劉基余（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

適應(yīng)SAR功能的GNSS接收機(jī)待研發(fā)── GNSS導(dǎo)航信號的收發(fā)問題之十六

劉基余
（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，武漢 430079）

近年來，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)相繼增添新功能——全球搜尋援救，而拓寬了GNSS信號的應(yīng)用。自2011年10月以來，Galileo IOV衛(wèi)星（MEO）已經(jīng)安設(shè)了全球搜救收發(fā)設(shè)備，開創(chuàng)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)增添SAR功能的先河。這就需要研制適應(yīng)全球搜尋援救需求的GNSS接收機(jī)。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)；Galileo IOV衛(wèi)星；全球搜尋援救

1　引言

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)問世30余年來，全球廣大民間用戶都是利用GPS信號進(jìn)行導(dǎo)航定位，而不能另有所求。近年來，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)相繼增添新功能—— 全球搜尋援救（search and rescue，SAR）。例如，2011年10月21日和2012年10月12日分別發(fā)射的各兩顆Galileo IOV衛(wèi)星（MEO）上已經(jīng)安設(shè)了全球搜救收發(fā)設(shè)備，開創(chuàng)了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)增添SAR功能的先河。現(xiàn)代化后的GPS衛(wèi)星，也將具備險情警報能力（其系統(tǒng)名為Distress Alerting Satellite System，DASS）；此外，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)也將增添全球搜尋援救功能。因此，GNSS/SAR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，是值得我們關(guān)注的。本文主要簡要論述Galileo/SAR功能和GPS的DASS險情警報能力，因而提出了需要研制適應(yīng)全球搜尋援救需求的GNSS接收機(jī)的課題。

2　Galileo/GPS系統(tǒng)的近況

在《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其應(yīng)用》一書的相關(guān)章節(jié)中，筆者較詳細(xì)地論述了Galileo/GPS系統(tǒng)，此處只對其近況作簡要論述。

2.1Galileo系統(tǒng)的近況

Galileo衛(wèi)星星座是由30顆中軌（MEO）衛(wèi)星（27顆工作衛(wèi)星+3顆在軌備份衛(wèi)星）和3顆靜地軌道（GEO）衛(wèi)星構(gòu)成的。3顆靜地衛(wèi)星分別為定點在西經(jīng)15.5°的Inmasat III AOE-E衛(wèi)星、定點在東經(jīng)25.0°的Inmasat III F5衛(wèi)星和定點在東經(jīng)21.5°的ESA Artemis衛(wèi)星。由30顆中軌衛(wèi)星構(gòu)成的核心星座均勻分布在3個軌道上，而Galileo MEO衛(wèi)星的軌道高度是23,616km，軌道傾角為56°。自2011年10月以來，不斷發(fā)射Galileo工作衛(wèi)星，以便組成Galileo工作星座；計劃2019年完成30顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，建成Galileo系統(tǒng)。

依據(jù)“Galileo OS SIS ICD, Issue 1.1，September 2010”的公示，Galileo衛(wèi)星采用下列五個載波頻率發(fā)送導(dǎo)航信號：1575.420(E1)，1278.750(E6)，1191.595(E5)，1176.450(E5A)，12 0 7.14 0 (E 5 B)。G a l i l e o公用信號，采用1575.420MHz(E1)，1207.140MHz(E5B)，1278.750MHz(E6)三個載波。E1載波頻率與GPS第一導(dǎo)航定位信號的載波頻率(fL1)是一致的，采用BOC調(diào)制隔離兩者的測距碼，而互不干擾（詳見劉基余的《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其應(yīng)用》一書的§1.5所述）。E5A載波和E5B載波調(diào)制著Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航電文，后者是分別用偽噪聲碼CI和偽噪聲碼CQ進(jìn)行擴(kuò)頻傳送的，兩者的數(shù)據(jù)傳輸率分別為50sps和500sps。2015年9月11日和12月17日成功地分別發(fā)射了第9顆和第10顆Galileo工作衛(wèi)星與第11顆和第12顆Galileo工作衛(wèi)星，并進(jìn)入目標(biāo)軌道正常運行；2014年8月發(fā)射升空后未能進(jìn)入目標(biāo)軌道的第5顆和第6顆Galileo工作衛(wèi)星，現(xiàn)在經(jīng)過對它們的軌道調(diào)整，也能夠正常運行了；因此，Galileo工作星座的順利建成，是指日可待的。

