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美国GPS系统现状及其技术特征分析讲解

美国GPSiji系誊i统誊现i}状j及;{其i技?

|“术特征分析

帅平

(中国空间技术研究院

口口自2000年以来,为了进一步提高GPS系统的导航定位精度,增强系统的连续性、完好性、可用性、抗干扰和自主生存能力,美国积极推进GPS系统的现代化,使之成为国际卫星导航的标准系统。

GPS系统现代化采取的技术措施和步骤包括:

①关闭选择可用性(SA软件;②新增军用M码和民用L2C码;③增设民用频率L5;④实施新一代GPS一3系统计划。

当前,正处于GPS系统现代化的第2阶段,即部署现代化改造卫星系列GPS一2RM。

本文在简要论述GPS系统现状的基础上,详细分析了GPS~2系统星座在轨备份与维持技术、卫星系列与长寿命、有效载荷技术、自主导航技术、导航信号调制技术和控制站现代化改造等最新技术特征,以及GPS一3系统技术进展,为我国卫星导航系统建设规划提供参考。

1GPS系统现状

截至2007年7月,GPS星座拥有30颗在轨运行卫星,包括15颗GPS一2A卫星、12颗GPS一2R卫星和3颗GPS一2RM卫星。

其中,在第1~4轨道面上各有5颗卫星;在第5轨道面上有4颗卫星;在第6轨道面上有6颗卫星。

当前的GPS星座已不是早期设计的经典Walker24/3/2星座构型,而是趋向于一种6个轨道面的卫星均匀分布与非均匀备份混合星座构型。

这样的星座设计能够保证导航卫星信号的全球连续性覆盖,满足系统可用性指标要求,有利于实现接收机自主完好性监测(RAIM,从而获得安全可靠的高精度导航信息。

用户测距误差(URE是评价卫星导航系统性能的关键指标,与系统地面控制部分和空间星座部分密切相关,由卫星星历及时钟误差在用户至卫星视线方向的投影计算得到。

在图1中展示了1990一2005年URE均方根误差,即用户测距精度(URA的长期统计结果。

从图1中可以得出,自1995年GPS星座具备完全可操作能力以来,URA提高了62%,到2005年已达到1.1m。

随着GPS一2R/2RM卫星系列的部署,加入星间链路测距数据,进一步减小了URE值。

2007年2月21日统计的GPS星座30颗卫星的URA值已达到o.74m。

可见,GPS系统用户测距精度逐渐提高是GPS卫星系统技术不断演化及地面控制站升级和完善的结果,能满足军民用户高精度导航应用需求。

《国际太空》2007年10月号5万方数据

图1GPS系统用户测距精度持续改进过程

2GPS一2系统的技术特征分析

2.1GPS星座在轨备份与维持技术

GPS星座在轨备份策略随着星座演化而不断完善,取得了良好的实际工程应用效果。

每次发射进入GPS星座的替补卫星,并不是对退役卫星站位的简单替换,其具体站位是由备份策略优化计算得到的。

近8年来,GPS星座在轨卫星数量一直保持在28颗以上,在表1中给出了在此期间发射的GPS卫星及相应的退役卫星轨道面和站位分布情况。

从表中可以看到,发射GPS替补卫星与相应的退役卫星在分布轨道面和站位上没有必然联系,甚至不在同一轨道面上。

表12000—2007年发射的GPS替补卫星与退役卫星分布情况

PRN替补卫星退役卫星

编号卫星系列号发射日期轨道面站位卫星系列号退役日期轨道面站位16GPS一2R一82003一01—29B/1GPS一2—32000一03一04E/321GPS一2R一92003—03—31D/3GPS一2—82002一09—25E/222GPS一2R一102003—12—21E/2GPS一2A一182002—12—03B/619GPS一2R一112004—03—20C/3GPS一2—42001一09—11K渔23GPS一2R一122004—06—23'f≮GPS一2A一102003—1l一13D/502GPS一2R一132004—11—04D/1GPS一2—22004一05—12B/517GPS一2R一14M2005—09—26C/4GPS一2—52005—02—23D/631GPS一2R一15M2006—09—25A/2GPS一2A一192004—12—28C/312GPS一2R一16M2006—11—17B/5

