独家：伽利略商业服务_航天_外空网

xing123 发表于 2016-11-22 23:48:22

独家：伽利略商业服务

前言　　经过多年概念研究和仿真，伽利略商业服务正在启动，致力于为民用用户提供最准确、最安全的星基导航服务。　　2014年夏，人类首次利用单一GNSS信号实现分米级的可靠定位。未来这一结果有望更好。尽管这一过程令人兴奋，但仍存在许多挑战。本文描述了伽利略商业服务信号发展目前取得的进展以及利用实际伽利略信号进行“利用商业服务进行可靠、准确位置试验”计划所取得的初步结果。　　一、伽利略及其商业服务　　伽利略计划自启动以来经历了多次起起落落，其商业服务也不例外。20世纪90年代末期，欧盟启动伽利略计划，并采用了“公私合作”方式分担项目研发费用和风险。当时，商业服务被称为“控制接入服务2”或CAS-2，旨在让私营部门合作伙伴获得投资回报。（CAS-1即是现在的公共特许服务或PRS）　　这一模式帮助欧盟成员国做出了欧洲发展自主星基导航系统的重要决策。然而，伽利略提供的这种“增值”服务，在面临免费提供且性能良好的GPS的挑战下，前景变得不明朗。　　可能正是由于缺乏明确的投资回报模式，最终导致具备特许权的工业部门难以接受利用自身资源建造伽利略系统的风险。经过多年谈判，于2010年左右取消了这种基于公私伙伴关系特许权的方式，而改为完全由欧盟投资。当时，将优先权首先放到对公共事业或政府更为重要的服务，如公共特许服务、开放服务、生命安全服务以及搜救服务。　　指导伽利略计划发展的有关法律法规仍然强制要求，应保留一种商业服务，提供比其他服务更优的性能和具备更大附加价值的数据。然而这种增值服务并没有在任何任务或系统要求中体现，项目预算也已经完全分配给其他优先服务。早期定义工作明确了“高精度”和“认证”是两种最具前景的服务，但很多事项仍不清楚，包括能否提供、怎样提供、最终性能以及如何实现和运营，都不得而知。　　二、商业服务的范畴更广　　“后特许”时代已经拓展了商业服务的范畴。鉴于伽利略计划已经成为一种公共倡议，力图创造收入来源以部分弥补伽利略运营成本的目的已经被其他目的进行了均衡。这些可以总结为以下五个目的：　　1）最大程度地发挥卫星导航的公共效益。　　2）通过创立新服务或者扩大现有服务，以及相关经济活动的增加，创造经济价值。　　3）改进伽利略系统的导航性能。　　4）通过新的服务、想法和解决方案促进创新。　　5）为欧盟卫星导航计划创造一种补充的收入来源。　　出于这些考虑，欧盟于2013年初并行启动了两项研究，定义商业服务及其在伽利略系统中的实现。这两项研究的主要前提是，通过对伽利略核心基础设施进行最小的修改而提供最大化的价值。这意味着对伽利略地面基础设施以及卫星星上软件不进行修改或者进行最小的修改，而卫星硬件完全不进行修改，即需要保持当前的伽利略商业服务信号定义。　　三、伽利略商业服务信号　　商业服务信号定义了伽利略商业服务应该提供的能力。根据《伽利略开放服务空间信号接口控制文件》中的描述，商业服务信号由在E6频段（1260-1300MHz）播发的一个数据（E6-B）部分和一个导频（E6-C）部分组成。信号载频为1278.75MHz，利用一个二进制相移键控BPSK信号进行调制，并且通过码分多址射频信道接入方法被所有卫星共享使用。因此，信号主瓣以及大部分信号功率处于1273.75-1283.75MHz频带内。　　E6-B和E6-C信号都是在相位部分进行调制，只留下与E6-A信号的正交部分，与E1-A共同用于公共特许服务。表1总结了E6-B和E6-C信号各部分的主要特征。　　表1伽利略E6-B/C信号的特征　　E6B　　E6C　　分量　　数据　　导频　　载频　　1278.75MHz　　1278.75MHz　　扩频调制方式　　BPSK（5）　　BPSK（5）　　码片率　　5.115Mcps　　5.115Mcps　　主码长度　　5115码片　　5115码片　　主码时长　　1毫秒　　1毫秒　　次码长度　　无　　100码片　　次码时长　　无　　100毫秒　　续表1　　E6B　　E6C　　符号率　　1000sps　　无　　数据率　　492bps　　无　　数据编码　　根据空间信号接口控制文件　　无　　数据交叉存取（列*行）　　123*8　　无　　扩展码加密能力　　有　　有　　功率分享　　50%　　50%　　最小接收功率（E6B+E6C）　　-155dBW　　商业服务信号的一个相关特征是两个信号组成部分的主要扩展码在播发时既可以加密也可以不加密。