+ 劉天雄

衛(wèi)星課堂

GPS現(xiàn)代化及其影響（上）

+ 劉天雄

第二十一講

圖1 GPS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS用戶測距誤差URE值的變化趨勢

1.概述

1978年2月22日，第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星BLOCK-I成功發(fā)射，標(biāo)志著GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程研制階段。1989年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星BLOCK-II成功發(fā)射，宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入了組網(wǎng)階段。1995年美國國防部宣布GPS系統(tǒng)提供完全運(yùn)行服務(wù)FOC（Full Operational Capability），利用L1 C/A碼信號為民用用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS（Standard Positioning Service），利用L1 P(Y)碼信號和L2 P(Y)碼信號為授權(quán)用戶提供精密定位服務(wù)PPS（Precise Positioning Service）。

GPS系統(tǒng)的定位精度超過了已公開發(fā)布的ICD（接口控制）文件指標(biāo)要求已是不爭的事實(shí)，根據(jù)斯坦福GPS計(jì)劃升級研討會文集（2010年11月9日），美國空軍GPS聯(lián)隊(duì)的Bernard Gruber上校提交的報(bào)告，1994年精密定位服務(wù)（PPS）空間導(dǎo)航信號的用戶測距誤差（URE）的均方根值為3m，2006年精密定位服務(wù)空間導(dǎo)航信號的用戶測距誤差（URE）的均方根值已優(yōu)于1m，GPS精密定位服務(wù)空間導(dǎo)航信號的用戶測距誤差URE的均方根值呈逐年下降趨勢，如圖1所示，

但是，GPS系統(tǒng)的服務(wù)特性不僅包括定位精度，同時也包括覆蓋范圍、完好性、連續(xù)性、可用性以及可負(fù)擔(dān)性，這些性能是時間和空間的函數(shù)。特別是當(dāng)GPS播發(fā)的空間信號不能用于定位和授時的時候，系統(tǒng)應(yīng)及時向用戶告警。例如，民航飛機(jī)盲降（CAT III）對GPS系統(tǒng)的完好性要求為，當(dāng)水平（垂直）定位誤差超過15 m（10 m）而GPS系統(tǒng)未能在2 s內(nèi)告警的概率低于10-9/每次進(jìn)近（詳見國際民航組織國際公約附件10卷1）。

GPS系統(tǒng)作為軍民兩用系統(tǒng)，隨著GPS應(yīng)用的不斷深入，GPS系統(tǒng)存在一些問題影響了GPS系統(tǒng)的效能，其一是是GPS導(dǎo)航信號功率微弱，容易受到干擾，安全性較差，使用不完全可控；其二是星歷有效期短而且外推精度低，地面運(yùn)控系統(tǒng)需要每天更新星歷與星鐘數(shù)據(jù)；其三是在載波相位測量中，L2載波信號重建需要依賴L1信號；其四是單一采用L1 C/A 碼導(dǎo)航信號進(jìn)行偽距測量的單點(diǎn)定位精度較低，難以滿足測繪等高精度用戶的需求；其五是軍用P（Y）碼信號的捕獲需要利用C/A碼信號引導(dǎo)，例如，L1 C/A 碼信號與L1 P（Y）碼信號中心頻點(diǎn)（1575.42MHz）一致，只是帶寬不同，如圖2所示，如果C/A 碼信號受到干擾時，那么一定也會影響P（Y）碼信號的捕獲，P（Y）碼信號捕獲的非獨(dú)立性影響了戰(zhàn)時軍用P（Y）碼信號的效能，這種情況是美國軍方所不期望看到的，為了保證美軍及其盟友在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中定位、導(dǎo)航和授時應(yīng)用的絕對優(yōu)勢，美國國防部（DOD）啟動了“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃。

“GPS現(xiàn)代化”的目標(biāo)是保護(hù)和改善GPS系統(tǒng)，在技術(shù)上設(shè)防，阻止敵方使用GPS系統(tǒng)。“GPS現(xiàn)代化”的措施是通過增加GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號功率，以增強(qiáng)抗電子干擾能力；增加新的軍用M碼，同時與民碼分開等措施實(shí)現(xiàn)軍用導(dǎo)航現(xiàn)代化（六個軍用信號），在沖突地區(qū)可以拒止敵方使用GPS系統(tǒng)。通過增加民用導(dǎo)航信號頻點(diǎn)（四個民用信號）實(shí)現(xiàn)民用導(dǎo)航現(xiàn)代化。