15GPS一2—92007—03—14D/5注:

表中PRN编号指的是伪随机噪声编号。

事实上,GPS星座在轨备份策略是根据星座全球连续覆盖监测结果、系统性能指标、星座卫星健康状态、运载和发射能力、新型卫星研制状况、卫星及星座可靠性预算、发射时刻、发射场地,以及系统现代化进程等多种因素的量化数据,采用GPS星座备份策略优化设计与分析软件,计算得到替补卫星的部署轨道面和站位。

针对退役卫星对星座全球覆盖性能的影响评估结果,对星座卫星站位进行动态配置。

例如,在2003年7月一2007年7月,美国就对4颗GPS一2A卫星进行了站位调整,以满足星座全球连续覆盖性能指标要求(见表2所示。

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《国际太空》2007年10月号

万方数据

表2GPS一2A卫星站位动态调整情况PRN轨道站位编号编号卫星系列号面2003年7月2007年7月24GPS~2A一11D1625GPS~2A一12A25

01GPS一2A一16F4607GPS一2A一20C45可见,导航星座在轨备份与长期维持策略属于多元决策变量、多目标和复杂函数的优化问题。

GPS星座的长期维持策略逐渐由按计划发射方式向按需发射方式过渡,其替补卫星部署轨道面和站位随发射时刻动态优化确定,以满足全球定位精度、连续性、完好性和可用性等系统性能指标要求。

2.2GPS卫星系列与长寿命特征

目前,美国已发射了5种GPS卫星系列,即GPS一1、GPS一2、GPS一2A、GPS一2R和GPS一2RM,共计55颗卫星,其中GPS一1—7和2R一1两颗卫星

发射失败。

在表3中分别给出了5种卫星

系列的主要技术参数。

从表3中可以看

到,GPS一2R卫星系列都采用了铷钟频标,已取代铯钟空间应用。

星载铷钟稳定度为1×10。

3~4×10。

14(每24h,具有较小的热系数,毋需专门作外部热控系统设计,对于不可预见的热环境,能由附加的基板加热器进行环境温度调节,以保证铷钟正常工作。

表3已发射GPS卫星系列的主要技术参数

卫星系列GPS一1GPS一2GPS一2AGPS一2RGPS一2RM

在轨质量/kg50077498710751075

功率/W40071070011361136

铯钟数/台12200

铷钟数/台22233

设计寿命/a57.37.810lO

首次发射时间1978—02—221989—02—141990—11—261997一01—172005—09—25

已发射数量/|颗11919133

截至2007年7月,美国已发射了55颗GPS卫星,其中成功发射并退役的有23颗卫星。

在这23颗卫星中,仅有GPS一1—5、2—7和2A一13卫星未达到设计寿命要求;GPS一2—9卫星在轨运行时间最长,达到16.6年,是其设计寿命的2.3倍;已成功发射并退役的10颗GPS一1卫星和13颗GPS一2/2A卫星的平均使用寿命分别为9.6年和11.5年。

可见,GPS卫星设计和研制技术,以及星座长期维持与运行管理技术已相当成熟。

GPS卫星的长寿命特征是该系统获得空前成功的重要保障条件。

2.3GPS卫星有效载荷技术演化

根据GPS系统现代化进程,剩余的5颗GPS一2RM卫星将在2007年年内发射部署完毕,2008年将发射后续的GPS一2F卫星系列。

GPS一2F卫星在轨质量为1545kg,功率为2900W,设计寿命为12年。

2013年,美国将实施新一代GPS系

《国际太空》2007年10月号7万方数据

统计划——GPS~3。

GPS卫星有效载荷技术演化进程为:

・GPS~l卫星系列属于双频率L1(1575.42MHz和L2(1227.60MHz基本型卫星,在L1频率上调制C/A码、P1码和导航电文信号,在L2频率上调制P1码和导航电文信号,因此也被称为原始概念验证卫星。

