翻譯GPS-modernization

1、Journal of Global Positioning Systems (2002) Vol. 1, No. 1: 1-17 現(xiàn)代化的GPS:計劃,新功能及與伽利略的未來關(guān)系Keith D. McDonald摘要： 本文綜述了GPS的發(fā)展、現(xiàn)狀和當(dāng)前的性能。然后對GPS的現(xiàn)代化改進進行了闡述和總結(jié)，包括航天飛機計劃中的附加功能的簡述，地面控制部分和用戶設(shè)備。提出了對在GPS的四個主要操作模式中系統(tǒng)現(xiàn)代化的計劃和活動影響的探討。涵蓋了GPS現(xiàn)代化和增強活動在類似歐洲伽利略計劃的活動和其他GNSS 預(yù)報系統(tǒng)中的含義以及他們之間的關(guān)系。簡短地表述了GPS改進中的一些技術(shù)、政策和與及時部署相關(guān)的實

2、施問題。關(guān)鍵字：GPS，現(xiàn)代化，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，伽利略1 引言在過去的三十年里，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）通過發(fā)展與實施已經(jīng)從一個導(dǎo)航的概念成長為一個擁有28個航天器且目前服務(wù)數(shù)百萬用戶的操作系統(tǒng)。自1997年以來，每年有超過一百萬的GPS接收器被生產(chǎn)出，它的使用量的增加由此可見。迅速發(fā)展的GPS市場，包括設(shè)備和應(yīng)用程序，據(jù)可靠估計(USGAO美國審計總署,1998)在2000年約$8.5B，到2003年約為$17B，預(yù)計到2010年將會超過$60B。GPS的表現(xiàn)非常好，但大量的期望和需要的改進已經(jīng)被確認可以應(yīng)用于新一代的GPS補給和后繼的飛船。本文對在接下來的15年及以后GPS的改進以及將

3、提供給用戶的明顯的性能優(yōu)勢中的關(guān)注，選擇，論點和計劃進行了闡述。歐共體計劃在2008年左右部署一個有著與GPS相似運行特性的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。我們將簡要地探討GPS和伽利略組合能力的優(yōu)點和特性，那將會對國際用戶產(chǎn)生影響。GPS已經(jīng)成為導(dǎo)航、定位、監(jiān)視以及地面、海洋、航空和空間時間方面應(yīng)用程序中必不可少的一部分。當(dāng)前對新版本的使用將持續(xù)導(dǎo)致對更苛刻的性能的需求。2 背景2.1 開發(fā)和實現(xiàn)上世紀(jì)70年代早期，美國國防部(DoD)開發(fā)了GPS的概念和常規(guī)配置，并將這作為所有三個軍事部門的一個聯(lián)合項目。該計劃最初由1968年建于五角大樓的聯(lián)合服務(wù)導(dǎo)航衛(wèi)星執(zhí)行指導(dǎo)小組(NAVSEG) 執(zhí)導(dǎo)。該小組被特許來確

4、定用于改進軍事導(dǎo)航和定位的基于空間的導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性與實用性。小組成員超過三年定期會面。如果適當(dāng)，這是為描述系統(tǒng)的技術(shù)、性能、主要開發(fā)地區(qū)、成本、收益和整體的資金需求的發(fā)展概念文件(DCP)做準(zhǔn)備。這個DCP將被提交給防御系統(tǒng)采集評審委員會審議作為國防部發(fā)展項目。人們很早就認識到，衛(wèi)星系統(tǒng)、固態(tài)電子、數(shù)字計算機和相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可能為導(dǎo)航用戶提供重要的性能增強。導(dǎo)航衛(wèi)星操縱組（NAVSEG）由美國國防部導(dǎo)航衛(wèi)星管理辦公室和軍事部門支持。作者是國防部Navsat計劃的科技總監(jiān)，同時兼任NAVSEG的執(zhí)行官和Navsat管理辦公室的主席。1973年，經(jīng)過三年的密集技術(shù)調(diào)查，及指導(dǎo)小組和其他人在概念發(fā)

5、展、需求分析和程序定義方面的努力，系統(tǒng)被DSARC（代表軍事部門）和國防研究與工程設(shè)計主任批準(zhǔn)進行進一步開發(fā)測試。隨著GPS程序的被認可，美國空軍被指定管理實施的執(zhí)行代理，GPS綜合項目辦公室(JPO)也于洛杉磯的美國空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)組織建立。在1978年和1985年早期，根據(jù)羅克韋爾空間區(qū)(現(xiàn)在的波音)的合同，十個GPS（第一階段）發(fā)展航天器在范登堡空軍基地建立并成功發(fā)射。這些飛船實驗以及1989年2月22日發(fā)射的運作航天器（第二階段）都證明了系統(tǒng)性能并且促成了國防部對實施一種運作系統(tǒng)的批準(zhǔn)。我們今天有的GPS 的基本信號特征基本上都是建立在上世紀(jì)70年代早期到中期，針對他們百萬臺接收器被

6、設(shè)計生產(chǎn)出。幸運的是，由國防部Navsat指導(dǎo)小組開發(fā)并詳細研究，以及聯(lián)合計劃處和他們的合約商進一步開發(fā)和實現(xiàn)的GPS系統(tǒng)的概念參數(shù)表現(xiàn)很好。然而很明顯，幾乎所有用戶，包括軍用和民用，都能從各種GPS的系統(tǒng)改進、條款修訂和附加物中獲得實質(zhì)性利益。在過去四分之一世紀(jì)期間巨大的技術(shù)進步后，在這些發(fā)展的背景下對當(dāng)前和未來的GPS功能的評估似乎變得合理了。這在很多方面變得顯而易見。過去幾年里的軍用和民用委員會和其他活動都強烈建議將GPS現(xiàn)代化。政府高層也對這一努力相當(dāng)支持(Gore, 1999)。2.2 現(xiàn)狀題為“今天的GPS”的圖1，說明了GPS的主要元素以及頻率、信號與其當(dāng)前使用的信號頻譜。題為“