未來2020年前后，全球用戶將可以免費(fèi)接收美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國BDS以及歐洲GAILEO四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號，在民用和商業(yè)導(dǎo)航市場GPS系統(tǒng)將面臨其他系統(tǒng)的競爭，目前四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正積極研討L1頻點(diǎn)和未來L5頻點(diǎn)民用信號的兼容互操作協(xié)議，美國正積極以此為切入點(diǎn)，通過改善服務(wù)的完好性、連續(xù)性和可用性，實(shí)現(xiàn)民用導(dǎo)航現(xiàn)代化，提升GPS系統(tǒng)全球競爭力，并期望最終成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）標(biāo)準(zhǔn)的制定者。

圖2 GPS BLOCK-II/IIA衛(wèi)星信號頻譜（L1 C/A與L1 P（Y）碼信號共處L1頻點(diǎn)的中心頻帶）

2.GPS現(xiàn)代化策略

美國GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化策略是軍民導(dǎo)航信號分離，強(qiáng)化軍用導(dǎo)航信號使用。為軍用用戶提供新的授權(quán)信號（L1M、L2M），提高拒止敵方使用GPS系統(tǒng)的能力，進(jìn)一步提高軍用導(dǎo)航信號抗干擾能力。研發(fā)新一代軍用GPS接收機(jī)，提高GPS的抗干擾能力。同時為民用用戶提供新的導(dǎo)航信號（L2C、L5），利用雙頻信號補(bǔ)償電離層延遲誤差以提高定位解算精度。

在美國2000年的財(cái)政年度預(yù)算支持下（FY 2000），美國開始實(shí)施實(shí)施“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃，用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)改進(jìn)和完善GPS系統(tǒng)，主要涉及四方面內(nèi)容，一是為軍事和民用用戶提供新的導(dǎo)航信號（L1 C、L1 M 、L2 C、L2 M、L5），并使軍民信號頻譜分離；二是研制新的導(dǎo)航衛(wèi)星GPS-IIF，同時研發(fā)新一代導(dǎo)航衛(wèi)星GPS-III，衛(wèi)星發(fā)射信號功率可調(diào)整，即增強(qiáng)或視情關(guān)閉GPS發(fā)射信號，以防止GPS信號戰(zhàn)時受干擾或被他國利用；三是為了適應(yīng)新的導(dǎo)航信號以及對現(xiàn)代化BLOCK-IIF、GPS-III導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行控制，建設(shè)新一代地面運(yùn)行控制系統(tǒng)OCX，更新GPS地面測控設(shè)備，增加地面測控站的數(shù)量；采用新的數(shù)字接收機(jī)和計(jì)算機(jī)來更新專用的GPS監(jiān)測站和有關(guān)的地面天線；采用新的算法和軟件，提高測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與傳輸能力等；四是研制新一代軍用GPS接收機(jī)，提高GPS的抗干擾能力。

GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化以發(fā)射BLOCK ⅡR-M、BLOCKⅡF及BLOCK Ⅲ導(dǎo)航衛(wèi)星為標(biāo)志，要求新一代導(dǎo)航衛(wèi)星兼容上一代導(dǎo)航衛(wèi)星、逐步提升導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)能力（播發(fā)M碼信號、播發(fā)L2C信號、播發(fā)L5信號、提高信號功率等功能分步實(shí)施）、保持GPS星座穩(wěn)健、為用戶持續(xù)提供連續(xù)可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，GPS現(xiàn)代化三個階段主要內(nèi)容如表1所示。

表1 “GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃三個階段及主要內(nèi)容

3.GPS現(xiàn)代化進(jìn)程

在1996年美國總統(tǒng)文告PDD（Presidential Decision Directive）中首次提出了“GPS現(xiàn)代化”概念，1998年美國時任副總統(tǒng)戈?duì)栃奸_展“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃研究，1999年1月25日以美國總統(tǒng)文告PDD形式正式對外發(fā)布，目標(biāo)有兩個，一是加強(qiáng)GPS系統(tǒng)對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的是支撐和保障作用，二是通過對民用GPS導(dǎo)航技術(shù)的改進(jìn)，保持GPS系統(tǒng)在全球民用導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

圖3 GPS空間段和地面控制段并行同步現(xiàn)代化

圖4 GPS現(xiàn)代化現(xiàn)代進(jìn)程

GPS現(xiàn)代化涉及采購空間段Block IIR-M、Block IIF以及Block III系列現(xiàn)代化導(dǎo)航衛(wèi)星；升級改造現(xiàn)有地面運(yùn)行控制系統(tǒng)OCS（Operation Control System），包括結(jié)構(gòu)發(fā)展計(jì)劃AEP（Architecture Evolution Plan）以及高級運(yùn)行控制系統(tǒng)OCX（Advanced Control Segment），GPS現(xiàn)代化進(jìn)程中空間段和地面控制段并行同步建設(shè)，如圖3所示，

