Galileo系統(tǒng)上行注入探析及思考

金國平，閆小萍，王茂磊，范建軍，桑懷勝

（1 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心北京 100094）

（2 武警總醫(yī)院計(jì)算機(jī)管理中心北京 100039）

1 引言

上行注入系統(tǒng)的任務(wù)是定期向衛(wèi)星注入廣播星歷、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星歷書等關(guān)鍵性導(dǎo)航電文，確保用戶的定位授時(shí)精度得到及時(shí)有效的保障，可以認(rèn)為是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的交通樞紐。上行注入體制是保障上行注入任務(wù)的決定性因素，分析國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入的技術(shù)狀態(tài)有助于未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展。

Galileo系統(tǒng)上行注入的相關(guān)文獻(xiàn)資料非常有限，在綜合這些文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，試圖探明Galileo系統(tǒng)的上行注入體制。從上注策略、信號(hào)體制、注入站配置以及注入站與主控站的通信方式等4方面入手，分析了Galileo系統(tǒng)上行注入的技術(shù)特點(diǎn)，據(jù)此對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入提出了設(shè)計(jì)思路，為未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展提供建議和參考。

2 Galileo系統(tǒng)上注策略

（1）主備注入模式[1,2]

根據(jù)Galileo系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，上行注入使用主備模式，以提供冗余上行注入能力，如下：

①主模式：上行注入使用ULS(Up-Link Site)站，傳送公開服務(wù)(OS)、生命安全服務(wù)(SoL)、區(qū)域擴(kuò)展完好性服務(wù)(ERIS)、公共管制服務(wù)(PRS)、商業(yè)服務(wù)和搜救服務(wù)(SAR)等6大服務(wù)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)航電文預(yù)報(bào)長度為12 h；

②備用模式：使用TT&C (Telemetry，Tracking and Command)站，除遙控指令等主業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)外，還定期向目標(biāo)衛(wèi)星注入導(dǎo)航服務(wù)數(shù)據(jù)。與ULS站有所區(qū)別的是，TT&C站只傳送公開服務(wù)、生命安全服務(wù)和公共管制服務(wù)3類服務(wù)的數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)長度也擴(kuò)展到了24h。TT&C站定期接收上行導(dǎo)航服務(wù)數(shù)據(jù)，以常態(tài)方式執(zhí)行注入任務(wù)，而不是只在ULS站出現(xiàn)注入困難時(shí)才啟用。ULS站和TT&C站的具體分工如圖1所示。

圖1 Galileo 主備上行注入模式

地面控制中心(GCC)的信息生成設(shè)備(MGF)匯集所有上行注入的服務(wù)數(shù)據(jù)，由其組幀形成上行注入子幀。為提高可靠性，由多個(gè)MGF同時(shí)生成上行注入子幀，但只有一個(gè)MGF的子幀會(huì)分發(fā)給ULS站，由GCC根據(jù)信息質(zhì)量和既定的優(yōu)先級(jí)來選擇。

（2）上行注入方式[1-4]

與GPSIII設(shè)計(jì)的上行注入方式不同，Galileo系統(tǒng)沒有使用星間鏈路分發(fā)方式，仍然采用一對(duì)一的注入方式，即地面天線只負(fù)責(zé)目標(biāo)星本星的信息注入。由GCC統(tǒng)一發(fā)布ULS/TT&C站天線與衛(wèi)星的配對(duì)規(guī)劃，覆蓋星座10天的周期，MUCF每天制定一次。ULS/TT&C站天線根據(jù)規(guī)劃跟蹤配對(duì)衛(wèi)星，采用全自動(dòng)處理方式，只有出于維護(hù)目的時(shí)才需要人工操作。

在可視弧段內(nèi)，ULS站持續(xù)向目標(biāo)衛(wèi)星注入星歷、衛(wèi)星鐘差等導(dǎo)航電文，保證廣播導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)齡期小于100 min，確保UERE控制在65cm（1σ）以內(nèi)；還向衛(wèi)星注入完好性信息，頻度為1次/s，確保完好性鏈路連續(xù)和6s告警時(shí)間。與導(dǎo)航信息不同，完好性信息不同時(shí)向所有衛(wèi)星注入，而是選定18顆衛(wèi)星注入，保證全世界任何地方的用戶都能同時(shí)接收到至少3顆衛(wèi)星廣播的完好性信息。