7、GPS運營系統(tǒng)參數(shù)和特點”的表1，總結(jié)了當(dāng)前GPS系統(tǒng)的主要特性。地面監(jiān)控部分的一般特點在名為“GPS地面控制系統(tǒng)”的圖2中給出，而GPS飛船(S / C)部署圖的相關(guān)信息在名為“GPS空間部分”的圖3中給出。從1989年初發(fā)射第二階段的運作航天器，之后便于稍作修改的航天器（第二階段A級）合并。這些包括一些包含額外車載數(shù)據(jù)存儲器的改進，提供了數(shù)據(jù)可以不經(jīng)過地面就從S/C傳送到用戶的一段時間。美國國防部以約$1.2B的價格與羅克韋爾簽約買下第二階段及第二階段A級的28個航天器。1995年7月，已實現(xiàn)了GPS的完整作業(yè)能力，由一個地面控制部分及一個由24個運作中的GPS航天器組成，能提供全球?qū)Ш椒?/p>

8、務(wù)和各類用戶設(shè)備的星群共同構(gòu)成。從那時起，GPS空間段利用24 28個航天器持續(xù)運行。而用戶設(shè)備的開發(fā)制造業(yè)大幅增加，特別是在民主社會。圖1 今天的GPS圖2 GPS地面控制系統(tǒng)(OCS)表1 GPS運營系統(tǒng)參數(shù)和特性圖3 GPS空間部分2.3 GPS星群第二階段和二段A級的航天器由限定的運行周期，理論上約為7.5年，需要為補給飛船建立需求和日程。美國國防部與洛克希德·馬丁星際空間簽約買下21臺GPS第三代補給飛船（第二階段R級）。1 997年1月發(fā)射了第一臺第二階段R級飛船，但由于捆綁助推器不能很好地綁到新配置的三角洲II運載火箭上，因此并未到達軌道。隨后的發(fā)射是在1998年7月，

9、并且所有后續(xù)發(fā)射都取得了成功。截至1998年，所有28個最初的第二階段（和第二階段A級）的運作航天器都已啟動。剩余的第二階段R級飛船，包括912個計劃用來現(xiàn)代化的S/C，將在接下來的十年或更久時間內(nèi)，為系統(tǒng)階段性地提供主要操作信號和能量。美國國防部與波音簽約買下了第四代后續(xù)GPS航天器（第二階段F級）。盡管原計劃購買3033航天器，但現(xiàn)代化設(shè)備導(dǎo)致了對一種超越第二代F級的新一代航天器的需求。為此，GPS第三階段已投入開發(fā)。第三階段的航天器將會替代所有12個原定的第二階段F級航天器。一開始的6和二代F機航天器在合約內(nèi)，額外的6個則計劃用于GPS中期星群的維護。除此之外，新的第三階段航天器將被部署

10、。第二階段R級、F級和第三階段的航天器提供了用于GPS增強和現(xiàn)代化的主要太空交通工具。這是給為系統(tǒng)實現(xiàn)提升和現(xiàn)代化功能提供機會的航天器群體定期補給。因為離新一代GPS航天器的交貨時間還很長（通常5-8年），并且對新群體的完整部署也需要數(shù)年（通常是7-10年），對GPS改進的介紹通常是一個緩慢而漸進的過程。2.4 導(dǎo)航信號GPS航天器一般在兩種頻率下傳輸信號到地球，特定的L1和L2（參見圖1）。L1是主要的GPS載波信號，頻率為1575.42 MHz。這個信號由兩種類型的偽隨機噪聲碼（PRN）控制調(diào)節(jié)，分別是比特率（或）為1.023 Mcps的粗捕獲碼和碼片率為10.23 Mcps的安全精度碼（

11、P/Y）。GPSL2信號以1227.6 MHz的頻率通過航天器傳輸，它建立的目的是為電離層群對GPS用戶接收器的修正進行延遲。因為電離層是接近1/f2相關(guān)的頻散媒質(zhì)，L1和L2頻率的結(jié)合就為確定在電離層中由于信號路徑通過自由電子而折射造成的群時延對GPS的影響提供了一個優(yōu)秀的實時技術(shù)。未修正的電離層傳播誤差會對GPS操作系統(tǒng)帶來最大的單一傳播錯誤，導(dǎo)致高達40米的測距誤差。GPSL2信號最初主要是為實現(xiàn)對慢慢改變電離層延遲的修正。由于這個原因，相對于L1的C/A碼信號，它是在較低功率（大約1/4或-6dB）下傳輸?shù)摹1和L2上的P/Y碼信號通常是安全的，所以這些信號的完整功能只面向國防部和授

12、權(quán)用戶。圖4 GPS信號頻譜演化和占用率2.5 GPS的性能GPS有很多不同的操作模式,每個都有自己的一組性能。首先，GPS可以獨立使用（在一個單獨的基礎(chǔ)上），也就是說不需要任何增加物。在這種情況下，用戶設(shè)備接收信號，并且只使用從航天器星群發(fā)來的信號確定用戶的位置、速度、時間(PVT)和相關(guān)參數(shù)。GPS還可以應(yīng)用于差分模式中，在這之中，已知的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和測距資料由參考位置接收，并且時間與類似的GPS在相同位置和時間點所測得的數(shù)據(jù)進行比較（或求差）。在這個過程中得到的修正之后將應(yīng)用于同一時間（或最小延遲下）GPS在遠程點的實測數(shù)據(jù)。對實時操作系統(tǒng)來說，參考接收器和遠程接收器的數(shù)據(jù)連接通常用于傳達修