據(jù)清華新聞網(wǎng)報道，2013年5月5日，該校電子工程系衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究室在北京地區(qū)成功地接收到了在軌的4顆Galileo IOV衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航信號，并實現(xiàn)了精度為±10m的三維位置測定。

2.2GPS系統(tǒng)的近況

自1989年2月14日第一顆GPS工作衛(wèi)星的入軌運行以來，GPS系統(tǒng)已經(jīng)為全球廣大用戶在陸、海、空、天領(lǐng)域服務(wù)了20余年的導(dǎo)航定位。21世紀(jì)初，GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控系統(tǒng)，都在實施現(xiàn)代化，于2010年8月1日發(fā)射了第一顆Block IIF衛(wèi)星（第三代工作衛(wèi)星），從而形成用3個GPS信號（L1，L2，L5）同時進(jìn)行導(dǎo)航定位的新格局（如圖1所示）；且擬于近年開始發(fā)射Block III衛(wèi)星，并在Block IIF衛(wèi)星所發(fā)導(dǎo)航定位信號的基礎(chǔ)上，在第一導(dǎo)航定位信號（L1）上增加一個民用測距碼—— L1-C碼，致使民間用戶能夠用Block(GPS) III衛(wèi)星的3個GPS信號（L1，L2，L5）和4個民用測距碼同時進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。2000年5月1日，時任美國總統(tǒng)克林頓宣布：即日起停止對GPS衛(wèi)星實施SA技術(shù)，這標(biāo)志著GPS現(xiàn)代化的開始。中止SA技術(shù)，使我們GPS非特許用戶能夠獲得較穩(wěn)定的±30m左右的單點定位精度；在Block II-R，Block IIR-M，Block IIF所構(gòu)成的定位星座條件下，全球GPS用戶能夠獲得±5.6m的二維單點定位精度，而GPS雙頻單點靜態(tài)定位的三維位置均方根差則隨著觀測時間的增長而降低（如圖2所示）。例如，半小時觀測的三維位置均方根差為±20cm左右，而一個半小時觀測的三維位置均方根差則在±10cm以內(nèi)。2015年10月30日，第11顆Block IIF衛(wèi)星成成發(fā)射入軌運行。

圖1　用3個GPS信號（L1，L2，L5）同時進(jìn)行導(dǎo)航定位

圖2　21世紀(jì)初期GPS雙頻單點靜態(tài)定位的三維位置均方根差

依據(jù)2016年1月5日觀測資料，在軌工作的GPS衛(wèi)星共有31顆（如表1所示），它們是：1990年11月發(fā)射的1顆Block IIA衛(wèi)星、1997年7月～2004年11月發(fā)射的12顆Block IIR衛(wèi)星、2005年9月～2009年8月發(fā)射的7顆Block IIR-M衛(wèi)星、2010年5月～2015 年10月發(fā)射的11顆Block IIF衛(wèi)星；1990年11月26日發(fā)射的Block IIA衛(wèi)星已在軌工作了25余年。這31 顆Block IIA/IIR，IIR-M，IIF衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航定位信號是存在差別的（詳見劉基余的《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其應(yīng)用》一書的第三章所述）。

表1　2016年1月5日31顆在軌GPS工作衛(wèi)星的基本參數(shù)

1　2　II-R　06.11.04　22.11.04　133.5 2　1　II-F　16.07.11　14.10.11　50.8 3　21　II-R　31.03.03　12.04.03　152.9 5　11　II-R　07.10.99　03.01.00　192.2 6　6　II-F　17.05.14　10.06.14　18.9 D 1　20　II-R　11.05.00　01.06.00　187.3 2　22　II-R　21.12.03　12.01.04　143.9 3　5　IIR-M　17.08.09　27.08.09　76.3 4　18　II-R　30.01.01　15.02.01　178.8 5　32　II-A　26.11.90　10.12.90　301.1 6　10　II-F　30.10.15　09.12.15　0.9 1　3　II-F　29.10.14　12.12.14　12.8 E 1　14　II-R　10.11.00　10.12.00　181.0 2　15　IIR-M　17.10.07　31.10.07　98.2 3　13　II-R　23.07.97　31.01.98　215.3 4　23　II-R　23.06.04　09.07.04　138.0 9 II-F　02.08.14　17.09.14　15.6 F