该卫星系列由罗克韦尔(Rockwell公司负责研制,反映了系统开发阶段的技术水平。

・GPS一2卫星系列是由Rockwell公司负责研制的标准型卫星。

除具有GPS一1卫星的基本功能外,卫星有效载荷增加功能包括:

核爆探测系统(NDS载荷;人为降低广播星历和时钟参数精度的SA软件;采取反电子欺骗(A—S措施,将军用P码加密为P(Y码;具有14天的导航电文存储能力。

NDS信息通过L3(1381.05MHz频率下传到地面信息分析中心,同时L3频率还用于传输导弹预警信息和其他方面。

・GPS一2A卫星为GPS一2的增强型卫星系列,具有180天的导航电文存储能力,。

在缺乏地面控制系统信息支持的情况下,卫星自主播发导航电文,用户导航定位精度逐渐下降。

・GPS一2R卫星为GPS一2/2A的替补卫星系列,由洛马公司负责研制,增加了星间测距与通信链路设计,具有自主导航功能。

同时,卫星还具有在轨可编程能力,并采用了针对星载铷钟性能的先进时间保持系统,实现星上时间系统保持和无缝切换。

可见,该卫星系列对有效载荷做了较大的技术改进,以满足现代卫星导航系统性能需求。

・GPS一2RM卫星是对8颗GPS一2R卫星进行现代化改造的卫星系列,该卫星在Ll和L2频率上播发新的军用M码,并在L2频率上播发民用测距码(L2C。

L2C码具有灵活的信号结构、较强的数据恢复和信号跟踪能力,普通用户可利用双频测量伪距修正电离层延迟误差。

M码比P(Y码具有较强的发射功率、抗干扰能力和保密性能,以及有利于直接捕获等优点,能更好地满足军用需求。

・GPS一2F卫星(见图2属于GPS一2A/2R的后续卫星系列,由波音公司负责研制。

该卫星将增加民用频率L5(1176.45MHz,有利于保障民航安全,修正电离层延迟误差,实时解算载波相位模糊度,削弱多路径效应影响等。

同时,卫星采取柔性的有效载荷软硬件设计,增强星问链路数据处理、网络通信及高速的上下行链路数据传输能力。

卫星上行和下行数据传输速率分别达到2kbit/s和1.9Mbit/s。

图2GPS一2F卫星

2,4GPS卫星自主导航技术

GPS一2R/2RM卫星具有自主导航功能。

所谓自主导航是指导航卫星在长时间得不到地面测控系统支持的情况下,通过

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《国际太空》2007年10月号

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星间双向测距、数据交换及星载处理器滤波处理,不断修正地面站注入的卫星长期预报星历及时钟参数,并自主生成导航电文和维持星座基本构型,满足用户高精度导航定位应用需求的实现过程。

其中,星间测距与通信链路是GPS卫星自主导航的核心技术,由星间信号发射机、信号接收机、馈电网络、发射天线单元、接收天线单元及信号与数据处理单元组成。

GPS卫星自主导航模式和技术特点在于:

‘・星问链路天线星间链路发射天线采用独立天线单元,而接收天线由9个单元组成的平面直射阵列组成,其中1个单元位于阵列中心,其余8个单元围绕中心单元均匀布置,且馈电相位与中心单元反相,馈电幅度按比例配置。

接收天线波束相位中心稳定,波束边缘增益可达到7dBi左右。

・星间链路拓扑结构根据GPS星座构型和星间链路天线赋形设计,星问链路距离可达到49465km。

对于24颗卫星星座,可以建立8~16条同轨道面前向和后向链路,以及异轨道面侧向链路。

・星间链路通信体制星间通信采用时分多址(TDMA扩频通信体制,通信频段为超高频(250~290MHz。

每颗卫星分配1.5s的时间间隔用于双频测距或通信。

对于24颗卫星星座,36s为1个子帧,900s为1个主帧。

GPS一2R/2RM卫星星间链路测距周期可选择15“n、1h、2h、3h、4h和6h,其中1h为缺省值设置。

・自主导航信息处理流程星间测距与数据交换一星间测距与时钟参数修正一星座卫星完好性监测与评估一更新星历和时钟参数一修正星座整体旋转误差一重新拟合卫星星历和时钟参数一修正卫星时钟偏差一保存每小时检测点数据一生成导航电文。

