全球定位系統(tǒng)(GPS)現(xiàn)代化運行控制段(OCX)的進展與現(xiàn)狀*

陳 勖,李爾園

(1.北京安華北斗信息技術(shù)有限公司,北京100084;2.北京合眾思壯科技股份有限公司,北京100015)

0 概 述

美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)和歐洲的伽利略(Galileo)計劃都是為全球用戶提供全天候、全天時的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)。它們均由三部分組成:即空間段、控制段和用戶段。其中,傳統(tǒng)的GPS控制段主要由1個主控站(MCS)、1個備份主控站和11個專用的監(jiān)測站組成。目前在建的伽利略計劃控制段包括4個主控制站(MCC)、34個完好性監(jiān)測站、5個地球?qū)Ш秸竞推渌嚓P(guān)設(shè)備構(gòu)成。隨著GPS星座現(xiàn)代化的到來,傳統(tǒng)的控制段很難滿足GPSIII的需求。因此,美國政府委托空軍航天司令部建造新的GPS運控段(OCX)。這一新的現(xiàn)代化運控段將完全取代目前的控制系統(tǒng),接管對GPSI和GPSII衛(wèi)星星座的維護,負責(zé)GPS III星座的全面運行和控制。OCX兼容了更多的GPS新信號,提高了星座性能,更有效地保證其安全性。OCX的建設(shè)始于2007年分為兩個階段進行開發(fā),第一階段的開發(fā)已經(jīng)在2009年底完成。第二階段預(yù)計到2014年整個OCX將建設(shè)完畢,正式投入運行。

1 GPS、Galileo計劃的空間段和用戶段

美國全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)和歐洲伽利略(Galileo)系統(tǒng)都是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的組成部分。兩個系統(tǒng)的空間段主要由太空中的衛(wèi)星星座及其相關(guān)增強航天器組成。合理的衛(wèi)星分布保證了定位的精度,并結(jié)合其他航天器提高整個系統(tǒng)的完好性和可用性[1]。具體的星座參數(shù)如表1所示。

表1 GPS和Galileo的空間段參數(shù)

GPS的用戶段包括成百上千的軍用GPS精密定位服務(wù)(PPS)接收機,以及數(shù)以百萬計的民用、商用標準定位服務(wù)(SPS)接收機。所有的GPS接收機通過接收空間衛(wèi)星的廣播信號,為用戶提供三維位置及精確的時間信息。一般來說,GPS接收機由一個天線、一個調(diào)制解調(diào)器、接收機處理器,及一個高穩(wěn)定的時鐘組成。

Galileo計劃目前的用戶段主要是進行系統(tǒng)的確認和信號的測試,其目的是保證導(dǎo)航設(shè)備的可用性及系統(tǒng)的完好性。Galileo的用戶段包括:開放的民用、商業(yè)接收機;生命安全服務(wù)接收機;公共管理服務(wù)接收機;搜救信號站設(shè)備及其它輔助的測試工具,例如衛(wèi)星星座的仿真系統(tǒng)。

2 GPS和Galileo運控段的現(xiàn)狀

GPS運行控制段由美國軍方負責(zé)管理,最初擁有了一個主控站(科羅拉多斯普林斯施里弗空軍基地)、一個備份主控站(科羅拉多)和五個專門監(jiān)控站(位于夏威夷、阿松森島、迪戈加西亞島、瓜加林島和卡納維拉爾角)。如圖1、2所示,2005年9月,6個全球性的國家地理空間監(jiān)測站(NGA)也投入使用,分別位于英格蘭、阿根廷、厄瓜多爾、巴林島、澳大利亞和華盛頓,如圖3所示。目前,每顆衛(wèi)星至少被同時兩個監(jiān)測站進行監(jiān)測,保證了軌道的精確度和星歷的計算能力。對于用戶段來說,運控段的改造使得廣大用戶群擁有更高的定位精度。未來幾年中,GPS還將在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中再增加5個NGA監(jiān)測站,每顆衛(wèi)星至少同時被3個監(jiān)測站監(jiān)測,從而保證整個衛(wèi)星和系統(tǒng)的完好性監(jiān)測水平。

圖1 夏威夷衛(wèi)星跟蹤站

圖2 施里弗空軍基地

GPS接收機系統(tǒng),它能夠監(jiān)測所有可能跟蹤到的衛(wèi)星,收集衛(wèi)星信號傳遞的數(shù)據(jù)。然后把收集到的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到位于施里弗空軍基地的主控站中,進行數(shù)據(jù)處理。主控站不間斷地對來自各個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進行實時分析,解析衛(wèi)星軌道和時鐘的信息,盡可能快地檢測/排除衛(wèi)星可能出現(xiàn)或者發(fā)生的故障[2]。