GPS空間段導(dǎo)航衛(wèi)星現(xiàn)代化進(jìn)程主要特點(diǎn)是逐步增加空間段衛(wèi)星系統(tǒng)能力，同步推進(jìn)地面運(yùn)行控制段和用戶段建設(shè)，不斷改善用戶服務(wù)水平，在推進(jìn)GPS全球定位系統(tǒng)現(xiàn)代化的過程中，分別以發(fā)射BLOCK ⅡR-M、BLOCK ⅡF及GPS Ⅲ導(dǎo)航衛(wèi)星為標(biāo)志，GPS現(xiàn)代進(jìn)程如圖4所示，

GPS現(xiàn)代化進(jìn)程大事記如下：

?1997年2月，美國國防部（DOD）和交通部（DOT）達(dá)成共識，GPS系統(tǒng)播發(fā)第二民用信號L2C；

?1998年3月，GPS聯(lián)合執(zhí)行委員會IGEB（Interagency GPS Executive Board）確定GPS系統(tǒng)播發(fā)兩種新的民用信號（第二民用信號L2C和第三民用信號L5）；

?1999年1月，美國國防部（DOD）宣布第三民用信號L5的中心頻點(diǎn)為1176.45 MHz；

?1999年2月，IGEB成立L5第三民用信號體制論證組，協(xié)調(diào)GPS聯(lián)合執(zhí)行委員會IGEB和航空無線電委員會RTCA（Radio Technical Commission for Aeronautics）之間的關(guān)系；

?1999年11月，IGEB完成立L5第三民用信號體制論證工作，建議L5信號功率比L1 C/A 碼信號最少高6 dB；L5信號碼速率為10.23 Mchip/second；

?2000年5月1日，美國總統(tǒng)克林頓宣布停止對GPS衛(wèi)星實(shí)施選擇可用性SA技術(shù)，一般民用用戶能夠獲得±23m（95%置信度）的平面位置定位精度，33m（95%置信度）的高程定位精度，200 nsec（95%置信度）的定時精度，一夜之間一般民用用戶的接收機(jī)定位精度提高了約10倍，標(biāo)志美國開始實(shí)施“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃；

?2004年12月，美國總統(tǒng)布什授權(quán)美國國家天基定位導(dǎo)航授時執(zhí)行委員會NSPNT（National Spacedbased Positioning, Navigation and Timing），頒布了美國國家天基定位導(dǎo)航授時PNT新政策，目標(biāo)是確保美國天基定位導(dǎo)航授時PNT的服務(wù)能力、并能夠增強(qiáng)系統(tǒng)、備份支持和拒絕服務(wù)，并取代了1996年3月美國總統(tǒng)克林頓授權(quán)頒布的國家天基定位導(dǎo)航授時PNT政策；

圖5 GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化中的保護(hù)、阻止和保持

?2005年9月26日，GPS系統(tǒng)第一顆Block IIR-M1導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射入軌，Block IIR-M系列導(dǎo)航衛(wèi)星造價750萬美元，發(fā)射起飛重量4,545鎊，比Block IIR系列導(dǎo)航衛(wèi)星重60鎊。Block IIR-M1導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道位置位于C軌道平面的第四個相位，以替代該軌位的1993年5月發(fā)射入軌的Block IIA20導(dǎo)航衛(wèi)星。按計(jì)劃播發(fā)了第二民用導(dǎo)航信號L2C，是實(shí)現(xiàn)GPS現(xiàn)代化的里程碑；

?2009年3月24日，美國成功發(fā)射了Block IIR-M（20）導(dǎo)航衛(wèi)星，試驗(yàn)播發(fā)了第三民用導(dǎo)航信號L5（1176.45MHz）信號，同時播發(fā)用于核爆探測的L3信號（1381.05MHz）；

?2010年5月27日，美軍發(fā)射了第一顆現(xiàn)代化導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-IIF，衛(wèi)星正式播發(fā)第三民用導(dǎo)航信號L5，信號碼速率為10.23 Mchip/second，L5信號功率比L1 C/A 碼信號高6 dB；意味著GPS民用用戶可以接收L1、L2和L5三個頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號，民用用戶能夠用GPS動態(tài)載波相位測量獲得厘米級定位精度，由此民用用戶可以獲得更完善的電離層改正、更好的定位精度和可靠性，是GPS最具現(xiàn)代化的標(biāo)志；

?2010年2月美國國防部將建設(shè)新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX的合同授予美國Raytheon公司，Raytheon公司于2010年5月完成了OCX技術(shù)基線評審，2011年8月完成了OCX系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)評審，計(jì)劃于2015年8月開展新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX第一階段（BLOCK-I）的建設(shè)工作。OCX將分階段增量式實(shí)施，OCX Block 1計(jì)劃于2016年提供服務(wù)，支持GPS III導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行控制任務(wù)。OCX Block 2將分布在全球的所有監(jiān)測站安裝新型GPS接收機(jī)，同時升級地面站天性，以全面支持、監(jiān)測和控制所有導(dǎo)航信號；

