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航空航天

Aerospace

 在現代航空、航天和軍事領域中,精密時間/頻率和應用對它們的電子系統具有很大的影響,時間/頻率是航空航天和軍事領域中所有電子裝備需要的基本功能,基于精密的時間/頻率,在這些領域中有很多重要的應用,如導航、通信等方面。

 目前精密時間和頻率應用主要圍繞四個方面:

  (1)時間尺度的產生和保持

  (2)精密時間頻率的發播系統

  (3)平臺內和局部地區的分配系統

  (4)平臺和系統內的用戶。用戶平臺包含艦船、潛艇、飛機、陸地移動單元和固定站部分(如機場)。

 本階段主要對精密時間頻率的發播系統進行了闡述。

 一、時間尺度

在航空和軍事系統中采用的時間尺度為UTC。在軍用系統中采用并廣泛應用銫頻標為主頻標。各國一般采用地方UTC,用UTC(XYZ)表示,其中XYZ為產生和保持時間尺度的中心和實驗室,如美國采用UTC(USNO),中國采用UTC(NTSC)。

 二、發播系統

 在航空和軍事系統中時間發播系統都是為導航和通信開發的典型系統,通常都有它們自己的時間基準或時間尺度。從發播系統得到的參考時間如用戶要求的精密時間或頻率是整個時間體系結構的基礎。

 目前采用的發播系統主要有以下幾種:

 1. GPS系統

 GPS是一個空間無線電導航系統,它由國防部發展和運行,由GPS執行委員會(Interagency GPS Executive  Board)管理。  GPS提供兩級服務-標準定位服務(SPS)和精確定位服務(PPS),SPS在L1頻率上使用粗碼即(C/A)碼,PPS在L1和L2頻率上使用精碼即P碼。PPS被限制為美國軍方、美國聯邦局和一些盟國軍方和政府使用。這些限制是基于國家安全的考慮。SPS對所有用戶可用,它提供一個連續的世界范圍的免費服務。美國政府已經決定對GPS增加兩個額外的碼信號。(The U.S. Government has determined that  two additional coded signals are essential for certain uses of GPS.)第二個民用信號將加在GPS L2頻率(1227.60 MHz)。第三個民用信號將加在1176.45MHz頻率,這個信號可滿足關鍵的關乎生命安全的應用的需求如民航等,這個民用頻率定為L5 。這項服務的主要用戶是航空應用。非增強型GPS服務作為主要系統用在海洋和遠程空間的應用上。GPS將被增強來滿足民用對準確度、覆蓋范圍、可用性、連續性和完整性的要求。

 全球定位系統(GPS),其全稱是定時和測距的導航衛星(Navstar—Navigation System Timing and Ranging),意為用來授時和測距的導航系統。GPS由美國國防部負責研制,1973年開始方案論證,1993年12月8日宣布達到初始運行能力(IOC),1995年4月27日宣布達到全運行能力(FOC),是繼阿波羅登月和航天飛機之后的第三大航天工程。

 GPS系統由空間部分、地面測控部分和用戶設備三大部分組成。空間部分為GPS衛星星座,由24顆GPS導航星組成,分布在6個軌道平面上,軌道傾角55度。地面測控部分由五個地面監測站、三個數據注入站和一個主控站組成。主控站晝不停地自動分析處理來自各監測站的數據,并導出各項修正數據,然后把這些修正數據傳送到數據注入站,由注入站再把這些修正數據分別發送給相應的衛星。用戶設備主要是各類GPS接收機及其他必要的輔助設備(如GPS信號模擬器)。

 GPS信號具有全球覆蓋、全天候工作、晝夜連續而實時地為無限多的用戶提供高精度七維信息(三維位置、三維速度和精密時間)的能力。一般來說,GPS的實時導航定位精度可優于10m;大地測量事后處理的定位精度可達毫米量級;測速精度可優于0.01m/s;時間傳遞或時間同步精度可達1ns。

 2. GPS增強系統(Augmentations to  GPS)

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

 美國海岸警衛隊海事DGPS服務通過使用岸基參考站傳遞改正信息提高了GPS的準確度和完整性(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參考站廣播偽距改正信息,并用無線電導航信標(radionavigation  radiobeacons)來提供GPS完整性信息。  海事DGPS服務在美國港口入口和附近區域提供優于10米(2drms)的導航準確度。該系統運行在國際電聯(ITU)和無線電技術海事服務委員會的標準下,而且已建立40多個海事站。   

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

 美國將海事DGPS服務擴展到覆蓋美國所有地面區域來滿足地面用戶的需求。國家差分GPS由交通部授權建立。這項服務將對美國大陸提供統一的差分GPS覆蓋。該服務和MDGPS一起對地面和海上用戶提供了一個高可靠性的GPS完整性功能。NDGPS的準確度在10米或更好。典型的系統性能是在廣播站附近可達到優于1米。可得到的準確度當距廣播站的距離每增加150公里時降低1米。當NDGPS服務提供美國大陸的雙重覆蓋時就可以達到全運行能力(FOC)。根據當前的情況,FOC預計在2007年底可實現。  

