全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)新變伊始

1、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)新變伊始導(dǎo)讀：新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)會(huì)給高精度接收機(jī)用戶(hù)帶來(lái)什么呢？本文介紹了目前階段，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的哪些需求，并且展望了新新號(hào)和新技術(shù)?？紤]到干擾以及即將到來(lái)的太陽(yáng)活動(dòng)高峰期，我們可以做些什么來(lái)提高新號(hào)接收器的穩(wěn)定性？在過(guò)去的十年間，高精度 GPS測(cè)量的應(yīng)用急劇增加。 GPS接收器可以提供高精度的數(shù)據(jù)和快速處理的結(jié)果，通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)覆蓋大面積來(lái)節(jié)省大量的時(shí)間。這種精度只能通過(guò)使用代碼和載波相位測(cè)量來(lái)獲取。然而，載波相位測(cè)量中仍然需要解決一個(gè)問(wèn)題，就是關(guān)于初始整周模糊度的問(wèn)題。 采用單頻觀測(cè)的方法需要 5-30 分鐘才能解決初始整周模糊度的問(wèn)題， 而采用雙頻測(cè)量的方

2、法則僅需幾秒鐘就能可靠的解決這個(gè)問(wèn)題。另外，由于要消除電離層或?qū)α鲗?，允許存在一定量的空間相關(guān)誤差。因此，在擁有合理的首次定位時(shí)間 (TTFF) 的條件下，雙頻和多頻接收器是僅有的能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) (RTK)調(diào)查的設(shè)備。新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)會(huì)給高精度接收機(jī)用戶(hù)帶來(lái)什么呢？然而，目前的雙頻接收機(jī)都非常昂貴。高昂的費(fèi)用來(lái)自于需要使用的第二個(gè)頻率( 信號(hào) L2) ，而這個(gè)信號(hào)是受專(zhuān)利高度保護(hù)的。隨著一些技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了利用單頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，而且新的信號(hào)和組合也已經(jīng)出現(xiàn)，現(xiàn)在花費(fèi)更低的成本就可以使用兩個(gè)頻率。在使用雙頻以及三頻的方案獲取高精度的應(yīng)用時(shí)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的最

3、新發(fā)展有望降低使用成本。科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直在討論新的信號(hào)在多頻和多導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，他們還對(duì)信號(hào)組合，特別是那些同時(shí)涉及多個(gè)頻率的載波相位測(cè)量，表現(xiàn)出了極大的興趣。舉例來(lái)說(shuō)，在載波相位定位的模糊度解算、接收機(jī)完好性的自主監(jiān)測(cè)和電離層研究方面，三個(gè)頻率的組合使用都表現(xiàn)出有很大的潛力。由于可以提高相關(guān)精度，使用三個(gè)頻率的載波相位測(cè)量為評(píng)估載波相位質(zhì)量和多徑效應(yīng)提供了一個(gè)特別簡(jiǎn)單的方法。新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)和系統(tǒng)新的民用信號(hào)將作為GPS現(xiàn)代化和新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS, Galileo和Compass)發(fā)展的一部分向社會(huì)提供， 保證用戶(hù)可以以較低的成本獲取新增功能。表 1 總結(jié)了新

4、的GPS ，Galileo和 Compass開(kāi)放式服務(wù) (OS) 信號(hào)的特點(diǎn)。未來(lái)開(kāi)放式服務(wù)（ OS）信號(hào)的特征對(duì)比（3sNews 配圖）第一個(gè)要實(shí)現(xiàn)的就是 L2C 的 GPS信號(hào)。這個(gè)信號(hào)一開(kāi)始是由GPS衛(wèi)星在 2005 年 9 月傳送的，截止到 2016年預(yù)計(jì)將擁有 24 顆衛(wèi)星。它將提供更高的精度以實(shí)現(xiàn)雙頻電離層的校正。L5 信號(hào)( 2009 年至2018 年) 計(jì)劃用來(lái)滿(mǎn)足交通運(yùn)輸安全中關(guān)于產(chǎn)品生命期(SOL)的苛刻要求，而 L1C信號(hào) (2014 年至 2021 年 ) 則是為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的互操作而設(shè)計(jì)的。相比于L2C 信號(hào)，新的L5 信號(hào)的碼片速率要高得多 ( 與加密的 P 碼

5、信號(hào)相同 ) ，達(dá)到了 10.23 MHz ，這可以保證較低的測(cè)距噪聲和更好的多路徑電阻。Galileo也推出了兩顆衛(wèi)星(Giove-A和Giove-B)，解決了頻率分配和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證的問(wèn)題。下一步計(jì)劃發(fā)射四個(gè)在軌驗(yàn)證(IOV)衛(wèi)星。前兩個(gè)在2011 年10 月發(fā)射，后兩個(gè)計(jì)劃在2012 年發(fā)射。全體協(xié)作能力(FOC)的形成以初始化協(xié)作能力為過(guò)渡，標(biāo)志是18 顆衛(wèi)星的協(xié)作運(yùn)行(IOV的四個(gè)衛(wèi)星加上另外14 個(gè)衛(wèi)星 ) 。到2015 年為止，18 顆衛(wèi)星應(yīng)該全部就位。其余的衛(wèi)星( 總共30 個(gè)衛(wèi)星 ) 也將在 2020 年到位，這將使E1 和 E5 信號(hào)得到更廣泛的應(yīng)用。雖然現(xiàn)在正在升級(jí)到碼分多

