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航空航天

Aerospace

 在现代航空、航天和军事领域中,精密时间/频率和应用对它们的电子系统具有很大的影响,时间/频率是航空航天和军事领域中所有电子装备需要的基本功能,基于精密的时间/频率,在这些领域中有很多重要的应用,如导航、通信等方面。

 目前精密时间和频率应用主要围绕四个方面:

  (1)时间尺度的产生和保持

  (2)精密时间频率的发播系统

  (3)平台内和局部地区的分配系统

  (4)平台和系统内的用户。用户平台包含舰船、潜艇、飞机、陆地移动单元和固定站部分(如机场)。

 本阶段主要对精密时间频率的发播系统进行了阐述。

 一、时间尺度

在航空和军事系统中采用的时间尺度为UTC。在军用系统中采用并广泛应用铯频标为主频标。各国一般采用地方UTC,用UTC(XYZ)表示,其中XYZ为产生和保持时间尺度的中心和实验室,如美国采用UTC(USNO),中国采用UTC(NTSC)。

 二、发播系统

 在航空和军事系统中时间发播系统都是为导航和通信开发的典型系统,通常都有它们自己的时间基准或时间尺度。从发播系统得到的参考时间如用户要求的精密时间或频率是整个时间体系结构的基础。

 目前采用的发播系统主要有以下几种:

 1. GPS系统

 GPS是一个空间无线电导航系统,它由国防部发展和运行,由GPS执行委员会(Interagency GPS Executive  Board)管理。  GPS提供两级服务-标准定位服务(SPS)和精确定位服务(PPS),SPS在L1频率上使用粗码即(C/A)码,PPS在L1和L2频率上使用精码即P码。PPS被限制为美国军方、美国联邦局和一些盟国军方和政府使用。这些限制是基于国家安全的考虑。SPS对所有用户可用,它提供一个连续的世界范围的免费服务。美国政府已经决定对GPS增加两个额外的码信号。(The U.S. Government has determined that  two additional coded signals are essential for certain uses of GPS.)第二个民用信号将加在GPS L2频率(1227.60 MHz)。第三个民用信号将加在1176.45MHz频率,这个信号可满足关键的关乎生命安全的应用的需求如民航等,这个民用频率定为L5 。这项服务的主要用户是航空应用。非增强型GPS服务作为主要系统用在海洋和远程空间的应用上。GPS将被增强来满足民用对准确度、覆盖范围、可用性、连续性和完整性的要求。

 全球定位系统(GPS),其全称是定时和测距的导航卫星(Navstar—Navigation System Timing and Ranging),意为用来授时和测距的导航系统。GPS由美国国防部负责研制,1973年开始方案论证,1993年12月8日宣布达到初始运行能力(IOC),1995年4月27日宣布达到全运行能力(FOC),是继阿波罗登月和航天飞机之后的第三大航天工程。

 GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三大部分组成。空间部分为GPS卫星星座,由24颗GPS导航星组成,分布在6个轨道平面上,轨道倾角55度。地面测控部分由五个地面监测站、三个数据注入站和一个主控站组成。主控站昼不停地自动分析处理来自各监测站的数据,并导出各项修正数据,然后把这些修正数据传送到数据注入站,由注入站再把这些修正数据分别发送给相应的卫星。用户设备主要是各类GPS接收机及其他必要的辅助设备(如GPS信号模拟器)。

 GPS信号具有全球覆盖、全天候工作、昼夜连续而实时地为无限多的用户提供高精度七维信息(三维位置、三维速度和精密时间)的能力。一般来说,GPS的实时导航定位精度可优于10m;大地测量事后处理的定位精度可达毫米量级;测速精度可优于0.01m/s;时间传递或时间同步精度可达1ns。

 2. GPS增强系统(Augmentations to  GPS)

 海事差分GPS服务(Maritime Differential  GPS Service (MDGPS))

 美国海岸警卫队海事DGPS服务通过使用岸基参考站传递改正信息提高了GPS的准确度和完整性(integrity)。(It provides service  for coastal coverage of the continental U.S., the Great Lakes, Puerto Rico,  portions of Alaska and Hawaii, and portions of the Mississippi River  Basin.)海事DGPS使用固定的GPS参考站广播伪距改正信息,并用无线电导航信标(radionavigation  radiobeacons)来提供GPS完整性信息。  海事DGPS服务在美国港口入口和附近区域提供优于10米(2drms)的导航准确度。该系统运行在国际电联(ITU)和无线电技术海事服务委员会的标准下,而且已建立40多个海事站。   

 国家差分GPS (Nationwide  Differential GPS (NDGPS))

 美国将海事DGPS服务扩展到覆盖美国所有地面区域来满足地面用户的需求。国家差分GPS由交通部授权建立。这项服务将对美国大陆提供统一的差分GPS覆盖。该服务和MDGPS一起对地面和海上用户提供了一个高可靠性的GPS完整性功能。NDGPS的准确度在10米或更好。典型的系统性能是在广播站附近可达到优于1米。可得到的准确度当距广播站的距离每增加150公里时降低1米。当NDGPS服务提供美国大陆的双重覆盖时就可以达到全运行能力(FOC)。根据当前的情况,FOC预计在2007年底可实现。  