GPS現(xiàn)代化，不僅使全球廣大用戶能夠用GPS動態(tài)載波相位測量獲得厘米級精度的3維實時點位坐標(biāo)，而且能夠用L1-C/A碼和L1-C碼偽距測量解獲得米級的單點定位精度。此外，第四代GPS衛(wèi)星Block III也正在研制之中。Block III衛(wèi)星除了具有現(xiàn)行GPS衛(wèi)星的全部功能以外，還增強(qiáng)下列作用：維護(hù)航空飛行/火車行駛的安全；提供飛機(jī)精密著陸導(dǎo)航服務(wù)；跟蹤貨物安全運輸；精細(xì)農(nóng)業(yè)；城市規(guī)劃；礦藏開采。

3　Galileo全球搜尋援救

Galileo系統(tǒng)不僅具有與GPS系統(tǒng)相同的全球?qū)Ш蕉ㄎ还δ?，而且還具有全球搜尋援救（SAR，search and rescue）功能，能夠接收和處理來自遇險用戶的求援信號，實施及時援救。Galileo全球搜尋援救功能，是基于COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)，后者使用高度為850～1000km的6顆衛(wèi)星為全球包括極區(qū)在內(nèi)的海上、陸上和空中提供遇險報警及定位服務(wù)，以使遇險者得到及時有效的救助。COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的主要缺點是：用戶信標(biāo)的定位精度差，僅能達(dá)到±5km左右，給及時援救帶來較大的難度；求救報警能力差，用戶信標(biāo)發(fā)送的求救信號需要經(jīng)過幾十分鐘的傳遞時間才能夠獲得救助信息，難以實現(xiàn)及時援救。Galileo/ SAR功能能夠很好克服COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的主要缺點，而實現(xiàn)全球陸海空遇險者的實時搜救。為此，現(xiàn)已發(fā)射的4顆Galileo IOV衛(wèi)星（MEO），均安置了全球搜救收發(fā)設(shè)備，以便驗證Galileo/SAR功能。圖3展示了Galileo IOV衛(wèi)星的全球搜救收發(fā)天線的安設(shè)位置。

圖3　Galileo衛(wèi)星上的全球搜救收發(fā)天線安設(shè)位置

值得一提的是，1998年1月26日，北京衛(wèi)星搜救網(wǎng)絡(luò)站順利地通過了國際衛(wèi)星搜救組織的入網(wǎng)測試，進(jìn)入了全功能運行狀態(tài)，能夠為我國所有陸地疆土和絕大部分的海域?qū)嵤〤OSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救。此外，香港和臺灣地區(qū)分別建設(shè)了各自的衛(wèi)星搜救網(wǎng)絡(luò)站。由此看來，我國廣大用戶也能夠采用Galileo/SAR功能，實施陸、海、空遇險用戶的衛(wèi)星搜救。

圖4　Galileo全球搜尋援救功能

從圖4可知，Galileo/SAR功能是充分利用COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的地面援救網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而對遇險用戶信標(biāo)引入高精度。例如，僅用單頻Galileo信號定位，就能夠達(dá)到15m的二維定位精度，它的置信度均為99.5%。此外，Galileo/SAR能夠向遇險用戶發(fā)送信號，告知其所處險境已被探測到，其救援工作已在積極進(jìn)行之中。2013年3月，歐空局僅用4顆在軌Galileo IOV衛(wèi)星導(dǎo)航信號的仿真試驗結(jié)果表明，77%的模擬遇險用戶可達(dá)2km范圍內(nèi)的救援定位，而95%的模擬遇險用戶可達(dá)5km范圍內(nèi)的救援定位。Galileo任務(wù)控制中心能夠在一分半鐘內(nèi)檢測到所有的警報用戶，這高于10分鐘檢測到所有警報用戶的設(shè)計要求。Galileo全球搜尋援救的特點可以概括為下列幾點：