（3）區(qū)域完好性信息的注入[1-5]

Galileo系統(tǒng)將全球劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域建立1個(gè)外部區(qū)域完好性系統(tǒng)（ERIS），該系統(tǒng)不歸屬于Galileo系統(tǒng)地面段。在非歐洲本土，該區(qū)域的完好性數(shù)據(jù)并不是由Galileo系統(tǒng)產(chǎn)生，而是由ERIS生成。為配合區(qū)域完好性服務(wù)，Galileo系統(tǒng)設(shè)計(jì)了直接注入和間接注入相結(jié)合的方式。

直接注入方式下，區(qū)域完好性信息由該區(qū)域的ERIS站直接注入到目標(biāo)衛(wèi)星；間接注入方式下，區(qū)域完好性信息先由ERIS站發(fā)至地面任務(wù)段(GMS)，然后由MGF編排入上行注入幀，通過ULS站注入到對(duì)應(yīng)子星座。從GMS接收開始計(jì)算，要求區(qū)域完好性信息在1.2s內(nèi)上注到目標(biāo)衛(wèi)星。

（4）SAR數(shù)據(jù)的注入[1,2]

為配合SAR服務(wù)，GCC要將SAR回傳鏈路消息傳送到遇險(xiǎn)信標(biāo)。該消息并不是通過ULS站的所有可視衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，而是由GCC選擇兩顆最合適的衛(wèi)星作為中轉(zhuǎn)，除滿足對(duì)地覆蓋要求之外，這2顆衛(wèi)星都要處于高仰角位置，而且方位角相差較大。

3 信號(hào)體制

根據(jù)注入模式的不同，Galileo系統(tǒng)上行注入使用兩種不同信號(hào)體制。

（1）C頻段ULS站[1,2]

ULS站上行注入鏈路使用C頻段，中心頻率為5,005 MHz，起止頻率為5000～5010MHz，屬于國際電聯(lián)規(guī)定的地對(duì)空業(yè)務(wù)合法頻段，GPSIII上行注入系統(tǒng)同樣選用了。該頻段內(nèi)，業(yè)務(wù)類型比較單一，無意干擾少。上行注入采用DS-CDMA體制，調(diào)制方式選用O-QPSK，I/Q2支路均承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，糾錯(cuò)碼為(2,1,7)卷積碼，使用Viterbi譯碼。由于I/Q支路分別調(diào)制卷積碼的兩路輸出，符號(hào)速率等同于信息速率，射頻信號(hào)生成過程和注入信號(hào)產(chǎn)生過程如圖2和圖3所示。

圖2 上行C 波段鏈路射頻信號(hào)生成過程

圖3 C 波段信號(hào)編碼與調(diào)制過程

上行注入信號(hào)帶寬只有10MHz，若以1.023MHz為基頻，從充分利用帶寬的角度出發(fā)，并考慮帶外抑制，偽碼速率很可能選為4倍基頻。

上行注入信息包括6大服務(wù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、SoL服務(wù)的完好性數(shù)據(jù)、PRS服務(wù)的完好性數(shù)據(jù)、SAR的回傳鏈路數(shù)據(jù)以及CS服務(wù)數(shù)據(jù)，由2個(gè)子幀組成，一個(gè)是完好性子幀，另一個(gè)是消息子幀，其幀結(jié)構(gòu)如圖4，整幀長度持續(xù)1s。完好性子幀包括SoL完好性狀態(tài)/警告信息、ERIS數(shù)據(jù)及有效字，時(shí)效性最強(qiáng)；消息子幀包括星歷與時(shí)鐘數(shù)據(jù)、完好性列表、CS服務(wù)數(shù)據(jù)、PRS服務(wù)數(shù)據(jù)以及搜索與救援回傳鏈路數(shù)據(jù)等，至少1.5 h注入一次，數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)長度超過12h。消息子幀包含4組星歷數(shù)據(jù)（鐘差改正和星歷參數(shù)），每組預(yù)報(bào)周期4h，相鄰兩組相互交迭1h。

圖4 Galileo 上行鏈路幀結(jié)構(gòu)

