印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述*

張春海，趙曉東，李洪濤

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

1 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)能夠?yàn)榈厍虮砻婧徒乜臻g的廣大用戶提供全天時(shí)、全天候、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，是拓展人類(lèi)活動(dòng)、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星導(dǎo)航正在使世界政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、科技、文化發(fā)生革命性的變化[1]。2012年12月，中國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式服務(wù)運(yùn)行，成為繼美國(guó)GPS/WAAS、俄羅斯GLONASS后的第三個(gè)正式服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。另外，歐盟GALILEO/EGNOS系統(tǒng)、日本 QZSS/MSAS、印度 IRNSS/GAGAN等系統(tǒng)也在建設(shè)中[2－4]。多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)的并存，已經(jīng)打破美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的壟斷局面，在民用領(lǐng)域形成百家爭(zhēng)鳴，更好地為全球民用用戶提供更精確、更安全的服務(wù)。

在印度，主要有印度空間研究組織(India Space Research Organization，ISRO)和印度機(jī)場(chǎng)管理局(Airports Authority of India，AAI)聯(lián)合組織開(kāi)發(fā)的兩個(gè)系統(tǒng):一是GPS輔助GEO增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN)，它是印度建設(shè)的GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)，由印度空間研究組織和印度機(jī)場(chǎng)管理局共同實(shí)施，系統(tǒng)建設(shè)的目的是在印度提供滿足民用和航空應(yīng)用的精度和完好性要求的星基增強(qiáng)服務(wù);二是印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(India Regional Navigation Satellite System，IRNSS)，由印度空間研究組織(ISRO)組織實(shí)施，它是一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，可以在印度領(lǐng)土及周邊1 500 km范圍內(nèi)提供定位精度優(yōu)于20 m的服務(wù)。IRNSS系統(tǒng)提供SPS(標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù))和RS(限制服務(wù))兩種服務(wù)。

本文詳細(xì)介紹了印度GAGAN、IRNSS兩個(gè)系統(tǒng)的星座組成、信號(hào)體制、導(dǎo)航電文格式以及地面站組成等，對(duì)全面了解印度導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的參考價(jià)值。

2 星座組成

印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展分為兩部分，其中GAGAN系統(tǒng)為美國(guó)GPS系統(tǒng)的區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)，IRNSS系統(tǒng)為印度獨(dú)立建設(shè)的區(qū)域定位系統(tǒng)。根據(jù)印度方面向我方提供的參考假設(shè)文件(RAD)，其IRNSS/GAGAN系統(tǒng)的星座組成如表1所示，表中為截止2013年11月的指標(biāo)。

表1 印度IRNSS/GANGA系統(tǒng)星座組成Table1 Constellation parameters of India's IRNSS/GAGAN system

IRNSS系統(tǒng)空間段由7顆衛(wèi)星組成，3顆GSO衛(wèi)星分別位于東經(jīng) 32.5°、東經(jīng) 83°和東經(jīng) 131.5°;4顆IGSO衛(wèi)星軌道傾角為29°，升交點(diǎn)分別位于東經(jīng)55°、111.75°，IRNSS 星座在 ECEF 坐標(biāo)系中的星下點(diǎn)軌跡如圖1所示。

圖1 印度IRNSS系統(tǒng)星座組成圖Fig.1 Satellite constellation of India's IRNSS system

3 信號(hào)體制

3.1 GAGAN 系統(tǒng)

GAGAN是印度建設(shè)的GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)，由印度空間研究組織和印度機(jī)場(chǎng)管理局共同實(shí)施，系統(tǒng)建設(shè)的目的是在印度提供滿足民用和航空應(yīng)用的精度和完好性要求的星基增強(qiáng)服務(wù)。GAGAN的空間信號(hào)覆蓋整個(gè)印度大陸，能為用戶提供GPS信息和差分改正信息，用于改善印度機(jī)場(chǎng)和航空應(yīng)用的GPS定位精度和可靠性，是一個(gè)典型的GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)。