 广域增强系统(Wide Area  Augmentation System (WAAS))

 广域增强系统是联邦航空局(FAA)发展的星基GPS增强系统,该系统用来对国家航空系统(NAS)中所有的飞行阶段提供横向和纵向的导航,但不包含第二类和第三类精密进场服务。WAAS主要为航空用户设计,它提供一个空中信号使WAAS用户能够通过飞行的精确进场阶段中进行导航。这个空中信号提供三个服务:(1)GPS和地球同步卫星(GEO)的完整数据,(2)提供GPS和GEO卫星的差分改正信息来改善准确度,(3)提供测距能力来提高可用性和连续性。FAA在2000年8月宣布WAAS将连续广播差分改正信息,并对无关生命安全的应用可用。WAAS作为一个导航的补充手段,它对安全性应用的初始运行能力(IOC)预计在2003年开始。WAAS完整性和性能小组(WIPP)建议,在取得IOC后,WAAS可以持续改进来扩大覆盖范围、提高非精确进场应用和区域导航(RNAV)的可用性、提高信号冗余性、减少运行限制、支持精确进场。最后,为了提高性能,一个关键的建议是当新的GPS  L5(1176.45)民用信号可以提供强健的(robust)、抗干扰的可用服务给装备有L5接收机的用户时,使用这个民用信号。这种改进的结果将使国家航空系统中装备有WAAS航空电子设备的飞机得到所有飞行阶段的导航,不包含2类和3类精密方法。(The result of these  incremental improvements will enable aircraft equipped with WAAS avionics to  execute all phases of flight in the NAS except Category II and III precision  approaches.) 

 局域增强系统(Local Area  Augmentation System (LAAS))

 LAAS是一个由FAA发展的地基GPS增强系统,用来提供对II类和III类精确进场着陆驾驶(Category II and III  precision approaches)要求的准确度(accuracy)、完整性(integrity)和可用性(availability),还提高I类服务(Category I  services)的可用性。LAAS  还可以用来支持并行跑道操作(parallel runway operations),跑道越界报警(runway incursion  warnings),高速回避(high- speed turnoffs), missed approaches, 起飞(departures),  vertical takeoffs and surface operations. LAAS也将支持区域导航(RNAV)  操作。LAAS通过VHF数据广播向用户提供差分改正来增强GPS。在那些安装了I类LAAS地面设施的机场,飞机将能进行精密服务和RNAV操作。预计在2003年I类LAAS的第一个联邦系统将安装完成。目前进行的研究和规划进展是为了支持II类和III类LAAS。计划在2006年使用II类和III类LAAS系统。  

 3.GLONASS系统

 GLONASS是前苏联紧跟美国GPS空间计划平行发展的。1982年10月2日,前苏联有空间部队在拜哈努尔发射了第一颗GLONASS卫星。自那时起,经过了13年的风尘周折,虽遭遇了前苏联的解体,但始终没有中断和停止GLONASS卫星的发射,并维持每年发射3-9颗卫星的水平。截止1995年底,一共发射了73颗卫星。但由于GLONASS卫星寿命较短,和近几年俄罗斯经济不景气,目前正常工作的卫星只有7颗。  

 和俄罗斯大多数卫星一样,GLONASS卫星是一个后部安装有效负荷和两侧装有太阳能帆板的近似圆柱体的耐压货舱。卫星本体重1400kg。后部仓安装有2个L波段的主发射天线。频率范围为1246~1257MHz和1603~1616MHz。耐压货舱装有电子系统、温度控制系统、跟踪和遥测系统、姿态控制系统以及其他辅助系统。这些子系统保证卫星内部的温度、湿度、气压处于良好状态,保证仪器工作的正常环境。  

 GLONASS系统由24颗卫星组成,它们均匀分布在3个轨道平面上,每个平面上分布8颗卫星。轨道倾角为64.8度,轨道平面相互间隔120度。  

 GLONASS系统的支撑系统有地面上的5个跟踪站和9个监测站组成,提供着GLONASS卫星的导航电文。

 GLONASS系统与GPS系统极为相似。主要区别在于,前者采用码分制,后者采用频分制,即每颗卫星采用不同的射电频率。  此外,GLONASS采用的C/A码长度比GPS的C/A码短一半,而码率是GPSC/A码的1/2。GPS的星历数据是用轨道的开普勒根数给出,根据星历计算卫星WGS84坐标系中的直角坐标和速度分量,而GLONASS的星历是直接用直角坐标和速度分量表示。

 4. 罗兰-C和奥米加(Omega)系统

 罗兰-C和奥米加分别是低频段(100kHz)和甚低频段(10~14kHz)含标准时间频率信息的双曲线导航、定位系统。它们的作用距离大,覆盖面广,导航、定位精度高,在全球范围内得到广泛应用。  

