GPS即将更新换代

糖果派对官网,GPS Capability Will Improve with Launching More New Satellite Models韩世杰GPS星座的更新换代将从2005年3月份发射

糖果派对官网,GPS Capability Will Improve with Launching More New Satellite
Models韩世杰GPS星座的更新换代将从2005年3月份发射第一枚ⅡR-M型卫星开始。与此同时,GPS接收机也在更新。如果美国和欧盟能够按照签订的协议走下去,使欧洲的伽利略导航卫星与GPS具有一定互操作性,全球卫星导航系统将会向前迈出一大步美国GPS的更新主要是通过新的卫星发射更换已经”超期服役”的卫星。技术上的进步使新卫星具有更高的精度、完整性和安全性以及更好的抗干扰性能。GPS的状况与变化目前,在轨道上运行且能工作的GPS卫星已达到29颗,是GPS发展以来最多的。而2004年10月初发射的一颗洛克希德·马丁公司制造的ⅡR-13卫星使这个数目增加到了30颗。与GPS星座以新换旧的同时,GPS接收机也在更新换代。例如,军用GPS手持接收机一贯比较笨重,而且只有文本显示,这些一直落后于民用手持接收机。但随着罗克韦尔·柯林斯公司制造的”防务先进GPS接收机”于2004年7月的首次交付,美国军用手持GPS接收机也已开始更新换代。DAGR接收机的体积和重量只有原先PLGR接收机的一半,而且具有四色调的黑白图形屏幕来显示地图和照片。DAGR摒弃了PLGR昂贵而笨重的二氧化硫锂电池,而是采用四节普通的5号电池。单是电池上节省的钱就超出了购买DAGR的费用。现在轨道上运行时间最长的GPS卫星已有14年的寿命,但其设计寿命只有7年。寿命长固然很好,但也会产生不利影响,即推迟了改进型卫星的发射。2007年底前,预计有12颗卫星将发生故障,因此美国估计在这一期间每年将发射4颗新卫星。GPS卫星易产生故障的部件包括原子钟、反作用轮,其太阳能电池板的性能也易降低。第一颗高性能的卫星是洛克希德·马丁公司的ⅡR-M。ⅡR-M是在ⅡR基础上改进的卫星,能发射额外的民用和军用信号,用于精度和可靠性要求较高的服务。它还增加了”灵活功率”能力,以便在两个军用码,即P码与M码间分配发射功率。因采用了性能较好的原子钟,ⅡR型导航距离误差已从原有星座的3米下降到平均1.25米。所有的ⅡR型卫星都已造好,它们之中最后的8颗将改成ⅡR-M型。其修改将包括安装一块效率更高的天线板,并打开一些侧板,放入新的调制和发射电子装置。已为GPS分配了L波段中的3个频率,称为L1、L2和L5。其扩频编码频率围绕这三个中心频率,但它到达地球时的信号强度要比噪声低很多。GPS接收机之所以能探测出这些微弱的信号是因为它们知道代码,从而可获得额外的处理增益。目前民用信号仅放在L1上,而军用的”P码”信号则放在L1和L2上。无线电波在电离层中的传播速度不同是GPS主要的误差源,监听多个频率有助于减小这种误差。民用码的长度为1023比特,而且每秒重复1000次,而P码是伪随机的,而且更长,可给出更高的处理增益,但需要用知道这个码的军用接收机。ⅡR-M卫星将在L2上增加民用码,以得到更好的电离层修正。它还在L1和L2上增加了新的军用”M码”的发展型。M码与中心频率的距离要比P码远,因此可比民用码强20分贝,而不干涉民用码。灵活功率选择可使输出功率在P码与M码间改变。波音公司制造的ⅡF卫星将是第一种采用L5频率,即第三个民用信号的卫星,ⅡF的M码将是工作型的M码,它是基于对ⅡR-M所用的M码发展型的试验基础上形成的。ⅡF卫星的首次发射定在2006年夏季。波音公司总共将制造12颗ⅡF卫星。