13、正。這個過程無論在取消固定方面，還是在兩個地點見有相同效應(yīng)的緩慢變化，測量誤差（偏差）方面都具有有很大的優(yōu)勢。自從許多誤差都顯現(xiàn)出對偏差的緩慢改變，許多他的導(dǎo)航系統(tǒng)用于提高性能的差分校正技術(shù)在GPS上表現(xiàn)很好。這些差分糾正可以實時應(yīng)用或儲存，通常同步到一個公共的時間源(如GPS時間)，在進行錯后處理后使用。這些修正法通常是建立在參考位置應(yīng)用在遠程(探測器)接收器。修正既可以基于GPS差分代碼測量，為了更精準(zhǔn)，也可以基于GPS載波相位的差分測量。GPS用戶設(shè)備的不同操作方式和相應(yīng)的當(dāng)前性能標(biāo)稱值歸納與表2。為了2001和2011年的GPS獨立和微分的操作模式進行的GPS的性能特征的改變稍后將討論

14、。提供了位置、速度、時間和角度測量(姿態(tài))的準(zhǔn)確值。表2 GPS的性能和操作模式當(dāng)前性能的標(biāo)稱值概述2.6局部地區(qū)和大范圍地區(qū)的增強功能為提高GPS的性能，局部地區(qū)及大范圍地區(qū)已經(jīng)建立或者計劃建立差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)。這些包括： 為GPS測量區(qū)建立的局部錯后處理和實時（動態(tài)）系統(tǒng)。 在許多北美和歐洲城市為車載應(yīng)用建立的DGPS的調(diào)頻多載波傳輸。 檢驗師、測量技師和地理資訊系統(tǒng)(GIS)的用戶建立的全球DGPS修正的星載傳輸。 美國海岸警衛(wèi)隊的差分網(wǎng)絡(luò)為美國大陸沿海地區(qū)，墨西哥灣，阿拉斯加和夏威夷的海洋用戶提供準(zhǔn)確的沿海，河流，港口和海港入口的導(dǎo)航。 計劃在2002年首次運行的聯(lián)邦航空管

15、理局(FAA)的廣域差分系統(tǒng)(WAAS)提供了代碼更正,電離層延遲和完整的數(shù)據(jù)。 用于航天器精準(zhǔn)登陸的聯(lián)邦航空局的局域增強系統(tǒng)(LAAS)，計劃約在2003年實現(xiàn)，提供代碼更正，完整性和其他數(shù)據(jù)。 類似于WAAS的歐洲同步導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)(EGNOS)，計劃約2002年在歐洲開始實施。 日本設(shè)計的用于太平洋大部分區(qū)域的，提供代碼修正和其他數(shù)據(jù)的移動運輸衛(wèi)星系統(tǒng)(MTSAT)，約在2002年投入運作。3 GPS的現(xiàn)代化盡管GPS的表現(xiàn)非常好，超過一般預(yù)期，還是需要一些重要的改進。一些代表了政府和民間團體的委員會為了確定哪些功能和特性應(yīng)該被納入未來的GPS以滿足軍事和民用用戶，在過去的十年里調(diào)查了系統(tǒng)

16、的需求和缺陷。GPS的現(xiàn)代化是一個艱難而復(fù)雜的進取。它不僅為解決民事和軍事的需要和成本提高性能，也影響其他領(lǐng)域里產(chǎn)生深遠影響的問題。這些問題包括頻譜的需求和使用，安全，民用和軍用性能，系統(tǒng)的完整性，信號可用性，對GPS融資和管理的制度上的擔(dān)憂和作為國家和國際資源的GPS今后的操作。幸運的是，許多關(guān)鍵問題已經(jīng)確定并解決，或者似乎接近最終決議。如果一切按計劃或期望中的進行，那么接下來的十年所期望的會變得相當(dāng)明顯。然而，這是在對美國政府的承諾持樂觀態(tài)度的前提下做的決定，能及時通過對制度安排和必要資金需求。3.1 信號和信號分離最初，軍用GPS規(guī)劃者想將他們的GPS頻率與那些用于民事應(yīng)用的分離開。這種

17、分離是為了避免信號干擾和相互作用，為兩個用戶組提供最高靈活性。但是，經(jīng)過密集搜索也沒有找到可以滿足軍事需求的任何新頻譜。因此，軍方?jīng)Q定他們的信號將維持在由ITU為GPS授權(quán)的在L1 (1563.42-1587.42 MHz) 和 L2 (1215.6-1239.6 MHz)中的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)(RNSS)段的24 MHz頻段內(nèi)。額外的信號需求民事應(yīng)用對額外GPS信號的需求已經(jīng)通過了好幾年。這些信號所需的有：a) 使用兩個頻率校正技術(shù)減少電離層的錯誤,b) 信號的魯棒性, 特別是在航空安全操作方面c) 改進的獲取性與準(zhǔn)確性對L2和新的L5的擔(dān)憂聯(lián)邦航空局有一段時間反對在航空安全應(yīng)用程序中使用L