6、址技術(shù)(CDMA)，GLONASS目前依舊是基于頻分多址技術(shù)(FDMA)的。目前在軌的衛(wèi)星一共有27 個(gè)，其中處于工作狀態(tài)的有23 個(gè)，這使得GLONASS可以提供覆蓋全球的信息。如果攜帶有3 顆GLONASS-M衛(wèi)星的發(fā)射在2010 年 12月沒(méi)有失敗的話(huà)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)在就已經(jīng)完成了?，F(xiàn)在，只有在年底將三個(gè)GLONASS-M衛(wèi)星成功發(fā)射之后，GLONASS系統(tǒng)才能夠完成。第一個(gè) GLONASS- K的示范衛(wèi)星已經(jīng)在軌道上，在那里將傳輸系統(tǒng)的第一個(gè) CDMA信號(hào)，這種信號(hào)的設(shè)計(jì)是為了增加與其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)兼容性和互操作性，從而降低接收器的成本。GLONASS- K1的

7、 CDMA信號(hào)在系統(tǒng)的L3 頻段以 1202 MHz 的頻率播出。在下一代衛(wèi)星 K2 的版本中，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)將在 L1 頻率提供一個(gè) BOC(1,1) 的 CDMA信號(hào)。 GPS的 L5 頻段最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè) BPSK(10)的信號(hào)。一整套的 CDMA信號(hào)應(yīng)該會(huì)在 2020 年實(shí)現(xiàn)。第二個(gè) GLONASS- K衛(wèi)星預(yù)計(jì)在 2011 年底發(fā)射。中國(guó)區(qū)域衛(wèi)星系統(tǒng)的雛形北斗-1 在 2003 年完成，由三個(gè)地球靜止軌道衛(wèi)星組成。該系統(tǒng)目前正在擴(kuò)大成一個(gè)全球性系統(tǒng)，被稱(chēng)作北斗-2 或 Compass。整個(gè)系統(tǒng)將包括五個(gè)地球靜止軌道衛(wèi)星 (GEO)， 27 中等地球軌道衛(wèi)星(MEO)和五個(gè)傾斜地球同步

8、軌道衛(wèi)星(IGSO) 。該系統(tǒng)預(yù)計(jì)到2020 年全面投入運(yùn)作。關(guān)于北斗信號(hào)的最終計(jì)劃還沒(méi)有完成?？偠灾?，到2020 年時(shí)應(yīng)該有四個(gè)完成衛(wèi)星部署的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，這意味著將有超過(guò)40 個(gè)衛(wèi)星來(lái)觀測(cè)地球表面的幾乎每一個(gè)點(diǎn)，并且以三種不同的頻率產(chǎn)生操作系統(tǒng)信號(hào)。但是目前距離目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還很遙遠(yuǎn)，這意味著在未來(lái)的幾年內(nèi)將要面臨許多重要的挑戰(zhàn)。讓我們看看面對(duì)當(dāng)前的和即將出現(xiàn)的對(duì)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的威脅，比如干擾問(wèn)題及2013 年即將到來(lái)的太陽(yáng)活動(dòng)高峰期的問(wèn)題，我們到底能從目前已完成的工作中受益多少。干擾和頻率頻譜擁塞干擾會(huì)嚴(yán)重影響一個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器在準(zhǔn)確性、完整性、連續(xù)性和可用性方面的表現(xiàn)。高精度接

9、收器受到的影響尤為嚴(yán)重，因?yàn)樗鼈冃枰獜V泛的前端設(shè)備以實(shí)現(xiàn)無(wú)代碼的和半無(wú)代碼的 L2 信號(hào)處理技術(shù)，同時(shí)為了確定模糊度，還需要測(cè)量 L1 信號(hào)的偽距。精度為厘米級(jí)的精密接收器使用了一部分政府保密的頻譜， 這部分頻譜并不計(jì)劃對(duì)民眾公開(kāi) ; 因此，高精度接收器可能會(huì)受到相鄰信號(hào)的干擾，比如 L 波段多譜段掃描儀的信號(hào)。新的 L2C/L5信號(hào)則避免了對(duì)大頻譜寬度的需求，同時(shí)還能利用載波相位跟蹤實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多樣性。因?yàn)橛?4顆 GPS會(huì)在發(fā)送 L5 信號(hào)之前先發(fā)送L2C 信號(hào)，所以在短期內(nèi)，一些設(shè)計(jì)師可能會(huì)傾向于開(kāi)發(fā) L1/L2C 信號(hào)接收器。不過(guò) Galileo并不支持 L2C 信號(hào)。事實(shí)上到 2014