GPSⅢ卫星2004年1月美国GPS联合项目办公室同波音公司和洛克希德·马丁公司分别签订了2000万美元的两年合同,研究对GPSⅢ的要求,设计候选结构,并检验寿命期费用。GPSⅢ的A阶段合同将在2005年5月至6月间随对系统要求的评审而结束。这些评审将导致在下一阶段即B阶段提出设计,并研究风险更大的一些问题。B阶段的招标书预计将在2005年11月发出,其合同定于2006年中签订。这样的进度不算快。因为第一颗GPSⅢ卫星要到2012年~2013年才准备发射。GPSⅢ的特点为包括一个点波束,以增加大范围的M码的功率,提高抗干扰能力。ⅡR-M所用的灵活功率措施只能将信号强度增加几分贝,而点波束则能增加几十分贝。GPSⅢ星座还具有卫星交叉链路,将导航和定时更新值在数分钟内传遍系统,而不是现在需要几小时从地球上直接同每颗卫星进行联系。这种交叉链路还把有关导航完整性问题的信息中继给用户。目前的GPS星座具有UHF交叉数据链,但它们只能中继卫星上携带的核爆炸探测器的告警信号。保证导航完整性的要求实现起来较为复杂。美国的WAAS和欧洲的EGNOS系统都采用另外的卫星来检验和告警完整性,但GPSⅢ星座在其自己的星座中就有这种功能,而认证完整性是GPSⅢ最难解决的问题,当出现坏信号时,需要在5.2秒时间内通知用户。此外,交叉链路还用于为点波束指向及星座的保护。GPSⅢ的军用和民用用户都可获得较高的导航精度,其固有信号将具有优于1米的精度,即使在所有误差源都存在的情况下,民用用户也能获得1~3米的精度。GPSⅢ的设计人员试图在卫星中包括可从地面改进卫星采用软件和星上的数字信号处理设备的措施。其中天线将是一个技术关键,正在研究采用”灵巧天线”技术。另外,因为美国国防部不能控制系统的用户,因而可能会采取措施阻止战场区域GPS的民用,而不降低那些地方GPS的军用精度,和其他地方GPS的民用。为此,M码在频谱上被分成两部分,这样就可在局部地区对民用捕获码进行干扰而不影响M码。确定GPS干扰机的位置GPS很易受到敌方干扰,这对卫星和军用GPS接收机抗干扰能力提出了迫切的要求。
解决干扰问题还有另一种方法,即确定干扰机的位置并加以摧毁。虽然对干扰机进行测向是一项相当成熟的技术,但要对GPS干扰机进行测向则增加了新的难度。因为实施GPS干扰的信号很弱,接近背景噪声,因此普通的测向设备找不到它们。
鉴于GPS的重要性,且美国没有测定GPS干扰机位置的手段,故美国国会要求五角大楼发展一种能测定GPS干扰机的机载样机。一个称为LOCO
GPSI的项目应运而生。这个项目是美国海军航天和海战系统中心在SAIC公司的帮助下实施的,在1997年与2003年之间进行了三次试飞,它能探测出微弱的GPS干扰机并进行定位,总费用约2000万美元,其硬件则由Falcon公司制造。地球上的民用GPS捕获信号约为15分贝,弱于噪声背景,GPS接收机利用信号代码的知识把信号从噪声中寻找出来。接收机离不能捕获信号只有3~4分贝的裕量,军用信号则有较大的裕量。但无论在哪种情形下,干扰机只用比背景稍强的干扰就能破坏GPS接收机的接收。LOCO
GPSI系统安装在一个吊舱里,能自主工作。它还包括一个数据记录器和GPS/INS导航装置。其组合的接收机和DF处理机被调谐到对GPS的L1和L2频率具有高灵敏度。一个17.8厘米×17.8厘米的平板四元天线安装在吊舱的一侧,为接收机提供相位干涉信号。信号一旦高于某个门限值,接收机就能提取相位信息。LOCO
GPSI不会找实际的GPS卫星,因为它们的信号很弱,没有GPS编码增益根本探测不到。LOCO
GPSI系统2001年的首次试飞是在一架F/A-18上进行的。然后设备实行了小型化,减小到5.62千克,功耗为90瓦,以便将来安装在无人机上。这种小型化的系统2003年8月在一架F/A-18试飞。以上两次试飞都是工程试飞。第三次也是最后一次试飞是作战试飞,于2003年9月在一架F/A-18上进行。在第三次试验中,LOCO