18、2。他們擔(dān)心的是，自從國際電信聯(lián)盟(ITU)授權(quán)在多原基礎(chǔ)上將這個頻帶使用于無線電定位服務(wù)(包括高功率雷達)，那么使用這個頻帶的航天器將受到無法接受的干擾。因為這可能會損害航空安全操作，聯(lián)邦航空局認為L2頻帶不可接受。美國聯(lián)邦航空局要求在航空無線電導(dǎo)航服務(wù)(ARNS)頻帶內(nèi)有一個GPS航空頻率，它正好低于GPS的L2頻帶。正如我們即將討論的一樣，這已經(jīng)發(fā)生了。1996年3月29日(Gore and Pena, 1996)對GPS的總統(tǒng)決策指示 (PDD) 聲明，L1和L2頻帶都可以作為民用，也將會授權(quán)第三類民用信號。盡管L1和L2頻帶可以滿足大多數(shù)公民用戶，但航空用戶仍需要第三類民用信號以替代

19、L2頻帶及其在生命安全應(yīng)用方面的局限性。經(jīng)過交通部(DOT)，國防部(DOD) 和其他機構(gòu)對新頻率的密集搜索，副總統(tǒng)戈爾在1999年1月25日宣布，ARNS頻帶的一部分被商定作為新(第三個)民用頻率。這個頻率稱為L5，集中在1176.45 MHz。這一選擇似乎滿足航空安全使用。圖5展示了現(xiàn)在光譜中布置，顯示出ARNS頻帶低于GPS的 L2頻帶，這為現(xiàn)代化的信號制定計劃。在對L5操作使用之前，與其他系統(tǒng)在頻帶中的協(xié)調(diào)和國際電信同盟(ITU) 的批準(zhǔn)是必需的。目前的ARNS頻帶是ITU為地對空服務(wù)而建立的。GPS對這一頻帶的部分使用需要衛(wèi)星到地球的傳輸類別。這件事于2000年4月在在伊斯坦布爾舉行

20、的ITU世界無線電會議上被慎重考慮。曾有人預(yù)計國際航空社區(qū)將支持這種改變。圖5 GPS和GLONASS信號布置安排：L1， L2 和L53.2 新的和留存的GPS信號為了反向兼容性（或 “遺留”）目的，L1上現(xiàn)有的C/A碼及L1和L2上的P/Y碼被保留。這些代碼的延續(xù)是必要的，直到能為民用和軍用兩者傳輸新的GPS信號的現(xiàn)代化GPS航天器被部署。新的GPS用戶設(shè)備也需被生產(chǎn)出以操作現(xiàn)代化的信號。通訊密碼目前的計劃是，繼續(xù)為居民社區(qū)提供L1上的C/A碼，并且在可行的情況下從后續(xù)飛船傳送新配置的C碼(有時被稱為CS碼)。L5碼的計劃是為了比當(dāng)前的C/A碼和新的C碼有更高的位(芯片)率和較長的代碼。計

21、劃中L5的編碼由10.23 Mcps碼速率和10230位的代碼長度組成。這C/A碼有相同的代碼段。與C/A碼相比，更長、更高速率的編碼序列，可以提高測距精度，降低代碼噪音層次，有合理的獲取次數(shù)，更好的代碼絕緣度(互相關(guān)特性)和大大減少的多路徑干擾易感性。名為“L5-新的民用信號”的圖6，說明了被稱為I5和Q5碼的L5同相和正交碼的主要光譜特性。要充分利用L5，計劃用一個或兩個不經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)制傳播的正交信號?！皵?shù)據(jù)免費”信號為準(zhǔn)確的相位追蹤和更精確的載波相位測量提供了優(yōu)勢，這是調(diào)查和科學(xué)社區(qū)特別關(guān)心的。同樣的，L2上的新C碼為了和有數(shù)據(jù)的信號一樣提供數(shù)據(jù)免費信號，采用C/A碼的碼片率（1.023

22、Mcps）和時間多路復(fù)用。當(dāng)前L1和L2上的P/Y碼表現(xiàn)非常好。然而，由于非常長的序列長度( 1013位) 和編碼的通信周期(7天)，P/Y碼的獲取十分困難，除非知道系統(tǒng)計時的精確知識。通常首先要知道的是P/Y碼和L1上C/A碼短序列的獲取。C/A碼的消息包含能為授權(quán)用戶獲取P/Y碼提供信息的系統(tǒng)計時數(shù)據(jù)（交接）。圖6 L5 新的民用信號然而，軍方認為，未來不需要首先訪問C/A碼就能獲得他們的安全信號是有必要的。C/A碼可用作民用或其他。對安全信號直接獲取的軍事需求似乎需要一組新的軍事代碼的傳輸，被稱為M碼?？紤]的代碼選擇最初，國防部表示，計劃將在L1和L2頻帶中心加入新的信號，類似于他們的C

23、/A和P/Y碼。為減少與國防部信號的交互作用，避開頻帶中心對民用信號來說似乎是有益的。本文提出了1997 - 98年期間對L1和L2頻帶中雙編碼信號(每個波段中心的偏移)使用的場合（麥當(dāng)勞,1998）。對軍用信號處于較低水平視為頻帶外部區(qū)域的民用“分離載流子”和“光譜分裂”的使用，為在軍用和民用信號之間提供了分離。它還為精確的載波相位測量和更精確的代碼處理提供了一些顯著的優(yōu)勢。這些分裂光譜信號被發(fā)現(xiàn)有優(yōu)良的性能，尤其是與當(dāng)前的軍用P/Y碼信號相比，并且它容易實現(xiàn)（1998年Spilker等人）。在過去的兩年中，國防部發(fā)起了許多對分裂光譜信號的調(diào)查，并且在L1和L2中都選擇了這種信號用作他們的M

