO与27颗MEO配置而成, 这样可以保证由GPSⅡ平稳过渡到GPSⅢ星座。其技术特点如下:

第一, 点波束发射天线功率高。在具有较强干扰的敌对环境中, GPSⅢ卫星可以启动点波束发射天线, 而且还可以在同一时间提高两个特定区域的信号功率, 这样就可以确保军用的接收机能够准确接收到导航信号, 而且导航定位的精度也不受到任何影响。卫星信号功率可以通过点波束天线增强27d B, 而军用接收机的信号处理模块和天线就可以增益11d B, 这样综合起来, 系统的抗干扰能力可以达到38d B, 这对于军用导航战的需求可以完全满足[2]。

第二, 对于星间链路的指向精确而且高速。相对于以前的卫星导航系统, GPSⅢ卫星将会提供速率更高的星间链路网络, 从而确保地面控制系统和星间信息传输的实时测控操作。

第三, 星载灾害报警系统。相对于之前的卫星导航系统, GPSⅢ系统更加完善, 增加了灾害报警系统, 可以给相关技术人员提供基本的搜救服务, 并且在发生紧急事件时还可以通过UHF的406MHz频段调制呼救信号, 并且将其转发到GPSⅢ卫星上, GPSⅢ卫星再通过L6的1544MHz频段将呼救信息及时播发出去, 传至地面的搜救中心, 这在一定程度上极大的增强了搜救能力[3]。

第四, 完好性监测功能的实时性。GPSⅢ系统可以提供速率更高的星间链路网络, 当出现故障的时候, 可以提供事件近实时报警以及处理机制。只要接收了一个卫星信号, 系统就可以获整个的星座信息, 而且卫星还可以自主进行故障的处理和诊断, 这样就可以为用户提供安全可靠的导航信息。

二、现代卫星导航系统技术的发展趋势

(一) 卫星导航系统的广域增强技术

通过GEO卫星进行导航信息转发和辅助测距的天基卫星增强系统, 是提高系统完好性监测和导航定位精确的有效手段, 例如欧洲的地球静止卫星导航重叠服务和美国的广域增强系统等。对电离层延迟误差以及卫星钟差参数以及星历进行短时预报, 再通过卫星将其播发给各个用户, 这样可以有效缩短导航的数据龄期, 提高民用定位精度, 而且还有效保障了导航的信息安全。在未来的数十年内, 卫星导航系统增强技术将会得到进一步的发展, 实时定位的精度将会逐步提高, 可以最大限度满足人们日益增长的安全可靠、高精度导航应用需求。

(二) 卫星导航系统兼容性和组合导航定位技术

在未来数年内, 以GLONASS、GPS、Galileo等为代表的卫星导航系统将会完成现代化星座组网和技术改造, 系统性也会大幅度提高。卫星导航系统也会从独立的建设转化为合作开发利用, 从而共享国际卫星导航用户市场和空间信息资源。有关国家也会在信号兼容方面达成共识, 遵循频段共用和开放接口协议原则, 有效防止卫星导航系统的相互干扰, 对于卫星导航空间资源进行共同开发。多个卫星导航系统可以实现信号兼容, 开发出多模式组合接收机, 从而获得可靠性、可用性、有效性、连续性和高精度的导航定位信息。

(三) 卫星导航信号区域功率提升、加解密以及BOC调制技术

导航卫星在具有较强干扰的环境下可以通过点波束天线提高特定区域信号的功率, 相应的专用接收机可以实时接收导航信息, 而且导航定位的精读也不会降低。与此同时, 还可以对导航信息实施加密处理, 具有较强的抗电子欺骗能力, 可以最大程度上满足用户的实际应用需求。由此可见, 卫星导航系统化技术的发展将会朝着专用信号加密模块、导航信号编码和加密、小型化高增益接收天线等方向发展。