GPSI系统需在作战环境中找出相距很近的窄带干扰机,而且同时受到多个宽波段信号的影响,而每个信号都会降低测量其他信号相位的能力。LOCO
GPSI系统在实际作战中将安装在战术无人机上,可到达离干扰机很近的地方,以获得满意的定位精度。欧洲的伽利略卫星导航系统和EGNOS系统欧洲正在发展其自己的伽利略卫星导航系统。这是因为欧洲国家如在军事上依靠美国的GPS为军用机和导弹进行导航就会受制于人。另外,卫星导航还是一个利润很可观的产业。虽然美国的GPS是免费提供的,但从GPS设备销售和有关人员工资所得到的税收又源源不断地流向美国政府。因此美国和欧洲在卫星导航上既有合作的一面,也有互相竞争和冲突的一面。美国在2004年6月26日同欧盟签订了一个协议,这将使欧洲的伽利略导航卫星与GPS多少有点互操作性,如果欧美能按签订的协议走下去,将使全球卫星导航系统向前迈出一大步。以前的伽利略频率方案将其加密的”公共管制服务”直接放在美国计划的M码频率的顶部,而新方案则将PRS进一步移向边带,以避免冲突。美国和欧盟还同意从GPSⅢ和伽利略卫星开始,在L1频带上设一个公共的新的L1C民用频率。欧盟还同意不迫使航空公司和其他卫星导航用户在欧洲运行时必须采用伽利略卫星。GPS和伽利略两种卫星导航系统加在一起,有比GPS多一倍的卫星可供用户使用,从而提高了导航精度与信号的可靠性,使卫星导航更适合一些对安全要求很高的应用,如飞机的着陆与起飞。伽利略卫星导航系统进度由于欧洲各国政治观点的差异,已推迟了一年,很难满足原定的于2008年开始服务的目标,但其计划人员仍竭力想使这个系统在2010年以前开始服务。伽利略卫星导航系统的空间部分将由30颗重约700千克的小型卫星组成,设在地球上空24000千米的中低轨道上,轨道倾角为55°。其精度比目前的GPS稍高,特别是在城市区域和高纬度区域显得更加突出。而且GPS可提供完整性信号,但提供此信号可能要收费。伽利略项目的资金来源是,验证阶段的12亿欧元将由公共经费提供,而在其22亿的部署阶段,三分之二的经费将由私人投资。伽利略项目4颗验证卫星的预算原为6亿欧元,现在估计已达到11~12亿欧元,可能还会超支。有些人认为,让私人为伽利略的部署阶段投资也有问题,但德意志银行愿意为这个项目提供15~22亿欧元的贷款,足以涵盖私人的投资。而且这个项目很有吸引力,其风险也小于其他一些大型公私合作项目。伽利略项目还将从欧洲发展的EGNOS取得技术经验和用户市场,EGNOS将用作欧洲卫星导航网的先行者。EGNOS是一种广域增强系统,由ESA、EU和欧洲空管局联合出资发展的,用来增强GPS和俄罗斯GLONASS网所提供的基本信号,使其信号完整性和可用性达到与伽利略系统相同的等级。它与其他两个卫星导航重叠网,即美国的WAAS和日本的MSAS系统具有互操作性,而且性能也与它们相仿。EGNOS的精度对于一般应用,如汽车和手机的定位将是1~2米。对安全关键应用,如飞机着陆和海上导航的分辨率优于7.7米,而且对于空中导航,其可靠性等级达到10-7,用户可在6秒钟内得到出错的告警。这些能力已在试验装置的运行中得到了证实。系统目前正在进行试验运行,它采用来自三颗卫星应答机的实际信号。整个地面部分,除欧洲以外的3个可靠性和完整性监控站外,已全部安装好,正在做最后试验。顺便指出,美国选手阿姆斯特朗能第六次获得环法自行车赛的冠军,其中也有EGNOS的一份功劳。EGNOS的最初运行将从2004年年底开始,其用途将逐步增多,商业应用可在2005年年中提供,而安全要求很关键的飞机精密进近将在2006年年中当系统投入全性能运行状态时实现。