24、碼信號。對M碼信號的最終安排似乎是，使用一個有著大約5 Mbps的比特率，在雙重“分裂譜系”載流子上調(diào)制，離GPS L1和L2頻帶中心的上方和下方有大約10 MHz間隔在當(dāng)前P（Y）碼結(jié)構(gòu)的第一個空格的安全的M碼。GPS JPO及其承包商已經(jīng)對軍用信號替代進行了調(diào)查，并且對最終選擇負責(zé)。4 安全問題選擇性干擾一些委員會一直在調(diào)查SA的需求和效力。包括軍用和民用的幾乎所有委員會都發(fā)現(xiàn)，SA并不有效，它很容易變松（例如,通過使用微分技術(shù)），而且持續(xù)使用會很昂貴，尤其是對民用用戶。幾個組織強烈建議將SA立即移除。1996年3月29日發(fā)布的針對GPS的總統(tǒng)決策指示表示，從2000年開始SA的繼續(xù)將由總

25、統(tǒng)每年審查一次，最遲到2006年SA將無法繼續(xù)下去。民事團體一直建議將SA刪除。然而，用戶通過使用微分糾正很快適應(yīng)了對SA減緩技術(shù)的使用。GPS的精度改進和性能提高2000年5月1日，白宮宣布，選擇可用性退化將會在5月1日凌晨被移除，亦沒有在未來恢復(fù)它的計劃或意圖。針對民用的獨立GPS精確度的大幅改善已經(jīng)變得明顯。即便是在電離層受到太陽影響最大的時期（2000-2001），SPS接收機的性能也是現(xiàn)在通常的5-10米水平。SA的移除加上第二（第三）種民用信號頻率的可用性，可以將GPS的獨立民用水平精度提升到1-3米的范圍內(nèi)（95%的置信水平）。由于對頻繁的SA修正減少需求，SA的移除對DGPS數(shù)

26、據(jù)鏈路容量需求的減少也有顯著影響。軍用信號的安全目前軍用用戶通常使用C/A碼信號，但他們的安全系統(tǒng)糾正的了SA退化的影響。國防部對P碼加密形成Y碼，不僅限制了軍用（和其他授權(quán)的）用戶對大多數(shù)精密代碼的訪問，還提供了各種防假保護。當(dāng)前的計劃是，保留P/Y碼信號直到新的M碼信號普遍可用。預(yù)計這種過相區(qū)間將持續(xù)到2015年甚至更長。新的M碼信號也會是安全的。他們不同于P/Y碼信號的是，他們提供改進的性能且計劃能被直接訪問。軍用M碼信號結(jié)構(gòu)也進入最后發(fā)展階段。題為“新的軍用信號：M碼”的圖7顯示了軍用P（Y）碼和計劃中的M碼信號的一般特性。圖7 新的軍用信號：M碼5 GPS的定位精度和性能提高電離層傳

27、播誤差GPS信號上的電離層傳播群時延的影響引起了大部分殘余接收器的錯誤。由于隨機效應(yīng)，例如一天的時間，一年四季以及11年間的太陽能（太陽黑子）周期，這些延遲效果相差很大。題為“以23為周期的太陽黑子數(shù)量預(yù)測”的圖8給出了影響地球電離層的太陽能排放循環(huán)特性的圖形顯示。電離層的傳播延遲誤差的影響可以通過軍隊現(xiàn)在使用的雙頻率電離層矯正技術(shù)來有效去除。由于這個原因，民用GPS用戶在很多年內(nèi)都對第二頻率很感興趣。正如前文指出的，對于在未來的第二階段F級航天器中將第二個和第三個民用信號合并的提案，政府內(nèi)部已達成統(tǒng)一。用于修正電離層的這些信號的卓越能力可以為獨立GPS用戶將民用進度提高至1-3米水平內(nèi)，甚至

28、可能更好。不幸的是，能允許對L5信號自由訪問的足夠的第二階段F級航天器（大約需要18個）的部署日程是在十年以后。對L5信號全面運行接受的一個合理時間估計是在2015年，這還取決于IIA、IIR和IIF級航天器的生命周期。圖8 以23為周期的太陽黑子數(shù)量預(yù)測（2000年9月）接收機噪聲錯誤影響著GPS用戶設(shè)備精度的其它因素包括，接收器可使用的并行接收通道個數(shù)，接收者的代碼噪聲性能，對多路徑的敏感系數(shù)和與實現(xiàn)、機械化和問題解決相關(guān)的錯誤。GPS接收器通道的數(shù)量取決于可以同時跟蹤的最大航天器數(shù)量。理想情況下，通道的數(shù)量足夠大以提供對可見航天器的持續(xù)性全視野追蹤，因為這提供了最好的幾何性能。盡管傳統(tǒng)C

29、/A碼接收器的接收方代碼噪音相當(dāng)于大約1米的錯誤，但是“窄相關(guān)器”C/A碼接收器的接收方代碼噪音可低至10至20厘米。執(zhí)行錯誤通常很小或微不足道。在10厘米至為1 米水平之間的接收器熱噪聲性能被認為是好的，然而，GPS精確的載波相位測量通常相當(dāng)好，理論上是0.5 2毫米的等效噪聲水平?？刂贫握`差GPS控制段決定了GPS航天器軌道元素和定時數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這些被上傳到GPS航天器內(nèi)存，然后定期傳送到在GPS數(shù)據(jù)信息上的用戶。航天器的位置和其他數(shù)據(jù)直接影響到用戶的使用精度。此外，因為它會隨著時間推移，數(shù)據(jù)受到上載到GPS航天器上的更新率影響。近期在控制段的改進提供了1-2米水平的航天器位置精度。國家形