GAGAN系統(tǒng)的信號(hào)體制與GPS/WAAS保持高度一致，其使用的擴(kuò)頻碼也是和GPS/WAAS同一碼組，并且是向美國(guó)國(guó)防部申請(qǐng)授權(quán)得到的。GAGAN系統(tǒng)的詳細(xì)信號(hào)特性如表2所示，表中為截止2013年11月的指標(biāo)。

表2 GAGAN系統(tǒng)信號(hào)特性Table2 Signal parameters of GAGAN system

3.2 IRNSS 系統(tǒng)

IRNSS由印度空間研究組織(ISRO)實(shí)施，IRNSS系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，可以不依靠GPS為印度領(lǐng)土的用戶提供獨(dú)立的導(dǎo)航定位服務(wù)?？臻g衛(wèi)星采用3個(gè)頻段作為載波:C頻段、S頻段和L頻段。其中C頻段頻率主要用于測(cè)控，使用L5頻段和S頻段發(fā)射衛(wèi)星下行導(dǎo)航信號(hào)，中心頻點(diǎn)分別為 1 176.45 MHz、2 492.028 MHz，SPS 服務(wù)采用BPSK－R(1)調(diào)制，RS服務(wù)采用BOC(5，2)調(diào)制，分為導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)兩個(gè)通道[5]。其詳細(xì)的信號(hào)參數(shù)分別如表3和表4所示，表中為截止2013年11月的指標(biāo)。

表3 IRNSS系統(tǒng)L5頻段信號(hào)特性Table3 Signal parameters of IRNSS system L5 band

表4 IRNSS系統(tǒng)S頻段信號(hào)特性Table4 Signal parameters of IRNSS system S band

圖2為IRNSS系統(tǒng)信號(hào)的功率譜密度(PSD)。

圖2 IRNSS系統(tǒng)信號(hào)功率譜密度Fig.2 PSD of IRNSS signals

4 導(dǎo)航電文

4.1 GAGAN 系統(tǒng)

為了確保所有空基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)的互操作性，國(guó)際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)標(biāo)準(zhǔn)與建議書(shū)行動(dòng)組(Standards and Recommended Practices，SARPs)制定了 SBAS 系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以保證機(jī)載設(shè)備可以接收WAAS/EGNOS/MSAS/GAGAN等不同系統(tǒng)的信號(hào)，印度GAGAN系統(tǒng)的導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)也嚴(yán)格遵循這一規(guī)范，因此其電文格式可參考美國(guó)WAAS系統(tǒng)的接口控制文件[6]。

4.2 IRNSS 系統(tǒng)

IRNSS的導(dǎo)航電文由幀、子幀組成，其中一個(gè)幀包含4個(gè)子幀，每個(gè)子幀的長(zhǎng)度為292 b，經(jīng)過(guò)FEC編碼后的長(zhǎng)度為584 b，加上16 b的同步頭，每個(gè)編碼后的子幀長(zhǎng)度為600 b，一個(gè)主幀的長(zhǎng)度為2 400 b，按照50 b/s的符號(hào)速率傳輸，傳輸一個(gè)主幀所需要的時(shí)間為48 s。4個(gè)子幀中，第1、2子幀為固定格式，用于傳輸歷書(shū)和鐘差參數(shù)，第3、4子幀為信息格式。IRNSS系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 IRNSS系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure of IRNSS system

5 地面系統(tǒng)

5.1 GAGAN 系統(tǒng)

GAGAN地面系統(tǒng)由主控站(Master Control Center，INMCC)、上行注入站(Indian Land Uplink Stations，INLUS)、參考站(India Reference Stations，INRES)和通信鏈路(Communication links)組成，如圖4所示。

圖4 GAGAN地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of GAGAN system ground segment