美国的全球定位系统导航卫星正在逐步现代化。GPS从美国空军的导航辅助设备开始,逐渐发展成军民两用的一种重要技术。GPS的精确位置与定时信息,已成为世界范围各种军民用、科研和商业活动的一种重要资源
GPS卫星的发展及信号的改进
GPS导航卫星自1978年发射以来,其型别已由第Ⅰ,Ⅱ和ⅡA批次发展到ⅡR批次。第Ⅰ,Ⅱ和ⅡA批次卫星共有40颗,是由罗克韦尔公司制造的,而20颗ⅡR批次卫星则由洛克希德·马丁公司制造。波音公司在1996年收购了罗克韦尔的航空航天和防务业务,目前正在制造33颗更先进的ⅡF批次卫星。美国还在考虑发展采用点波束的新一代GPS卫星。GPS从1994年全面工作以来,改进工作一直在进行中。这是因为民用用户要求GPS具有更好的抗干扰和干涉性能、较高的安全性和完整性;军方则要求卫星发射较大的功率和新的同民用信号分离的军用信号;而对采用GPS导航的”灵巧”武器,加快信号捕获速度更为重要。民用GPS导航精度迄今的最大改进发生在2000年5月2日,美国停止了故意降低民用信号性能的做法。在S/A工作时,民用用户在99%的时间只有100米的精度。但当S/A切断后,导航精度上升,95%的位置数据可落在半径为6.3米的圆内。GPS卫星发送两种码:粗捕获码和精码。前者是民用的,后者只限于供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用。这些码以扩频方式调制在两种不同的频率上发射:L1波段以1575.42兆赫发射C/A和P码;而L2波段只以1227.6兆赫发射P码。GPS卫星导航能力最重大的改进将从2003年发射洛克希德·马丁首批ⅡR-M(修改的ⅡR)卫星开始。ⅡR-M卫星将发射增强的L1民用信号,同时发射新的L2民用信号和军用码。进一步的改进将从发射波音ⅡF批次卫星的2005年开始,ⅡF批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外,将在1176.45兆赫增加第3个民用信号。在ⅡF发射以前,M码将从发展型过渡到工作型。因为导航卫星星座的发射需要有一段时间,故在轨道上获得全工作能力则要在2007年发射18颗L2民用信号和M码卫星后才能实现。18颗卫星组成的第三个民用信号的星座预计要到2011年才能发射完。此后,美军将得到抗干扰能力有所增强的新信号–M码。它能发送更大的功率,而不干涉民用接收机。M码还给军方一种新的能力,以干扰敌方对信号的利用,但其细节是保密的。L2民用信号即第二个民用信号称为L2C,使民用用户也能补偿大气传输不定性误差,从而使民用导航精度提高到3~10米。而美军及其盟军因一开始就能接收L1和L2中的P码,故一直具有这种能力。对L2的设计约束是它必须与新的M码兼容。为避免对军用L2
P接收机的任何损害,新的民用L2应具有与现有C/A码相同的功率和频谱形状。这里,括号中的Y码是P码的加密型。实际上,民用L2信号将比现有的L1
C/A信号低2.3分贝。功率较低的问题将由现代的多相关器技术加以克服,以便迅速捕获很微弱的信号。GPS卫星发射的信号必须现代化,同时又要保持向后兼容性。组合的民用信号与军用信号必须放在现有频带中,而且具有足够的隔离,以防互相干涉。美国决定将C/A码信号放在L1频带和新的L2频带的中部,供民用使用,而保留Y码信号。M码将采用一种裂谱调制法,它把其大部分功率放在靠近分配给它的频带的边缘处。抗干扰能力主要来自不干涉C/A码或Y码接收机的强大的发射功率。M码信号的保密设计基于下一代密码技术和新的密钥结构。为进一步分离军用和民用码,卫星对于M码将具有单独的射频链路和天线孔径。当卫星能工作时,每颗卫星可能在每个载波频率上发射两个不同的M码信号。