30、象和映射管理局 (NIMA) 計劃增加到GPS跟蹤網(wǎng)的六個地面站將大大提高GPS跟蹤測量和計算參數(shù)的質(zhì)量和及時性。到航天器的更頻繁的加載也在計劃中。在2000 - 2010年期間，GPS跟蹤網(wǎng)絡(luò)和運行控制系統(tǒng)期望有能提高分米波段的輔助儀表位置精度。自主導(dǎo)航操作GPS星群需要有一段時間的無地面段控制運行。通過使用GPS內(nèi)部衛(wèi)星對其他航天器的精確測距，連接第二階段R級、F級和第三階段航天器，使之能夠運行在一個自主導(dǎo)航(autonav)模式。自主導(dǎo)航測距數(shù)據(jù)在星群中與其他航天器交叉結(jié)合，為每個航天器計算準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)提供車載信息。這些數(shù)據(jù)結(jié)合測量的GPS航天器軌道擾動，可以再很長一段時間內(nèi)提供極好的

31、系統(tǒng)準(zhǔn)確度。2002和2012年的定位精確估計題為“20002010年往后時間段內(nèi)，對民用核軍用接收器的各種操作模式的定位精確估計”的圖9，說明了在各種各樣的模式下GPS接收機的操作的預(yù)期系統(tǒng)性能改進。這個圖標(biāo)只闡述了位置精度，然而許多其他測量也會受到影響。一個對額外的測量參數(shù)和估計精度的尖端總結(jié)在題為“2000和2010年GPS在各種操作模式下的性能”的表三中給出。圖9 20002010年往后時間段內(nèi)，對民用核軍用接收器的各種操作模式的定位精確估計表3 2000和2010年GPS在各種操作模式下的性能6完整性、可用性、星群大小和權(quán)力問題系統(tǒng)完整性另一個被關(guān)注的民事應(yīng)用是，GPS機載接收器得到

32、的數(shù)據(jù)的監(jiān)測，以自主確定（不適用地面數(shù)據(jù)）收到的導(dǎo)航信息的有效性或完整性。特別是，這涉及到建立GPS用戶設(shè)備測量的可信度，以及如果航天器有錯誤或某種程度上不在允許范圍內(nèi)，確定他們可能提供的危險或誤導(dǎo)性的信息。盡管4個航天器的范圍就足以確定位置，多達六個或更多飛船范圍可能需要在可接受的高置信度條件下確定信號完整性，以滿足航空完整性安全要求。這個經(jīng)常被稱為接收機自主完整性監(jiān)視(RAIM)的故障檢測和消除(FDE)過程是一個特別困難的問題。SA的移除顯著提高了FDE過程的可行性。去掉它之前，根據(jù)規(guī)范SA可能在百分之五的時間內(nèi)導(dǎo)致超過100米的錯誤。信號可用性擁有24個航天器的定位GPS星群為軍事用途

33、而成立。大多數(shù)觀察者考慮到航天器信號在民用領(lǐng)域的可用性，特別是那些涉及生命安全應(yīng)用，臨界或在一些不可接受的情況的。同樣，在有限的能見度條件下，例如“城市峽谷”情況下，GPS接收器接近地面，兩側(cè)都有高層建筑，視野范圍內(nèi)的航天器數(shù)量可以大幅減少。有時這導(dǎo)致用數(shù)量不足的信號提供導(dǎo)航解決方案。由于這些和其他原因，便有了對可能用612個航天器增加或擴充GPS星群以提供總數(shù)達3036個運行航天器的關(guān)心。增加星座群大小正如前面提到的，有人曾提議增加需要的GPS(或者類似的)航天器以提供GPS星群所需的額外的健壯性。聯(lián)邦航空局和其他人完成的調(diào)查表明，為滿足完整性和其他生命安全需求30-36個航天器是必須的。然

34、而，迄今為止，將有效載荷送入軌道的高成本妨礙了對GPS星群大小大幅增加的認真考慮。正如前面所討論的，擴增計劃用于提供海洋和航空應(yīng)用程序需要的額外的信號可用性，和差分校正，完整性，電離修正數(shù)據(jù)。功率改進因為現(xiàn)代化的GPS航天器將提供民事社區(qū)L2上的C碼信號作為第二個主要信號，這種信號的功率要求類似于L1上的C/A碼信號。同時，出于同樣的原因，在所有的現(xiàn)代化GPS航天器上L2上的P/Y碼功率需要大約增加四倍(6dB)，因為L2信號以前只用于電離層延遲修正。ARNS頻帶中的新L5信號需要約比L1上的C/A信號高6dB的功率，以補償頻帶內(nèi)更高水平的干擾和噪聲。民用信號功率上3-6 dB的額外增加因許多

35、各種安全、成本和性能的原因而提升。這似乎是為新一代GPS航天器計劃，至少是對第三代航天器。L1和L2的軍用信號計劃在高于當(dāng)前水平的功率（6-10 dB）上傳輸。進一步說，超出預(yù)期的功率大幅提高，是為了在選定的戰(zhàn)術(shù)地區(qū)減小操作間隔。這既能提高在電子干擾 (ECM)環(huán)境下的性能又能提供額外的信號的魯棒性。這個功能可能需要一個可折疊的大口徑天線系統(tǒng)。這將提供一個可操縱的點波束覆蓋選擇戰(zhàn)術(shù)地區(qū)。傾向于吸收新航天器和其他計劃中功能的實質(zhì)性主要電力的軍用需求在競爭上可能有一些困難。民用改善可能面臨風(fēng)險。題為“GPS功率譜”的圖10顯示了航天器傳送的各種現(xiàn)有及未來的GPS信號的相對信號功率譜。圖10 GPS