根據(jù)Galileo系統(tǒng)公布的OS服務(wù)ICD 文件分析，F(xiàn)/NAV和I/NAV的完好性信息、星歷參數(shù)、電離層改正參數(shù)、鐘差參數(shù)、SAR信息的數(shù)據(jù)量接近2kbits，其時(shí)效性較高，如果在一幀內(nèi)上注，信息速率約為2kbps。歷書數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量大，且時(shí)效性低，可以通過多幀來傳送。

（2）S波段TT&C站[1-4]

TT&C站上行鏈路使用S頻段，中心頻率為2.048GHz，采用FDMA多址方式和DS-CDMA體制，信息速率為1～4 kbps，每次上注導(dǎo)航服務(wù)數(shù)據(jù)包含8組星歷數(shù)據(jù)，其預(yù)報(bào)長度24h

4 注入站配置

（1）ULS站[1-4]

由于不使用星間鏈路，Galileo系統(tǒng)采用全球布站策略，全球范圍內(nèi)建設(shè)了9個(gè)ULS站，分別位于北美洲的溫哥華、南美洲的圣地亞哥和庫魯、南太平洋的帕皮提、亞洲的特里凡得瑯、大洋洲的新諾爾恰和努美阿、歐洲的基律納、印度洋的留尼旺島，歸屬于GMS。每個(gè)ULS站配備4幅3m蝶形天線，全部工作于C波段，能實(shí)時(shí)地與衛(wèi)星建立連接，實(shí)現(xiàn)完好性信息的實(shí)時(shí)分發(fā)。注入站截至仰角5°。

（2）TT&C站[1-3]

Galileo系統(tǒng)共設(shè)計(jì)5個(gè)TT&C站，分別與庫魯、帕皮提、新諾斯、基律納以及留尼旺島等5個(gè)ULS站并址建設(shè)，其布局可保證地面與每個(gè)軌道面的每顆衛(wèi)星至少建立1條上行控制鏈路，每條鏈路至少持續(xù)45min，支持同時(shí)處理多顆衛(wèi)星的突發(fā)情況。TT&C站歸屬于地面控制段（GCS）。

每個(gè)TT&C站配備一幅13mS波段蝶形天線，至少增加一幅備份天線。S波段天線兼顧測(cè)控下行接收（2.225GHz），還可開展星地雙向測(cè)距（TWSTFT），用于精密測(cè)定衛(wèi)星高度，精度達(dá)米級(jí)。TT&C站截至高度角5度。TT&C站不負(fù)責(zé)衛(wèi)星發(fā)射及早期操作階段的任務(wù)，而是采用租借其他測(cè)控手段的方式來完成。

（3）ERIS站

Galileo系統(tǒng)將全球劃分為5個(gè)不同的完好性區(qū)域，每個(gè)區(qū)域建立1個(gè)ERIS站，負(fù)責(zé)本區(qū)域完好性信息的生成和上注，每站配備1個(gè)C頻段上行注入通道。ERIS站不歸屬于Galileo系統(tǒng)。ERIS站與GCC建立數(shù)據(jù)接口，由其將區(qū)域完好性信息傳送給GCC的MGF，MGF將區(qū)域完好性信息編排到上行注入消息幀的固定位置，但不負(fù)責(zé)該信息的質(zhì)量。ERIS站的直接上注計(jì)劃由MUCF制定，每天制定一次，定義與特定衛(wèi)星的連接周期。

5 注入站與GCC的通信方式

根據(jù)Galileo系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，ULS/TT&C站與GCC之間共有4種通信方式，其中3種為主用方式，另1種為備份方式。幀中繼（FR）是首選主用方式；當(dāng)GCC與ULS/TT&C站之間無法建立FR直連時(shí)，選用VSAT（VerySmallAperture Terminal）衛(wèi)星通信方式，通過單跳衛(wèi)星鏈路與其通信；當(dāng)不能單獨(dú)使用以上任一種建立直接鏈路時(shí)，通過FR和VSAT2種方式對(duì)配合完成站與站的通信。

圖5 GCC 與ULS 站的通信鏈路

圖6 GCC 與TT&C 站的通信鏈路

綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)是以上3種方式的備份手段，作為數(shù)字電話網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)，已成為一種典型的電話交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。GCC與ULS/TT&C站的通信鏈路如圖5和圖6所示。每個(gè)ULS站和TT&C工作站均同時(shí)與2個(gè)地面控制中心保持通信，這是考慮了通信可靠性和無縫切換的需要。