此外,主控站的另一個職能是發(fā)布改正數(shù)據(jù)。通過解析原始數(shù)據(jù),主控站計算得到新的星歷數(shù)據(jù),以每天1到2次的頻率向衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)輸入。新的星歷數(shù)據(jù)和其它指令通過位于阿松森島、迪戈加西亞島和瓜加林島的上行天線站(同時也是監(jiān)測站)以S波段信號的形式傳輸?shù)叫l(wèi)星上,校正衛(wèi)星鐘差及衛(wèi)星軌道的誤差。然而現(xiàn)代化GPS星座中的Block IIR衛(wèi)星具有衛(wèi)星間交換數(shù)據(jù)的能力,能夠自動糾正軌道數(shù)據(jù),因此,不需要地面監(jiān)測站如此頻繁的通訊,通訊周期最長可達180天。

圖3 GPS地面監(jiān)測站分布

伽利略(Galileo)系統(tǒng)的控制段組成類似于美國的GPS,它由4個主控制站(MCC)、34個完好性監(jiān)測站、5個地球?qū)Ш秸竞推渌嚓P(guān)設(shè)備組成[3]。完好性監(jiān)測站實時監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)據(jù),并且通過通信網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到主控制站中。主控制站進行數(shù)據(jù)分析和計算,同時發(fā)布新的星歷和軌道信息,通過任務(wù)上傳站(ULS)把改正信息上傳到衛(wèi)星上。另外,主控制站把衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過地球?qū)Ш秸緸橛脩舳翁峁┒ㄎ缓蛯?dǎo)航服務(wù)。圖4中的(a)、(b)、(c)分別是伽利略的主控站、完好性監(jiān)測站和地球?qū)Ш秸镜姆植肌?/p>

從職能上看,整個控制段由兩個控制中心組成,它們分別為地面控制段(GCS)和地面任務(wù)段(GMS)。GCS的任務(wù)是對航天飛行器進行控制,檢測和維護星座可能發(fā)生的故障。它通過 5個TT&C(跟蹤、遙測及命令)站定期地與每顆衛(wèi)星進行通信。GMS的任務(wù)是負責(zé)導(dǎo)航系統(tǒng)中出現(xiàn)的控制問題。30個Galileo傳感站(即完好性監(jiān)測站)組成了一個全球性的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),對所有衛(wèi)星的信號進行連續(xù)監(jiān)測,再通過通信衛(wèi)星或者電纜進行地面數(shù)據(jù)傳送。最后,GMS通過5個任務(wù)上傳站與Galileo衛(wèi)星進行通信,上傳相應(yīng)的改正信息。

3 GPS現(xiàn)代化運控段(OCX)

傳統(tǒng)的GPS控制段主要對GPS的L1頻率上的C/A碼和P碼,以及 L2頻率上的P碼衛(wèi)星信號進行處理和控制,但是即將到來的現(xiàn)代化GPS(GPSIII)在保持原有的信號之外,還增加了L1C、L2C、L5和M碼信號。這種更先進的衛(wèi)星星座在衛(wèi)星之間就可以進行完好性的監(jiān)測,減輕了地面監(jiān)測站的工作量,因此,需要一種新的GPS OCX來運行控制GPS III衛(wèi)星星座。受美國政府的委托,由美國空軍牽頭,于2007年開始進行現(xiàn)代化運控段(OCX)的開發(fā)和建設(shè)[4]。

新型GPS III衛(wèi)星星座的主要目的,除了提供PNT服務(wù)之外,還包含遇險報警衛(wèi)星系統(tǒng)(DASS)和其他相關(guān)系統(tǒng)[5]。其功能包括:

1)在遮蔽環(huán)境條件下提供軍事上的高精度可用性;

2)提高時間傳遞的準確性;

3)提高民用定位精度;

4)提供更好的系統(tǒng)完好性、向后兼容性和可用性;

5)提高衛(wèi)星信號與伽利略系統(tǒng)及其他全球系統(tǒng)的互操作性。

為了滿足GPS III的發(fā)展和需求,和傳統(tǒng)的控制段相比,建設(shè)中的OCX在硬件設(shè)備上補充了以下幾個部分:PNT體系結(jié)構(gòu)發(fā)展計劃(AEP)規(guī)定的運行控制段(OCS);早期軌道異常和處理功能(LADO);GPS系統(tǒng)模擬器(GSS);PNT體系結(jié)構(gòu)發(fā)展計劃(AEP)中規(guī)定的交替主控制站(AMCS)和一個綜合任務(wù)實施支持中心(IMOSC)。在初期階段,OCX主要側(cè)重于對GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化信號(L2、L5和M 碼)的控制,并且發(fā)射新的空間段衛(wèi)星,即GPS IIIA衛(wèi)星。同時,OCX繼續(xù)對GPSIIR衛(wèi)星、IIR-M 衛(wèi)星、IIF衛(wèi)星和GPS III衛(wèi)星提供傳統(tǒng)控制段的支持,同時,對即將增加的衛(wèi)星及其新功能進行推動,比如新衛(wèi)星信號、導(dǎo)航戰(zhàn)能力和其它附加的載荷服務(wù)。