GAGAN系統(tǒng)3個(gè)地面主控站分別對(duì)應(yīng)3顆GEO衛(wèi)星，所有參考站的數(shù)據(jù)都通過(guò)通信鏈路傳輸?shù)街骺卣具M(jìn)行結(jié)算，并由主控站生成差分改正信息，通過(guò)上行注入站(INLUS)分別注入3顆衛(wèi)星。GAGAN衛(wèi)星載荷采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的工作機(jī)制，因此要生成L1、L5兩個(gè)頻段的差分信息，需要上行注入站使用C1(中心頻點(diǎn)6 715.42 MHz)、C5(中心頻點(diǎn) 6 676.45 MHz)兩個(gè)頻段與衛(wèi)星之間建立饋線鏈路[7]。

5.2 IRNSS 系統(tǒng)

IRNSS系統(tǒng)地面段包括9個(gè)衛(wèi)星控制地球站(IRNSS Satellite Control Earth Stations，SECS)、2 個(gè)導(dǎo)航中心(Navigation Center，INC)、2個(gè)衛(wèi)星控制中心(Satellite Control Center，SCC)、17 個(gè)測(cè)量與完好性監(jiān)測(cè)站(Range＆ Integrity Monitoring Stations，IRIMS)、2 個(gè)時(shí)間中心(Network Timing，IRNWT)、4 個(gè)CDMA 測(cè)距站(CDMA Ranging Stations，IRCDR)、2個(gè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(Data Communication Network，IRDCN)以及1個(gè)激光測(cè)距站(Laser Ranging Station，LRS)等[8]，如圖 5 所示。

圖5 IRNSS系統(tǒng)地面段結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of IRNSS system ground segment

測(cè)量與完好性監(jiān)測(cè)站(IRIMS)用于進(jìn)行IRNSS衛(wèi)星的連續(xù)單向距離測(cè)量、星座完好性監(jiān)測(cè)，IRIMS連續(xù)跟蹤IRNSS星座的導(dǎo)航信號(hào)，并將解調(diào)的數(shù)據(jù)、偽距、載波相位等信息發(fā)送給INC。導(dǎo)航中心(INC)的主要功能為計(jì)算衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差改正數(shù)、電離層誤差改正數(shù)以及相應(yīng)的完好性信息，并將計(jì)算結(jié)果傳送給衛(wèi)星控制中心(Satellite Control Facility，IRSCF)，并通過(guò)衛(wèi)星控制地球站(SCES)注入到衛(wèi)星。衛(wèi)星空間控制中心(SCC)主要負(fù)責(zé)空間衛(wèi)星正常工作的管理、控制和維護(hù)。CDMA測(cè)距站和激光測(cè)距站(LRS)負(fù)責(zé)采集IRNSS衛(wèi)星的距離信息，進(jìn)行修正后傳送給 INC[9]。

6 現(xiàn)狀及發(fā)展計(jì)劃

從印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略來(lái)看，印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展仿效歐盟的思路，先建設(shè)增強(qiáng)系統(tǒng)，為自主導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，然后發(fā)展自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，因此GAGAN系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)度要先于IRNSS系統(tǒng)。

6.1 GAGAN 系統(tǒng)

GAGAN系統(tǒng)的建設(shè)分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是技術(shù)演示系統(tǒng)(TDS)，第二階段為全操作階段(FOP)，GAGAN系統(tǒng)在FOP階段包括15個(gè)參考站、2個(gè)主控站、2個(gè)上行注入站，數(shù)據(jù)通信依靠專(zhuān)用光纖網(wǎng)和VSAT鏈路。

2010年4月15日，印度的第一顆GAGAN衛(wèi)星GSAT－4在印度使用GSLV－D3運(yùn)載火箭發(fā)射失敗;2011年5月20日，第二顆GAGAN衛(wèi)星GSAT－8在法國(guó)Kourou使用Ariane－5衛(wèi)星發(fā)射成功，并定點(diǎn)在55°E;2012年9月28日，印度的第三顆GAGAN衛(wèi)星GAST－10發(fā)射成功，并定點(diǎn)在83°E;下一顆GAGAN衛(wèi)星GSAT－15計(jì)劃于2014～2015年之間發(fā)射。GAGAN系統(tǒng)計(jì)劃完成穩(wěn)定運(yùn)行測(cè)試后，2013年7月完成驗(yàn)收，目前仍未見(jiàn)相關(guān)測(cè)試報(bào)告和新聞報(bào)道。圖6給出了GAGAN系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域。