36、的M碼、P/Y碼、C/A碼、C碼和L5 I和Q碼的功率譜實施時間表和及時性在現(xiàn)代化和系統(tǒng)性能改進方面的主要擔(dān)憂是，政府部門機構(gòu)行政和立法部分認識GPS現(xiàn)代化和延緩或丟棄程序的各個方面風(fēng)險的能力。GPS S/C發(fā)射的計劃時間表本文所關(guān)注的一個例子是目前GPS航天器發(fā)射的計劃時間表。根據(jù)GPS綜合項目辦公室和其他來源提供的宣布啟動信息中，題為“GPS現(xiàn)代化：計劃中航天器的預(yù)估獲得日期（IIR、 IIF,、III）”的圖11中看出已經(jīng)準(zhǔn)備好了。這表明，直到大約2015 年，以當(dāng)前對計劃中的GPS第二代R級和F級的航天器的發(fā)射看來，新的現(xiàn)代化能力將無法被民事和軍事用戶使用。很明顯，迫切需要對GPS航天

37、器的重大修改以使現(xiàn)代化能力的實現(xiàn)日期能提前。如圖所示，日期可能會被提前到2010年或更早，如果能實現(xiàn)對IIR 和IIF新的修改（新的民用和軍用信號）并且可以安排這些航天器生產(chǎn)和發(fā)射的日程。圖11 GPS現(xiàn)代化：計劃中航天器的預(yù)估獲得日期（IIR、 IIF、III）7 國際影響歐洲的關(guān)注點和伽利略一段時間以來，歐共體（和全球其他國家）關(guān)注著承諾對GPS的導(dǎo)航服務(wù)。他們首要關(guān)心的是，他們在GPS操作上沒有控制權(quán)；其次，在美國涉及糾紛的時期，GPS民用信號無法得到保證；再有，歐洲想要保持他們在導(dǎo)航衛(wèi)星領(lǐng)域的技術(shù)能力和經(jīng)濟參與。第一個關(guān)注點反映了他們對歐洲區(qū)域的定位、導(dǎo)航和精密授時服務(wù)的歐洲控制權(quán)的商

38、業(yè)、戰(zhàn)略和政治方面的強烈興趣。在過去的幾年里，歐洲委員會 (EC) 贊助調(diào)查了對覆蓋歐洲的衛(wèi)星系統(tǒng)的介紹。這些表明，在幾年里全世界市場對全球衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備和服務(wù)約為$40B。1999年2月10日，歐洲委員會 (EC)要求歐洲聯(lián)盟(歐盟)的15個州的政府在給他們的政治和財政支持的前提下，開發(fā)最先進的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，稱為伽利略計劃(EC,1999)。歐盟似乎確信一個歐洲系統(tǒng)的發(fā)展能避免由于現(xiàn)在他們對美國GPS的依賴引起的問題，并且為歐共體提供可觀的經(jīng)濟利益。因為導(dǎo)航衛(wèi)星信號正在指揮空中和海上運動，EC申明，在更有效地引導(dǎo)轎車和卡車，以及農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、實時性和同步性和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、礦產(chǎn)勘查

39、和土地調(diào)查方面有一個明確的市場潛力。信號和用戶設(shè)備的兼容性有人提議在美國(麥當(dāng)勞,1998 c)和歐洲對獨立派出導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(例如,GPS和GNSS) 作為一個公共基礎(chǔ)，使用相同的民用頻率和信號結(jié)構(gòu)。如果在這一基礎(chǔ)上成功的國際合作可以實現(xiàn)，那么來自獨立系統(tǒng)的信號將會兼容，并允許世界各地的設(shè)備相互操作。美國交通部已經(jīng)承認了一個與歐洲系統(tǒng)兼容的GPS的潛在好處。同時，俄羅斯聯(lián)邦表示愿意考慮加入一個聯(lián)合途徑。俄羅斯已經(jīng)訪問一組頻率(俄羅斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Glonass)，在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中的使用提供了一些吸引人的功能。歐盟似乎愿意在國際發(fā)展的基礎(chǔ)上進行建設(shè)性伽利略計劃，并且申明歐盟現(xiàn)在的失敗意味著“丟

40、失了一個巨大而且可能不可重復(fù)的機會”。成本和資金歐盟對伽利略計劃的成本估計在$2-3B之間，經(jīng)費部分來自于歐盟預(yù)算部分來自私人和國家政府消息來源。伽利略計劃可能也為俄羅斯聯(lián)邦提供一個顯著的作。GNSS的軌道排列方式并沒有完全定義，但目前的計劃表示在中等地球軌道略高于GPS的航天器將為歐洲提供良好的覆蓋，尤其是歐洲大陸的高緯度地區(qū)。結(jié)合性能表4展示了，全球用戶同時擁有GPS和伽利略具有顯著的優(yōu)勢。得到的實質(zhì)性好處包括：系統(tǒng)精確度的提高，自主完整性，干擾抑制，城市峽谷操作和運動學(xué)精密測量。這些優(yōu)點在有簡要的圖中更詳細地列出。組合系統(tǒng)操作品質(zhì)的提高令人印象深刻。表4 現(xiàn)有及未來的民事操作系統(tǒng)的GPS