即使由同一颗卫星以同一载波频率发射,信号将在载波、扩散码、数据信息等方面不同。M码的调制将采用二进制偏置载波信号,其子载波频率为10.23兆赫,扩码率为每秒5.115百万扩散位,故称为BOC调制,简称BOC。因为BOC调制与Y和C/A码信号相分离,故可以较大的功率发射,而不降低Y或C/A码接收机的性能。BOC对于针对C/A码信号的干扰不敏感,而且与用来扩展调制的二进制序列的结构难以分辨。L5将位于960~1215兆赫频段,而地面测距仪/塔康导航台和军用数据链已大量使用这个频段,但这只会对欧洲中部和美国高空飞行的飞机产生干扰。美国计划对在L5±9兆赫以内的DME频率进行重新分配,以便L5信号在美国的所有高度都能良好地接收。一些新的抗干扰技术由于GPS卫星发射的导航信号比较微弱,而且以固定的频率发射,因此军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。美国国防预研计划局正在发展一种新的抗干扰方法,采用战场上空的无人机来创造伪GPS星座,使其信号功率超过敌方干扰信号的功率。所谓伪卫星,就是将GPS导航信号发射机装在飞机或地面上,顶替GPS卫星来进行导航。DARPA用无人机做伪卫星的研究,称为GPX伪卫星概念,旨在使己方的部队在受干扰的战场环境中具有精确的导航能力。其方法是由飞行中无人机上的4颗伪卫星广播大功率信号,这样在战场区域上空产生一个人工GPS星座。4架”猎人”无人机就可覆盖300千米见方的战区。只要对现有GPS接收机的软件作些改变就可使用伪卫星发射的信号。当用实际GPS星座导航时,接收机开始需要知道卫星位置,即星历的情况,故伪卫星概念面临的挑战是采用可用的低数据率信息把4颗运动的伪卫星的位置告诉接收机。因此,DARPA和柯林斯公司设计人员的关键任务是在可用的50比特/秒信息中发送伪卫星星历。无人机的稳定性相当好,不会像战斗机那样机动;但任何运动都会使位置有点不确定。因而与采用卫星星座的导航比较,其定位总误差将增长约20%。DAPRA已用在7500米高度上的公务机上以及约3000米高度上的”猎人”无人机上试验了单颗伪卫星,导航精度从采用真卫星时的2.7米下降到4.3米。当然,伪卫星不一定要全部机载,也可采用地面和机载发射机混合的方案。将某些伪卫星设在地面上的缺点是减少了覆盖范围,但提高了导航精度。为了克服干扰,伪卫星可发射100瓦信号,使地面接收机处的信号强度比来自卫星的信号强度增加45分贝。诺斯罗普·格鲁门公司正在研制可提供30~40分贝抗干扰改进的GPS接收机。这种称为”反干扰自主完整性监控外推”的抗干扰方法将由惯性导航和GPS接收机在载波相位级进行全耦合来实现。全耦合滤波器将减小GPS跟踪回路的带宽,从而减少干扰信号进入GPS接收机的机会。柯林斯公司和洛克希德·马丁公司联合为JASSM空面导弹研制的G-STAR高反干扰GPS接收机采用了调零和波束操纵的方法。该接收机重11.3千克,采用了一个空间时间适配器,适配器探测出一个威胁,便将其信号调到零,并在发射导航信号的卫星方向增加增益。这种反干扰技术以数字方式实现,故称为数字波束成形器,它比常规的模拟调零法更为精确,同时可将接收机的波束调整到朝向可用的导航卫星。数字信号处理可通过动态移动零位来抵消噪声,增加增益,并通过一个6元天线阵来操纵波束。民用GPS接收机也有抗干扰的问题,但民用GPS接收机用户更关心非故意干扰。非故意干扰基本上为宽波段类型,与干扰机将其功率集中于GPS频率不同。与软件有密切关系的数字信号处理方法,在对付宽波段干扰方面是很理想的。(end)

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