 罗兰-C是低频、脉冲式的双曲线无线电导航与定位系统,它是在40年代由美国麻省理工学院应美国陆军的要求而研制的。当时要求是能全天候导引飞机,能远距离工作(离发射台926km),并且在一万多米的高空也能收到信号。首批布站83个,称作罗兰-A,主要在太平洋地区,覆盖了北大西洋、北太平洋、北海和墨哥墨西哥湾。两个站发射相同频率的信号,用户据此可确定自己的位置,精度可达到2.8km/926km,12.9~3.7km/  2222.4km。战后美国海岸警卫队把它的应用扩展到海上导航。罗兰-A由于其台站的过时和维持费用的增加,在1980年退出使用,在改善的基础上研制了罗兰-B,罗兰-B使用3个台发射相同的频率信号,本想为港口和海湾提供精密导航,由于技术上的原因阻碍了其发展,1958年,罗兰-C投入使用。罗兰-C是一种远距离(1850km)、低频(100kHz)的双曲线无线电导航系统,它使用两个同步发射器信号到达的时间差来定位。较低的频率允许地波沿地球表面曲面传播较远的距离,多脉冲允许接收机把天波与地波区分开来。根据不同的几何条件、接收机测时精度及传播条件,罗兰-C可以提供100~200m的精度。在60年代中期,美国空军开始研制罗兰-D,它是C型的一种短距、战术型的版本,作用距离限制在1100km。  

 奥米加是一种远距、全球、全天候、昼夜工作的无线电导航系统。奥米加的概念在40年代后期由Pierce教授提出。它由8个发射台网组成,工作在甚低频段。用户应至少收到3  站的信号,作用距离为14816km。8个台以精确的时间和间隔发射信号,因此采用了铯钟作发射台同步。

 奥米加用户有商用航线,船只和陆地车辆,与罗兰一样,也是一种双曲线、甚低频导航系统。由于奥米加工作在10~14kHz,可认为传播是在地球和电离层形成的球波导内进行。

 导航信息以伪距(伪相位)的形式由至少3个台获得。接收到的两个信号的相位差关系定义一个位置线,两个或多个位置线定义了接收机位置,其定位精度白天1.85~3.70km;夜间3.70~7.40km。另外,还与用户的几何位置,所用的台,传播修正精度,日或夜,接收机性能等有关。对奥米加精度的改进的一种方法是差分模式,其基本原理与后面将要介绍的GPS差分相同,能消除相关误差。奥米加系统是一种相对精确的远距导航系统,它可单独使用,也可作为其他导航辅助手段,在军用和商用航线上许多飞机都采用。由于差分奥米加更高的精度,它在飞机终端和进近导航,船只的海岸和港口导航,军事应用如空中加油、精确投放等方面得到广泛应用。  

 5.VOR/DME系统

 VOR/DME在NAS中向用户提供一种空中导航的方法。VOR作为低频无线电测距的替换来提供一个飞机到VOR发射机的方向,搭配的DME提供飞机到DME发射机的距离。 VOR/DME在向星基导航转移中将继续对飞行的非精确进场阶段提供导航服务。FAA基于途中导航和进场测量中降低了对VOR/DME的使用,计划削减NAS中提供的VOR/DME服务。当前的VOR/DEM网络将被保持到2010年,使航空用户能够在飞机上装备WAAS航空电子设备,并熟悉系统。从2010年开始将缩小VOR/DME网络,直到它成为一个基本的后备网络。

 6.TACAN系统

 TACAN是一个应用于岸上和海上军事服务的战术空中导航系统,并且它还是VOR/DME对应的军用部分。TACAN是一个UHF 无线电导航系统,它通过搭配的方位和DME天线提供方位和距离信息。TACAN主要和民用VOR站搭配在一起(VORTAC设备),这样使军用飞机能够在NAS中运行并且向民用用户提供DME信息。TACAN的方位服务主要针对军用用户而DME对军用和民用用户都服务。国防部要求陆基TACAN继续使用直到飞机和GPS很好地结合起来,并且GPS被赞同用于国家和国际空间的所有操作。由于传输特性和辐射功率,TACAN被限制在视线范围,在高处大约可达到180英里。和VOR/DME相同,地基TACAN设备的位置必须特别考虑,尤其在山区,视线覆盖有限,它的位置要特别考虑。

 7.精确进场系统(Precision Approach Systems)

 仪表着陆系统(Instrument Landing System (ILS))在美国是支持精确进场的主导系统。并且ILS是国际上的标准民用精确进场系统,并受国际民用航空组织(ICAO)协议保护直到2010年1月1日。ILS在飞机进场和着陆中向飞机提供精确的垂直和横向导航(指导)信息。在最后降落到跑道的点确定后,相关的信标或DME设备指示出最终进场坐标位置。随着基于GPS的精确进场系统(WAAS/LAA S)的出现,ILS的作用将会减弱。ILS系统的逐步淘汰将从今天全覆盖网络转变到一个基本的后备网络。不过ILS会继续用来在主要航空站提供精确进场服务。I类ILS的淘汰预计在2010年开始,而新的高级的II类和III类精确进场要求将由ILS完成直到LAAS系统可用。