（1）顯著提高信標(biāo)定位精度，實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)遇險用戶。當(dāng)(27+3) Galileo星座于2019年運行后，采用Galileo信號測距碼定位的遇險用戶信標(biāo)，僅用單頻Galileo信號定位，就能夠達(dá)到15m定位精度；若采用雙頻Galileo信號測距碼定位，則能夠達(dá)到4m的定位精度；而現(xiàn)行的COSPAS-SARSAT信標(biāo)定位精度約為5km。因此，根據(jù)Galileo全球搜尋援救服務(wù)提供的信號與數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確地確定遇險用戶的位置，從而能夠大大縮小搜索范圍，極大地改善現(xiàn)有搜索與救援系統(tǒng)性能。

（2）覆蓋全球搜尋，實現(xiàn)無縫救援。COSPASSARSAT信標(biāo)作用距離有限，只能夠在有限的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)搜索與救援；而Galileo衛(wèi)星信號覆蓋全球，從而實現(xiàn)了全球范圍的搜索與救援。

（3）用戶遇險信號傳輸快，提高遇險搜救作業(yè)效率。由于Galileo/SAR提供的搜索與救援服務(wù)，它的通信功能直接通過Galileo衛(wèi)星完成，使得傳送求救信號到控制中心的時間短（大約1min）；然而COSPAS-SARSAT傳輸時間最多需要幾十分鐘，該系統(tǒng)的實時報警性能差。因此，采用Galileo/SAR能夠?qū)崿F(xiàn)近乎實時的救援，從而減少報警時間，提高遇險搜救作業(yè)效率。

（4）雙向發(fā)送搜救作業(yè)信號，縮短遇險用戶求救時間。Galileo/SAR的搜救轉(zhuǎn)發(fā)器除了向地面救援中心發(fā)送搜索與救援信號以外，同時還轉(zhuǎn)發(fā)COSPAS-SARSAT地面站接收遇險電文的確認(rèn)信息，從而縮短了遇險用戶求救時間，這是COSPASSARSAT無法實現(xiàn)的。

從上述Galileo全球搜尋援救的特點可知，Galileo/SAR顯著地增強(qiáng)了COSPAS-SARSAT的搜索功能。將來，Galileo/SAR與現(xiàn)有COSPASSARSAT服務(wù)協(xié)調(diào)，并與全球海上遇險與安全系統(tǒng)（GMDSS）兼容，將進(jìn)一步加強(qiáng)全球搜救服務(wù)性能，使遇險用戶與搜救中心之間具有交換簡短信息的功能。

4　GPS險情警報衛(wèi)星系統(tǒng)

GPS現(xiàn)代化后，GPS衛(wèi)星將具備險情警報能力，稱之為GPS險情警報衛(wèi)星系統(tǒng)（Distress Alerting Satellite System，DASS，如圖5所示），它可看作為現(xiàn)行COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的外部增強(qiáng)系統(tǒng)，而增強(qiáng)了它的快速搜救能力。Block Ⅲ衛(wèi)星通過L6(1544MHz)信號及時播發(fā)遇險呼救信息至地面搜救中心，將增強(qiáng)現(xiàn)有的國際COSPASSARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的搜救能力。

圖5　GPS險情警報衛(wèi)星系統(tǒng)

GPS險情警報衛(wèi)星系統(tǒng)的主要特點是：

（1）險情警報響應(yīng)速度快捷。GPS星座所具備的DASS，能夠迅速地將遇險者所在位置報告給援救協(xié)調(diào)中心，進(jìn)而協(xié)調(diào)援救。

（2）快速定位遇險者。GPS現(xiàn)代化后的單點定位精度可達(dá)米級，因此，能夠?qū)⒃葴?zhǔn)確度提高到方圓一千米范圍內(nèi)，而及時地援救遇險者。

（3）實現(xiàn)無障礙地險情報警。在地球上任何地方、任何時候和任何氣象條件下，只要遇險者能夠及時使用信標(biāo)收發(fā)機(jī)聯(lián)系，DASS用戶就能夠獲得及時援救。遇險信標(biāo)使用三種頻率發(fā)送遇險信號（121.5MHz，243MHz，406MHz），當(dāng)用戶遇險后，遇險信標(biāo)可以通過人工激活，或者由遇險時的撞擊、水浸而自動激活（信標(biāo)激活后可以存活48小時），發(fā)出121.5/406MHz的遇險報警信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，由報警接收站接收，并將遇險用戶的精確位置發(fā)送給援救協(xié)調(diào)中心，后者將立馬組織搜救（如圖5所示）。這便于航海、航空、長途運輸、地質(zhì)勘探、科學(xué)考察、登山探險等一些領(lǐng)域的遇險報警應(yīng)用。