 廣域增強系統(Wide Area  Augmentation System (WAAS))

 廣域增強系統是聯邦航空局(FAA)發展的星基GPS增強系統,該系統用來對國家航空系統(NAS)中所有的飛行階段提供橫向和縱向的導航,但不包含第二類和第三類精密進場服務。WAAS主要為航空用戶設計,它提供一個空中信號使WAAS用戶能夠通過飛行的精確進場階段中進行導航。這個空中信號提供三個服務:(1)GPS和地球同步衛星(GEO)的完整數據,(2)提供GPS和GEO衛星的差分改正信息來改善準確度,(3)提供測距能力來提高可用性和連續性。FAA在2000年8月宣布WAAS將連續廣播差分改正信息,并對無關生命安全的應用可用。WAAS作為一個導航的補充手段,它對安全性應用的初始運行能力(IOC)預計在2003年開始。WAAS完整性和性能小組(WIPP)建議,在取得IOC后,WAAS可以持續改進來擴大覆蓋范圍、提高非精確進場應用和區域導航(RNAV)的可用性、提高信號冗余性、減少運行限制、支持精確進場。最后,為了提高性能,一個關鍵的建議是當新的GPS  L5(1176.45)民用信號可以提供強健的(robust)、抗干擾的可用服務給裝備有L5接收機的用戶時,使用這個民用信號。這種改進的結果將使國家航空系統中裝備有WAAS航空電子設備的飛機得到所有飛行階段的導航,不包含2類和3類精密方法。(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.) 

 局域增強系統(Local Area  Augmentation System (LAAS))

 LAAS是一個由FAA發展的地基GPS增強系統,用來提供對II類和III類精確進場著陸駕駛(Category II and III  precision approaches)要求的準確度(accuracy)、完整性(integrity)和可用性(availability),還提高I類服務(Category I  services)的可用性。LAAS  還可以用來支持并行跑道操作(parallel runway operations),跑道越界報警(runway incursion  warnings),高速回避(high- speed turnoffs), missed approaches, 起飛(departures),  vertical takeoffs and surface operations. LAAS也將支持區域導航(RNAV)  操作。LAAS通過VHF數據廣播向用戶提供差分改正來增強GPS。在那些安裝了I類LAAS地面設施的機場,飛機將能進行精密服務和RNAV操作。預計在2003年I類LAAS的第一個聯邦系統將安裝完成。目前進行的研究和規劃進展是為了支持II類和III類LAAS。計劃在2006年使用II類和III類LAAS系統。  

 3.GLONASS系統

 GLONASS是前蘇聯緊跟美國GPS空間計劃平行發展的。1982年10月2日,前蘇聯有空間部隊在拜哈努爾發射了第一顆GLONASS衛星。自那時起,經過了13年的風塵周折,雖遭遇了前蘇聯的解體,但始終沒有中斷和停止GLONASS衛星的發射,并維持每年發射3-9顆衛星的水平。截止1995年底,一共發射了73顆衛星。但由于GLONASS衛星壽命較短,和近幾年俄羅斯經濟不景氣,目前正常工作的衛星只有7顆。  

 和俄羅斯大多數衛星一樣,GLONASS衛星是一個后部安裝有效負荷和兩側裝有太陽能帆板的近似圓柱體的耐壓貨艙。衛星本體重1400kg。后部倉安裝有2個L波段的主發射天線。頻率范圍為1246~1257MHz和1603~1616MHz。耐壓貨艙裝有電子系統、溫度控制系統、跟蹤和遙測系統、姿態控制系統以及其他輔助系統。這些子系統保證衛星內部的溫度、濕度、氣壓處于良好狀態,保證儀器工作的正常環境。  

 GLONASS系統由24顆衛星組成,它們均勻分布在3個軌道平面上,每個平面上分布8顆衛星。軌道傾角為64.8度,軌道平面相互間隔120度。  

 GLONASS系統的支撐系統有地面上的5個跟蹤站和9個監測站組成,提供著GLONASS衛星的導航電文。

 GLONASS系統與GPS系統極為相似。主要區別在于,前者采用碼分制,后者采用頻分制,即每顆衛星采用不同的射電頻率。  此外,GLONASS采用的C/A碼長度比GPS的C/A碼短一半,而碼率是GPSC/A碼的1/2。GPS的星歷數據是用軌道的開普勒根數給出,根據星歷計算衛星WGS84坐標系中的直角坐標和速度分量,而GLONASS的星歷是直接用直角坐標和速度分量表示。

 4. 羅蘭-C和奧米加(Omega)系統

 羅蘭-C和奧米加分別是低頻段(100kHz)和甚低頻段(10~14kHz)含標準時間頻率信息的雙曲線導航、定位系統。它們的作用距離大,覆蓋面廣,導航、定位精度高,在全球范圍內得到廣泛應用。  