圖6 GAGAN系統(tǒng)服務(wù)區(qū)Fig.6 Service area of GAGAN system

6.2 IRNSS 系統(tǒng)

2013年7月1日，印度的第一顆IRNSS系統(tǒng)衛(wèi)星IRNSS－1A發(fā)射成功，該衛(wèi)星是一顆IGSO衛(wèi)星，實(shí)際傾角27.1°，升交點(diǎn)位置為東經(jīng)55°，設(shè)計(jì)壽命10年。印度原計(jì)劃2015年完成IRNSS系統(tǒng)所有衛(wèi)星的發(fā)射，實(shí)現(xiàn)全星座運(yùn)行，根據(jù)目前其系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)展估計(jì)，下一顆衛(wèi)星至少在1年后發(fā)射，如果一切順利，之后按照每半年發(fā)射一顆衛(wèi)星估計(jì)，IRNSS系統(tǒng)至少要在2017年底才可能具備全星座運(yùn)行的能力。

7 結(jié)束語(yǔ)

印度由于所處經(jīng)度基本在我國(guó)范圍內(nèi)，其GAGAN和IRNSS系統(tǒng)的信號(hào)能夠覆蓋我國(guó)大部分領(lǐng)土，因此深入研究印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，解決好其與我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作問(wèn)題非常重要:首先是兼容性問(wèn)題。印度IRNSS系統(tǒng)是我國(guó)“北斗”系統(tǒng)之外唯一實(shí)際使用S頻段(2 483.5～2 500 MHz)的系統(tǒng)，其新增信號(hào)對(duì)我國(guó)“北斗”系統(tǒng)RDSS業(yè)務(wù)的影響還需要進(jìn)一步深入進(jìn)行分析;另外，印度IRNSS/GAGAN系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行也大大增加了亞洲－太平洋地區(qū)可見(jiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星的顆數(shù)，通過(guò)有效利用其差分改正信息，可以顯著提升GPS接收機(jī)的定位性能。因此，進(jìn)一步跟蹤研究印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展是十分必要的。

[1]中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告(藍(lán)皮書(shū))2.0[R].北京:中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)骯系統(tǒng)管理辦公室，2011.Satellite Navigation Office.Report on the Development of Beidou(COMPASS)Navigation Satellite System[R].Beijing:Satellite Navigation Office，2011.(in Chinese)

[2]ICG.Current and planned Global and Regional Navigation Satellite Systems and Satellite－based Augmentations Systems[M].New York:United Nations，2010.

[3]譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M].2版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.TAN Shu－sen.The Engineering of Satellite Navigation and Positioning[M].2nd ed.Beijing:National Defense Industry Press，2010.(in Chinese)

[4]譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報(bào)，2008，29(2):391－396.TAN Shu－sen.Development and Thought of Compass Navigation Satellite System[J].Journal of Astronautics，2008，29(2):391－396.(in Chinese)

[5]Rao V G，Lachapalle G，Vijaykumar S B.Analysis of IRNSS over India subcontinent[C]//Proceedings of 2011 ION ITM.San Diego:ION，2011:1150－1162.

[6]FAA－E－2892b，Specification for the Wied Area Augmentation Sysytem(WAAS)[S].

[7]Ganeshan A S.GAGAN:Statue and Update[J].Coordinates，2012，VIII(9):1－5.

[8]Rao V G，Lachapelle G.Combining GAGAN with IRNSS[J].Coordinates，2013，IX(4):1－5.

[9]高為廣，陳金平，王楠.印度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最新進(jìn)展[J].全球定位系統(tǒng)，2008，33(1):42－45.GAO Wei－guang，CHEN Jin－ping，WANG Nan.The Progress of Indian Navigation Satellite System[J].GNSS World of China，2008，33(1):42－45.(in Chinese)