10、 年可能出現(xiàn)美國(guó)擁有12個(gè)發(fā)送 L1/L5 信號(hào)的 GPS衛(wèi)星，同時(shí) Galileo也擁有 12 個(gè)發(fā)送 L1/L5 信號(hào)的 GPS衛(wèi)星的情況。考慮到信號(hào)之間的兼容性，這就意味著會(huì)有24 顆 GPS衛(wèi)星發(fā)送 L1/L5 信號(hào)。除了信號(hào)組合，其他一些方面也需要考慮，比如要考慮天線的質(zhì)量，因?yàn)榱己玫奶炀€可以對(duì)所有接收器的頻率選擇性起到很重要的作用。高精度測(cè)量信號(hào)接收器需要關(guān)心的另一個(gè)重要部分是相位線性，因?yàn)樗枰艽蟮念l譜寬度，為此將接收器設(shè)計(jì)成高達(dá)1db 的壓縮點(diǎn)形式，這也提高了經(jīng)過(guò)三階互調(diào)的信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)減少了互調(diào)對(duì)信號(hào)的影響。提高壓縮率可能會(huì)導(dǎo)致功能消耗增多，不過(guò)同時(shí)波段信號(hào)的容錯(cuò)度也會(huì)大大

11、提高。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)該考慮一些具有自適應(yīng)能力的均衡方法。下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)高峰肉眼看到的太空平靜而廣闊。不過(guò)實(shí)際上太空并不是一成不變的。太陽(yáng)系會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似風(fēng)、 云、風(fēng)暴和颶風(fēng)等氣象變化，科學(xué)家們稱(chēng)之為“太空天氣”。太空天氣的變化主要受太陽(yáng)活動(dòng)周期的影響， 太陽(yáng)活動(dòng)的周期平均為 12 年，觀察太陽(yáng)活動(dòng)周期依靠的是記錄可見(jiàn)的太陽(yáng)黑子的頻率和位置。太陽(yáng)活動(dòng)高峰和太陽(yáng)活動(dòng)低谷分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)黑子數(shù)量最多和最少的時(shí)間段。下一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)高峰預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)在 2013 年 1 月到 5 月之間。雖然通過(guò)觀察太陽(yáng)黑子數(shù)目可以預(yù)計(jì) 2013 年的太陽(yáng)活動(dòng)高峰是一個(gè)相對(duì)較弱的高峰期，但大部分 GPS設(shè)備并沒(méi)有在處于太陽(yáng)活動(dòng)高峰

12、期的同時(shí)，在強(qiáng)電離層閃爍的條件下接受過(guò)測(cè)試。此外，許多最劇烈的太陽(yáng)能量爆發(fā)都發(fā)生在低于平均水平的太陽(yáng)活動(dòng)周期。任何 GPS信號(hào)，只要是需要在持續(xù)可用的情況下保持信號(hào)精度緩慢降低，信號(hào)很少或幾乎不出現(xiàn)周跳，并且不丟失信號(hào)的狀態(tài)，都會(huì)面臨閃爍現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)題。使用載波相位跟蹤技術(shù)的高精度接收器特別容易受閃爍現(xiàn)象的影響。除了造成信號(hào)幅度的衰減，閃爍現(xiàn)象還會(huì)以一種更微妙的方式造成信號(hào)相位的變化。如果相位移動(dòng)足夠迅速的話(huà)，就可以在GPS接收器的鎖相環(huán)中嘗試跟蹤環(huán)路。根據(jù)信號(hào)當(dāng)前的可用性，高精度接收器可以利用一個(gè)三階鎖相環(huán)路來(lái)應(yīng)對(duì)閃爍現(xiàn)象的影響，這個(gè)環(huán)路的預(yù)測(cè)時(shí)間間隔大約為10 毫秒，頻譜寬度約為10 赫茲

13、。使用無(wú)代碼技術(shù)，半無(wú)代碼技術(shù)以及Z- 跟蹤技術(shù)的雙頻接收器不適合用來(lái)跟蹤L2 信號(hào)，因?yàn)槭褂眠@些技術(shù)的信號(hào)接收器很容易受到閃爍現(xiàn)象的影響。隨著新信號(hào)的出現(xiàn)，老式的L1+L2P(Y) 接收器將會(huì)被現(xiàn)代的雙頻接收機(jī)(L1+L2C 或 L1+ L5) 所取代。此外， L2 和 L5 的新信號(hào)不包含任何數(shù)據(jù)位數(shù)轉(zhuǎn)換，這意味著從理論上來(lái)說(shuō)這些信號(hào)更能經(jīng)受住閃爍現(xiàn)象的影響。需要注意的是接收器最低設(shè)計(jì)的要求是：能在閃爍現(xiàn)象的影響下識(shí)別出信號(hào)。 ( 編譯 | 侯浩 )出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲

14、報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開(kāi)張圣聽(tīng)，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱(chēng)之曰 “能”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以?xún)A頹也。先帝在時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書(shū)、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