当加密时，扩展码被由密钥生成的不可预测的比特流取代，对于非授权接收机而言，其信号与噪声不可区分。　　伽利略商业服务的挑战之一是其必须与其他用户分享射频频谱。1240-1300MHz频段目前被多种应用所占用，要保持与其中某些应用的兼容性，如航空和地面军用雷达或业余爱好者的电台，可能要求进行合作，在靠近这些系统的地基发射器的地方降低干扰。　　除这些应用外，E6频段还被空间研究和基于卫星的地球探索界所占用。利用真实信号开展的早期的商业服务测试表明，当周边无干扰信号时，性能令人满意；但是在发射器附近会遭受到严重干扰。　　欧盟正在采取措施，最大程度地利用E6频段开展星基无线电导航服务，未来几年还将进一步加大与电信管理部门以及用户界的探讨，同时并行开展伽利略商业服务希望提供的高精度和认证服务方面的试验。　　（一）高精度服务　　高精度通常可理解为定位精度为厘米级。提供高精度服务主要采用两种方法：实时动态定位（RTK）和精密单点定位（PPP）。PPP相对于RTK的主要优势在于，无需在附近设置参考站，即可提供全球绝对定位和授时服务。　　伽利略的E6-B信道非常适合传送PPP信息。多种分析表明，每颗卫星的可用速率为448bps，允许以提供厘米级精度所需的足够的更新率发送卫星轨道和时钟数据。　　（二）扩展码加密　　GNSS信号由于功率低，很容易受到干扰，此外由于缺少认证，还非常容易被特定设备“欺骗”。因此，保护GNSS已经成为GNSS领域一个重要主题。除采取技术和管理措施外，GNSS信号允许授权的这一特点无疑也成为确保位置安全的一个重要因素。　　伽利略是向民用领域提供授权服务的一个很好备选项，原因有两点：一是伽利略的E6-B和E6-C信号扩展码可以加密，可以为带有加密密钥的接收机（或者服务器-接收机架构）提供扩展码授权。此外，密钥不用于军事用途也意味着可以在特定条件下与特定用户共享，提供更多的灵活性；二是E6-B和E1-B频段的伽利略信号的可用带宽允许发送授权和再加密数据，同时确保具备完全的后向兼容性。　　（三）导航电文授权　　如前所述，伽利略商业服务的目标不仅仅是获得商业回报。除接入受控的基于E6的授权服务外，伽利略正试图提供一种开放的导航电文授权（NMA）服务。这后一种服务可能利用E1信号通过与E6-B相似的架构进行数据发送。　　四、伽利略商业服务体系结构　　如前所述，伽利略商业服务的设计必须尽可能尊重当前的伽利略核心系统基础设施。为达到这一要求，商业服务将通过已经建造的植入核心系统的外部接口来提供。这一模式一旦获得官方认可，将提供极大的灵活性，并且很好地契合伽利略之前所宣称的是一种服务于民用领域的民用系统的前提。　　伽利略商业服务体系结构的商业服务数据发送过程，包括以下步骤：数据由外部源生成，例如，高精度服务提供商利用其自有监测站网络生成。这些数据进行格式化，然后发送到欧洲GNSS服务中心（GSC），该中心位于西班牙。　　欧洲GNSS服务中心确保数据的完好性和授权性，并在进行必要的安全认证后，将数据中继转发给负责运营的伽利略地面控制中心（GCC），该中心位于德国或意大利福奇诺。　　伽利略地面控制中心负责将商业服务数据整合到包含所有其他任务和导航数据的电文中，并将其发送给5个上行链路站（ULS），它们分别位于帕皮提（法属波利尼西亚）、库鲁（法属圭亚那）、斯瓦尔巴特群岛（挪威）、留尼旺岛（法属）和努美阿（法属新喀里多尼亚岛），然后再发送给卫星。　　在每一个上行链路站，指向伽利略卫星的上行链路天线发送数据。目前每个站有2副天线可用，以后还可能部署更多。只有上行链路站天线指向的卫星才能发送实时数据，因此，上行链路站之间的相互连接也是驱动商业服务性能提升的因素之一。　　每一颗与地面相连接的卫星接收其448比特的数据页，并将其整合到E6-B数据结构中。用户和全球地面监测站接收带有商业服务数据的信号，至此整个过程形成闭环。　　根据《伽利略开放服务空间信号接口控制文件》，这一模式不仅允许在E6-B频段发送商业服务数据，而且可以在E1 I/NAV“保留1”区域发送数据。

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