?1994年手持小型化“精密輕量GPS接收機(jī)PLGR（Precision Lightweight GPS Receiver）”取代了第一代笨重的背包式軍用GPS接收機(jī)。隨后發(fā)展了手持型“軍用先進(jìn)GPS接收機(jī)DAGR（Defense Advanced GPS Receiver）”，2011年Rockwell Collins公司研發(fā)了“小型軍用先進(jìn)GPS接收機(jī)Micro-DAGR”。

圖6 GPS空間段、地面控制段和用戶段現(xiàn)代化內(nèi)容

4.GPS現(xiàn)代化進(jìn)展

通過分離軍用和民用信號頻帶，增加軍用信號發(fā)射功率等措施實(shí)現(xiàn)GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化，GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化主要內(nèi)容包括保護(hù)、阻止和保持三方面，保護(hù)、阻止和保持三方面內(nèi)容如圖5所示。

1)保護(hù)（protection）是為了更好地保護(hù)美軍的使用，研發(fā)軍碼并強(qiáng)化軍碼的保密性能，加強(qiáng)GPS軍用信號的抗干擾能力。

2)阻止（prevention）敵方使用GPS全球定位系統(tǒng)，施加干擾，強(qiáng)化選擇可用性SA技術(shù)及防電子欺騙AS技術(shù)。設(shè)計(jì)新的GPS信號結(jié)構(gòu)，增加頻譜，將民用信號和軍用信號分開等措施是“阻止”的基本手段。

3)保持（preservation）在有威脅地區(qū)以外的民用用戶能夠正常使用GPS全球定位系統(tǒng)。

GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化策略要求美軍從系統(tǒng)的三個組成部分空間段（space segment）、地面控制段（control segment）和用戶段（user segment）分別實(shí)施現(xiàn)代化，系統(tǒng)改善定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的精度，同時提高系統(tǒng)的連續(xù)性、完好性以及可用性水平，包括研制新的衛(wèi)星，升級地面運(yùn)行控制系統(tǒng)硬件和軟件，研制新型接收機(jī)等內(nèi)容，每個組成部分現(xiàn)代化策略推進(jìn)的主要特點(diǎn)如圖6所示。

圖7 美國GPS系統(tǒng)關(guān)閉SA技術(shù)后標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)定位精度變化

4.1 終止選擇可用性SA技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位解算的誤差源在空間和時間上都是相關(guān)的，誤差源給相距不遠(yuǎn)的用戶所造成的誤差都是類似的，且隨時間緩慢變化。衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等誤差對每一個用戶接收機(jī)所共有的，所以通過利用誤差的相關(guān)性來改善系統(tǒng)的定位精度。如果參考接收機(jī)的位置精確已知，那么就可以估算測量誤差。如果在參考接收機(jī)附近的GPS用戶接收到差分修正信息，就可以用來修正定位解算結(jié)果，從而提高定位精度，這就是差分GPS技術(shù)（DGPS）。

美國政府于1991年7月1日對GPS系統(tǒng)實(shí)施選擇可用性SA技術(shù)，人為增大導(dǎo)航信號誤差，而且這種影響是可以改變的，必要時可以進(jìn)一步降低民用導(dǎo)航信號定位精度。在差分GPS等技術(shù)的壓力下，2000年5月1日，美國總統(tǒng)克林頓宣布停止對GPS衛(wèi)星實(shí)施選擇可用性SA技術(shù)，一般民用用戶能夠獲得±23m（95%置信度）的平面位置定位精度，±33m（95%置信度）的高程定位精度，200 nsec（95%置信度）的定時精度，一夜之間一般民用用戶的接收機(jī)定位精度提高了約10倍，關(guān)閉SA技術(shù)后標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)定位精度變化如圖7所示（http://www.gps.gov/systems/gps/ modernization/sa/data/），標(biāo)志美國啟動實(shí)施“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃。

雖然美國政府終止了GPS系統(tǒng)選擇可用性SA技術(shù)，但為保證美國國家安全每年評估一次是否繼續(xù)實(shí)施SA政策，目前美國軍方致力于開發(fā)和使用區(qū)域關(guān)閉能力。終止GPS系統(tǒng)選擇可用性SA技術(shù)后，L1信號廣播星歷的精度仍然在10～30m之間，美國人知道GPS差分定位技術(shù)無法消除選擇可用性SA技術(shù)中ε技術(shù)帶來的軌道參數(shù)偏差，所以人家美國人絕不會把最好的東西無償奉獻(xiàn)給你的！