 羅蘭-C是低頻、脈沖式的雙曲線無線電導航與定位系統,它是在40年代由美國麻省理工學院應美國陸軍的要求而研制的。當時要求是能全天候導引飛機,能遠距離工作(離發射臺926km),并且在一萬多米的高空也能收到信號。首批布站83個,稱作羅蘭-A,主要在太平洋地區,覆蓋了北大西洋、北太平洋、北海和墨哥墨西哥灣。兩個站發射相同頻率的信號,用戶據此可確定自己的位置,精度可達到2.8km/926km,12.9~3.7km/  2222.4km。戰后美國海岸警衛隊把它的應用擴展到海上導航。羅蘭-A由于其臺站的過時和維持費用的增加,在1980年退出使用,在改善的基礎上研制了羅蘭-B,羅蘭-B使用3個臺發射相同的頻率信號,本想為港口和海灣提供精密導航,由于技術上的原因阻礙了其發展,1958年,羅蘭-C投入使用。羅蘭-C是一種遠距離(1850km)、低頻(100kHz)的雙曲線無線電導航系統,它使用兩個同步發射器信號到達的時間差來定位。較低的頻率允許地波沿地球表面曲面傳播較遠的距離,多脈沖允許接收機把天波與地波區分開來。根據不同的幾何條件、接收機測時精度及傳播條件,羅蘭-C可以提供100~200m的精度。在60年代中期,美國空軍開始研制羅蘭-D,它是C型的一種短距、戰術型的版本,作用距離限制在1100km。  

 奧米加是一種遠距、全球、全天候、晝夜工作的無線電導航系統。奧米加的概念在40年代后期由Pierce教授提出。它由8個發射臺網組成,工作在甚低頻段。用戶應至少收到3  站的信號,作用距離為14816km。8個臺以精確的時間和間隔發射信號,因此采用了銫鐘作發射臺同步。

 奧米加用戶有商用航線,船只和陸地車輛,與羅蘭一樣,也是一種雙曲線、甚低頻導航系統。由于奧米加工作在10~14kHz,可認為傳播是在地球和電離層形成的球波導內進行。

 導航信息以偽距(偽相位)的形式由至少3個臺獲得。接收到的兩個信號的相位差關系定義一個位置線,兩個或多個位置線定義了接收機位置,其定位精度白天1.85~3.70km;夜間3.70~7.40km。另外,還與用戶的幾何位置,所用的臺,傳播修正精度,日或夜,接收機性能等有關。對奧米加精度的改進的一種方法是差分模式,其基本原理與后面將要介紹的GPS差分相同,能消除相關誤差。奧米加系統是一種相對精確的遠距導航系統,它可單獨使用,也可作為其他導航輔助手段,在軍用和商用航線上許多飛機都采用。由于差分奧米加更高的精度,它在飛機終端和進近導航,船只的海岸和港口導航,軍事應用如空中加油、精確投放等方面得到廣泛應用。  

 5.VOR/DME系統

 VOR/DME在NAS中向用戶提供一種空中導航的方法。VOR作為低頻無線電測距的替換來提供一個飛機到VOR發射機的方向,搭配的DME提供飛機到DME發射機的距離。 VOR/DME在向星基導航轉移中將繼續對飛行的非精確進場階段提供導航服務。FAA基于途中導航和進場測量中降低了對VOR/DME的使用,計劃削減NAS中提供的VOR/DME服務。當前的VOR/DEM網絡將被保持到2010年,使航空用戶能夠在飛機上裝備WAAS航空電子設備,并熟悉系統。從2010年開始將縮小VOR/DME網絡,直到它成為一個基本的后備網絡。

 6.TACAN系統

 TACAN是一個應用于岸上和海上軍事服務的戰術空中導航系統,并且它還是VOR/DME對應的軍用部分。TACAN是一個UHF 無線電導航系統,它通過搭配的方位和DME天線提供方位和距離信息。TACAN主要和民用VOR站搭配在一起(VORTAC設備),這樣使軍用飛機能夠在NAS中運行并且向民用用戶提供DME信息。TACAN的方位服務主要針對軍用用戶而DME對軍用和民用用戶都服務。國防部要求陸基TACAN繼續使用直到飛機和GPS很好地結合起來,并且GPS被贊同用于國家和國際空間的所有操作。由于傳輸特性和輻射功率,TACAN被限制在視線范圍,在高處大約可達到180英里。和VOR/DME相同,地基TACAN設備的位置必須特別考慮,尤其在山區,視線覆蓋有限,它的位置要特別考慮。

 7.精確進場系統(Precision Approach Systems)

 儀表著陸系統(Instrument Landing System (ILS))在美國是支持精確進場的主導系統。并且ILS是國際上的標準民用精確進場系統,并受國際民用航空組織(ICAO)協議保護直到2010年1月1日。ILS在飛機進場和著陸中向飛機提供精確的垂直和橫向導航(指導)信息。在最后降落到跑道的點確定后,相關的信標或DME設備指示出最終進場坐標位置。隨著基于GPS的精確進場系統(WAAS/LAA S)的出現,ILS的作用將會減弱。ILS系統的逐步淘汰將從今天全覆蓋網絡轉變到一個基本的后備網絡。不過ILS會繼續用來在主要航空站提供精確進場服務。I類ILS的淘汰預計在2010年開始,而新的高級的II類和III類精確進場要求將由ILS完成直到LAAS系統可用。

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