在軟件部分,OCX分為若干個子系統(tǒng),分別支持如下的功能:對所有航天飛行器的遙感遙測、跟蹤和指令發(fā)布(TT&C),單一航天飛行器的TT&C、任務(wù)規(guī)劃及導(dǎo)航功能。OCX的能力將逐步得到實現(xiàn),新功能必須全方位地兼容和支持GPSIII星座的服務(wù)。從開發(fā)進度上看,OCX最先實現(xiàn)的功能包括如下幾方面:

1)從P(Y)碼的單一監(jiān)控延伸到對所有導(dǎo)航信號的監(jiān)控;

2)生成現(xiàn)代化的導(dǎo)航信息;

3)滿足航空安全飛行需求;

4)對整個GPSIIIA衛(wèi)星提供TT&C;

5)實現(xiàn)衛(wèi)星任務(wù)自動分配能力。

OCX在保持對IIR和IIR-M星座的維護同時,首先在IIR-M和IIF衛(wèi)星上實現(xiàn)現(xiàn)代化GPS的功能。另外,OCX將與新的GPS III衛(wèi)星一起對新服務(wù)提供指令和控制(C2)功能,它是GPS III星座服務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

對于用戶段來說,GPS運控段的關(guān)注重點是,從對GPS衛(wèi)星的控制轉(zhuǎn)向基于用戶的操作,更加重視用戶服務(wù)的效果。同時,OCX還幫助美國軍方提高了GPS的軍事運行服務(wù),加強了其作戰(zhàn)力量,并且促進了民用合作,吸收大量國際合作伙伴和用戶。通過更優(yōu)秀的OCX有效地進行導(dǎo)航任務(wù)規(guī)劃,美國還將為所有GPS用戶提供精確的定位、導(dǎo)航和授時信息。

2005年2月18日美國政府宣布將與商業(yè)合作伙伴一起共同開發(fā)OCX。2007年11月21日美國軍方宣稱與加利福尼亞州的Northrop Grumman公司和科羅拉多州的 Raytheon公司簽署GPSOCX合作合同,分別從事空間使命系統(tǒng)和智能信息系統(tǒng)的研發(fā)。這兩個合同價值各1.6億美元,計劃在18個月內(nèi)完成。2010年初,價值9,700萬美元的OCX第二階段開發(fā)合同將繼續(xù)進行,預(yù)計到2014年完成。根據(jù)第一階段的開發(fā)成果,OCX的第二期開發(fā)將完成與GPS III衛(wèi)星的整合,徹底取代傳統(tǒng)GPS控制段的指令和控制(C2)系統(tǒng),允許新的L2C、L5和M 碼信號投入使用。

由于OCX的建設(shè)采取循序漸進的發(fā)展方式,最終完全取代傳統(tǒng)的控制段。這種方式可以在未來三十年里滿足GPS的軍事和民用的需求,并且接管整個系統(tǒng)的完好性(SI)監(jiān)控。

4 結(jié) 論

介紹了美國GPS和歐洲Galileo計劃的三部分組成,即空間段、運控段和用戶段。并且著重研究分析了兩個系統(tǒng)運控段的特點和工作原理。隨著現(xiàn)代化GPS III的到來,傳統(tǒng)的GPS控制段很難滿足衛(wèi)星星座需求,因此,需要一個新的運控段(OCX)。這個現(xiàn)代化OCX將在未來五年內(nèi)取代傳統(tǒng)的控制段,逐步接管GPS整個衛(wèi)星星座,并且為GPS III衛(wèi)星的運行做好準備。目前,OCX正處于開發(fā)階段,Northrop Grumman公司和 Raytheon公司與美國空軍簽訂合同,分別從事空間使命系統(tǒng)和智能信息系統(tǒng)的研發(fā)?，F(xiàn)代化的OCX將全面對空間段進行管理,提高GPS的可用性和安全性,保證對軍事和民用的支持,滿足全球化通用的服務(wù)需求。

[1]Global Positioning System[R].Wikipedia Org,2005.

[2]National Positioning,Navigation and Timing Architecture Study[R].National Security Space Office,2008.

[3]The GALILEO Programme Feature[R].ESA,2005.

[4]GPS III Operational Control Segment(OCX)[R].Globalscurity Org,2009.

[5]The GPS System Control Segment(Monitor Stations)[R].Kowoma Corp,2009.