6 Galileo系統(tǒng)上行注入特點(diǎn)分析

根據(jù)以上分析，Galileo系統(tǒng)上行注入基本上呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)。

①Galileo系統(tǒng)的ULS站和TT&C站上行鏈路的頻率選擇完全遵從國際電聯(lián)規(guī)定。由于C頻段內(nèi)業(yè)務(wù)單一，電磁環(huán)境較簡(jiǎn)單，最大程度地減少帶內(nèi)無意干擾，同時(shí)也避免了選擇不合法頻段所存在的國際糾紛隱患和繁瑣的國際協(xié)調(diào)；

②與GPSIII不同[7,8]，Galileo系統(tǒng)上行注入仍舊采用類似GPSII的方式，ULS站與衛(wèi)星一對(duì)一地注入，不使用星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)方式，通過在全球布設(shè)多個(gè)注入站來達(dá)到對(duì)整個(gè)星座衛(wèi)星的覆蓋；

③上行注入設(shè)計(jì)了多種備份手段，從信息組幀、GCC與注入站的通信、注入站天線配置和上行鏈路等多個(gè)方面來提高上行注入的冗余，不降低可用性，最大限度地保障上行注入的可靠性；

④TT&C站上行注入功能按不對(duì)等方式設(shè)計(jì)：一是沒有使用全備份策略，只備份了9個(gè)ULS站中的5個(gè)；二是注入任務(wù)簡(jiǎn)化，縮減了上注電文，只注入緊迫性最強(qiáng)的信息，同時(shí)擴(kuò)展了預(yù)報(bào)周期。此外，TT&C站上行鏈路定期上注，不是在緊急狀態(tài)下才啟用。這種設(shè)計(jì)方式在保障最基本導(dǎo)航服務(wù)前提下使系統(tǒng)最簡(jiǎn)化，降低了系統(tǒng)建設(shè)復(fù)雜度，并且使上行注入達(dá)到了無縫連接；

⑤根據(jù)衛(wèi)星對(duì)地覆蓋情況，選擇性地向高仰角衛(wèi)星注入完好性信息和SAR信息，不是所有上行鏈路都同時(shí)發(fā)送，一是可提高注入可靠性，降低被干擾概率，二是高仰角導(dǎo)航信號(hào)可增加用戶接收成功率，提高服務(wù)精度。

⑥區(qū)域完好性信息的生成、注入和發(fā)播是從WAAS系統(tǒng)演變而來，同樣是由各區(qū)域獨(dú)立產(chǎn)生和注入。但不同的是，區(qū)域完好性信息仍通過Galileo衛(wèi)星發(fā)播，ERIS也接受GCC的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，不需要建設(shè)新的獨(dú)立于Galileo之外的支持系統(tǒng)或增強(qiáng)系統(tǒng)。此外，ERIS與GCC建立數(shù)據(jù)接口，可通過ULS站協(xié)助注入，為其提供了一種冗余備份手段。

⑦上行注入鏈路使用擴(kuò)頻體制，相比于頻分方式，節(jié)省頻率資源，可擴(kuò)展性好，鏈路健壯性好，設(shè)備通用性好；使用類似于P碼或M 碼的長周期或無周期碼，可起到加密效果，保證數(shù)據(jù)安全；每個(gè)碼片都附帶時(shí)間信息，嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)，可支持星地雙向測(cè)距。

⑧上行注入選用卷積碼作為糾錯(cuò)編碼方案，編碼增益稍低，但好處在于該編碼為非分組編碼，時(shí)延短（只占幾個(gè)信息位），有利于強(qiáng)時(shí)效性信息的發(fā)送；編排靈活，不像分組編碼受分組長度的約束，填充的無用數(shù)據(jù)非常少，編排效率高。

⑨ULS站和TT&C站使用全自動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星跟蹤和注入，高度自動(dòng)化減少了對(duì)人的依賴，降低了因操作失誤等人為因素引起系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率、準(zhǔn)確度和系統(tǒng)可靠性。

7 上行注入系統(tǒng)建設(shè)

根據(jù)對(duì)Galileo系統(tǒng)上行注入體制及特點(diǎn)分析，對(duì)未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上行注入的建設(shè)提出自己的思考，以供衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)借鑒和參考。