41、-Galileo GNSS特征和組合系統(tǒng)功能題為“民用GPS和伽利略計劃的比較”的圖12說明了大量與GPS和伽利略計劃相關(guān)的系統(tǒng)改進事項，以及在關(guān)注的一些主要領(lǐng)域的比較。GPS現(xiàn)代化改進實現(xiàn)的延遲表明，伽利略計劃在數(shù)年內(nèi)可能會成為未來導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇。代表GPS的緊急和專門的行動需要繼續(xù)下去。圖12 民用GPS和伽利略計劃的比較-伽利略計劃的機會8結(jié)論8.1 GPS現(xiàn)代化的影響 GPS的現(xiàn)代化將提供許多新功能，例如，兩個新的民用頻率段（L2和L5），新的民用和軍用信號，更高的信號功率水平，更廣泛的地面跟蹤和更頻繁的和準(zhǔn)確的航天器位置更新。所有的這些都顯著提高準(zhǔn)確性、完整性和其他方面的系統(tǒng)性能

42、。此外，GPS的管理已經(jīng)改變，現(xiàn)在包括合作的民用和軍事?lián)芸詈捅O(jiān)督。希望其它的制度改革將會為GPS提供一個集中的、協(xié)調(diào)管理，允許程序未來的同盟資金的成功展開競爭。這些因素，加上全世界不斷增長的導(dǎo)航系統(tǒng)和服務(wù)的重要性，為集成GPS成為一個包含有一定數(shù)量的獨立要求但是協(xié)調(diào)系統(tǒng)元素的國際的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供了堅實的基礎(chǔ)。現(xiàn)代化的GPS將以經(jīng)濟上合理的方式在為民事安全、安全、科學(xué)、工程和相關(guān)應(yīng)用程序提供位置、速度、姿態(tài)和計時服務(wù)上繼續(xù)發(fā)揮重要的軍事和核心角色。在接下來的十年內(nèi)，GPS的現(xiàn)代化通過包含下列改進，顯著提高軍用和民用用戶的導(dǎo)航功能：L2(1227.6 MHz)和L5(1176.45 MHz)

43、以及L1上的長期以來與民用信號相關(guān)的新的民用頻率。軍事力量將保留L1和L2頻帶。新的安排通過使用技術(shù)為民用提供了電離層修正，提高信號的魯棒性，增加干擾排斥和改進的動態(tài)精度的功能，解決載波相位測量精度的歧義。新的信號是為民用和軍用建造的。L5上的新的民用信號預(yù)計將支持達C/A碼十倍的碼速率。這將提高代碼的測量精度，減少代碼的噪音，減少互關(guān)聯(lián)問題，并提供改進的多路徑緩解。新的軍用信號結(jié)構(gòu)將提供更好的代碼精度、理想的功率分布的光譜和對軍事安全的代碼的直接訪問。原定計劃于2000年至2006年期間的選擇性干擾的移除，(1996年3月, 對GPS的總統(tǒng)決定指令) 已經(jīng)完成了。GPS現(xiàn)在為民用信號提供完整

44、、未經(jīng)碰撞的精確度。這些，加上額外的民用頻率（用于電離層修正），將提高GPS的性能達約十倍（與SA相比）。例如，GPS已經(jīng)從有SA時50-60米的精確度提升到在一個獨立基礎(chǔ)上當(dāng)前精度達5-10米（沒有SA）。系統(tǒng)的誤差來源的減少，不僅包括SA的移除和電離層誤差修正，還有GPS接收器控制部分冗余(加上NIMA監(jiān)視站) 的明顯改善，以及為最小化航天器位置的預(yù)測(星象)錯誤提供更好功能改進的統(tǒng)計估算技術(shù)。從GPS航天器上增強的信號可用性和功率有更大的可靠性和壽命。新的民用L2信號上的功率與當(dāng)前為了獲得更大魯棒性的L1民用信號一致。軍用M碼信號的功率很靈活，且大大高于當(dāng)前的P/Y碼功率水平。因無法保證

45、更大的GPS航天器星群，對這一擴張有著強烈的興趣。帶擴增的改進性能，例如選擇可用性退化的移除引起的非常明顯的性能增強和計劃中的擴增。這些包括USCG差分網(wǎng)絡(luò)，國家DGPS，聯(lián)邦航空局的WAAS和LAAS，歐洲EGNOS，日本MSAS和大量的能為各種各樣的應(yīng)用程序提供高度精確的位置、速度和時間測量其他DGPS系統(tǒng)。國際影響- GPS已經(jīng)成為導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的性能的標(biāo)準(zhǔn)，但因為美國的軍事起源和對系統(tǒng)的控制，仍長期存在國際性的擔(dān)憂。然而，系統(tǒng)和體制變革已經(jīng)發(fā)生，出現(xiàn)了例如現(xiàn)在的GPS現(xiàn)在有一些新特性和一些絕佳的機會?，F(xiàn)在的GPS有或者能夠提供：a) 聯(lián)合公民/軍事管理結(jié)構(gòu)b) 一個重要的國家資源與世界范

46、圍的應(yīng)用和影響c) 獨立的民事和軍事能力,它們都被大幅改善d) 對美國工業(yè)和全球用戶來說的重大的經(jīng)濟“引擎”e) 取得領(lǐng)導(dǎo)地位的功能，大大影響了一個國際GNSS的形成8.2 最后的話為了用一個及時和有用的方式使GPS現(xiàn)代化，很明顯，強大的資金支持，一個強有力的國家承諾，可能是白宮領(lǐng)導(dǎo)，新的制度安排和各種其他因素是必要的。技術(shù)和實現(xiàn)問題顯得簡單；然而，機構(gòu)、資金、國際和國家的首要關(guān)注是關(guān)鍵?，F(xiàn)代化的GPS及歐洲伽利略系統(tǒng)的引入和兩者的增加可以惠及全球民用用戶。參考文獻EC (1999) Galileo to Set Pace in Satellite Navigation, Improve Sa

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