從上可知，GPS險情警報衛(wèi)星系統(tǒng)顯著增強(qiáng)了以美國和俄羅斯的極地衛(wèi)星（LEOSAR）和4顆美國靜地衛(wèi)星（GEOSAR）構(gòu)成的COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)的搜救能力，能夠為遇險者提供準(zhǔn)確而快捷的援救服務(wù)。

5　結(jié)束語

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，人們多認(rèn)為它是用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的，隨著用戶的應(yīng)用需求擴(kuò)大，巧妙地將它與COSPAS-SARSAT全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)結(jié)合起來，成為未來全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，這是值得我們關(guān)注的！

從上述可知，Galileo/SAR搜救服務(wù)的程序是，處于求救狀態(tài)的用戶激活搜索救援信標(biāo)，并向Galileo衛(wèi)星發(fā)出一個求救的遇險電文信號，Galileo衛(wèi)星通過一個特定的406MHz搜索天線檢測發(fā)現(xiàn)該信號后，將它放大和變頻后，以1154MHz-1545MHz頻段的信號下行傳送用戶遇險信息給COSPAS-SARSAT地面站，再經(jīng)地面站轉(zhuǎn)發(fā)至救援協(xié)調(diào)中心，對電文作進(jìn)一步處理。COSPASSARSAT地面站隨即向Galileo地面站發(fā)出確認(rèn)電文，Galileo地面站通過上行鏈路發(fā)送接收到的報警電文的確認(rèn)信息到遇險用戶的在視Galileo衛(wèi)星，再由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)回到發(fā)出報警的信標(biāo)，電文包含在Galileo導(dǎo)航信號中，裝備了Galileo/SAR接收機(jī)的用戶即可接收該信號，從而實現(xiàn)Galileo/SAR的迅速搜索與救援服務(wù)。

作為案例，本文簡要地論述了Galileo/SAR功能和GPS的DASS險情警報能力，也許這兩者能夠給我們建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供參考。文中還提出了需要研制適應(yīng)全球搜尋援救需求的GNSS接收機(jī)的課題，它是具有廣闊應(yīng)用前景的。例如，將GNSS/ SAR接收機(jī)裝備在民航飛機(jī)上，萬一遇險需要，即可在數(shù)分鐘內(nèi)獲得遇險失事位置，可以省略多國出動艦船和飛機(jī)搜尋，從而節(jié)省大量人力和財力。

[1] 劉基余．全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及其應(yīng)用．北京：北京測繪出版社，2015.5

[2] Galileo to support global search and rescue.http://www.esa.int/esaCP/ SEMZAJUL05F_Improving_0.html, 9 August 2007

[3] NASA GSFC Search and Rescue Office. http://searchandrescue.gsfc.nasa.gov/

For Adapting the SAR Function to the GNSS Receivers to Await the Research and Development --Transmitting/receiving Issue(16) of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
(School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan, 430079)

In recent years Global Navigation Satellite System (GNSS) increases ceaselessly a new function: search and rescue(SAR). It can broaden the applications of GNSS signals. Since October 2011 Galileo IOV satellites (MEO) have installed the sending and receiving equipment for the global search and rescue. This has set a precedent to increase the SAR function for Global Navigation Satellite System(GNSS). This requires the Research and Development for adapting the global search and rescue function to the GNSS receivers.

Global Navigation Satellite System; Galileo IOV satellite; Global search and rescue

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.02.001

TN96

A

1672-7274（2016）02-0001-05

劉基余，現(xiàn)任武漢大學(xué)測繪學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，兼任美國紐約科學(xué)院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國電子學(xué)會會士。主要研究方向是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位/衛(wèi)星激光測距技術(shù)，在國內(nèi)外30余種中英文學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了280余篇相關(guān)研究論文，獨著了（北京）科學(xué)出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》一書。他的主要業(yè)績已分別載于美國于2001年出版發(fā)行的《世界名人錄》（Who's Who in the World）、美國于2005年出版發(fā)行的《科技名人錄》（Who's Who in Science and Engineering）和中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會于2007年出版發(fā)行的《中國科學(xué)技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編《電子信息科學(xué)技術(shù)卷2》等50多種國內(nèi)外辭書上。