⑴合理使用頻率資源

上行注入頻率要嚴(yán)格遵守國際電聯(lián)的相關(guān)條款規(guī)則。申請(qǐng)國必須承擔(dān)起頻率保護(hù)責(zé)任，共同構(gòu)建和諧使用頻率資源的國際大環(huán)境，在國際大舞臺(tái)展現(xiàn)良好的國家形象。開展頻率設(shè)計(jì)時(shí)，要仔細(xì)評(píng)估帶內(nèi)電磁環(huán)境，盡量避免業(yè)務(wù)過多或者上注級(jí)別較低的頻帶，以免無意干擾造成注入失敗。

⑵有效開展可靠性設(shè)計(jì)

鑒于上行注入的重要性，有必要增加備份冗余手段。從數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和傳輸、信號(hào)的生成和發(fā)送等上行注入的不同狀態(tài)入手，在設(shè)備和鏈路等方面開展多手段多方式冗余設(shè)計(jì)，提高上行注入系統(tǒng)可靠性，增強(qiáng)突發(fā)情況應(yīng)對(duì)能力。此外，提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，降低人為因素，也是提高系統(tǒng)可靠性的一個(gè)有效手段。

⑶優(yōu)化設(shè)計(jì)備份鏈路

對(duì)于工程系統(tǒng)，復(fù)雜度越低，可靠性程度越容易得到保障。據(jù)此，上行注入鏈路冗余設(shè)計(jì)首先要充分挖掘系統(tǒng)已有資源，借助現(xiàn)有鏈路開展備份設(shè)計(jì)，可降低系統(tǒng)建設(shè)成本和復(fù)雜度，GPS和Galileo系統(tǒng)在測(cè)控上行鏈路就均有上行注入備份功能[1-8]；其次，要充分論證備份鏈路的定位，以需求為導(dǎo)向明確備份策略，Galileo系統(tǒng)就是采用簡(jiǎn)化備份策略，以保證系統(tǒng)最基本要求；再者，注重備份平穩(wěn)切換設(shè)計(jì)，一旦主鏈路出現(xiàn)故障，能及時(shí)、無縫地切換至備份鏈路，確保導(dǎo)航服務(wù)不中斷、精度不降低，Galileo系統(tǒng)是使備份鏈路常態(tài)工作來達(dá)到此要求。

⑷加強(qiáng)鏈路安全性設(shè)計(jì)

考慮到上行注入的重要地位，要加強(qiáng)上行注入鏈路的安全設(shè)計(jì)，防止信號(hào)及數(shù)據(jù)被破譯，從而威脅系統(tǒng)安全。主要從數(shù)據(jù)安全和信號(hào)安全著手開展設(shè)計(jì)，如增加防欺騙設(shè)計(jì)、增加數(shù)據(jù)加密、使用長周期或無周期偽碼以及使用窄波束天線等技術(shù)手段來提高鏈路安全性。

⑸統(tǒng)籌設(shè)計(jì)注入方式

上行注入方式要根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)、安全性、國際政治形勢(shì)和技術(shù)能力來統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。如：面向區(qū)域服務(wù)的系統(tǒng)只需區(qū)域布站即可滿足系統(tǒng)服務(wù)性能，面向全球的系統(tǒng)必須要采取技術(shù)手段達(dá)到全球注入；全球布站要考量國際政治環(huán)境、系統(tǒng)的軍民特性、安全措施以及對(duì)衛(wèi)星的可視情況；在無法實(shí)現(xiàn)全球布站的條件下，采取與GPSIII類似的星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)等其他技術(shù)手段實(shí)施全球注入。

⑹重點(diǎn)確保信息時(shí)效

上行注入信號(hào)體制設(shè)計(jì)要以確保信息時(shí)效作為必要條件，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)信息速率和數(shù)據(jù)格式，合理選擇糾錯(cuò)編碼方案，從信息傳輸時(shí)延、設(shè)備延遲等方面來滿足時(shí)效要求。

8 結(jié)束語

論文從注入策略、信號(hào)體制、注入站配置以及通信方式等方面著手，分析了Galileo系統(tǒng)上行注入技術(shù)體制，解讀其技術(shù)特點(diǎn)，提出了上行注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展提供建議。

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