・自主导航工作模式GPS一2R/2RM卫星自主导航采取4种工作模式:

①关闭模式,仅进行星间测距和数据存储;②滑行模式,星间测距、数据存储和递推、导航电文生成,以及更新电文播发至用户;③隔离模式,不使用其他卫星数据,卫星处理原有数据;④正常模式,执行全部自主导航操作。

将GPS一2R/2RM卫星星间测距数据下传到地面主控站进行分析处理,计算得到卫星自主导航URE时间序列(如图3所示。

从图3中可以看到:

75天的GPS卫星自主导航URE值在大多数情况下小于3m;在无地面系统支持的情况下,40天以后的URE值具有逐渐增大的趋势。

GPS~2R/2RM卫星自主导航设计指标要求是在180天时间内URE值小于6m,用户导航定位精度不会有明显下降。

事实上,基于星间链路信息的导航星座自主导航,由于缺乏外部时空基准信息,不能消除或抑制星座整体旋转误差、地球自转的非均匀性误差和极移残差随时间累积,致使星座难于长时间自主运行。

因而,在GPS一2F卫星设计中,其自主导航指标要求更改为,具有60天自主导航能力,URE值小于2m。

此外,美国正考虑采用一种导航星座“抛锚"技术,来解决GPS自主导航星座整体旋转问题。

通过地面站定期向星座卫星发射测距信号和调制数据信息,卫星自主进行信息处理,抑制星座不可观测性误差随时间累积。

但是,这种通过建立星地链路的解决方式,又违背了导航卫星长时间自主运行的原则。

《国际太空》2007年10月号9万方数据

图3GPS卫星自主导航URE时间序列2.5GPS卫星M码信号二元偏置载波BPSK(10)调制信号跟踪测距精度与载噪比之间的关系。

从图4中可以看到:

伪码跟踪测距精度随载噪比增大而提高;在载噪比一定的情况下,BoC调制信号跟(BOC)调制技术在GPS一2RM卫星上增加的军用M码采用了BOC调制技术。

BoC技术不同于传统的二相移键控(BPSK)和四相移键控(QPSK)调制,是一种通过分裂频谱信号将能量偏移远离载波频带中心的有效信号的调制方式。

利用BOC技术调制的导航信号优势在于:

踪测距精度高于BPSK调制信号;BOC调制系数越大,其测距精度就越高。

尽管采用BoC调制导航信号具有诸多优点,但是BOC调制信号的捕获与跟踪存在模糊度问题。

BOC调制信号的自相关函数属于多个峰值函数,主峰和次峰幅度差异较小,次峰幅度达到主峰值的70%以上。

若接收机错误锁定了次峰位・实现导航频段重用,减少信号相干损耗,抑制信号多路径效应,提高伪码测量跟踪精度;・增强信号抗干扰性能,以及简化信置,将会带来较大的伪距测量误差。

因此需要采用不同于传统调制信号的捕获与跟踪新算法,以检测正确的自相关峰值。

GPS一2RM卫星在L1和L2频段上采用BOC(10,5)调制M码信号。

2005年9月26日,成功发射了第1颗现号微波处理单元和多工器设计;・提高军用信号发射功率而不会干扰民用弱信号捕获,、有利于实现军用和民用导航信号的分离。

BoC常用表达形式为BoC(m,n),其中m、n分别表示相对于次载波频率和扩频码速率与星载时钟基准频率的比值,m与n之比值称为BOC调制系数。

对于GPS卫星,时钟基准频率为1.023MHz,在图4中分别展示了BoC(5,5)、BOC(8,4)、BOC(9,3)、BOC(10,2)和10代化卫星GPS一2R一14M。

2∞5年12月16日,该卫星正式播发M码信号,雷神公司率先对其成功捕获和跟踪,测试验证了M码信号的跟踪测量精度、编码加密及抗干扰等性能,M码信号功率较P(Y)码的增强了10dB以上。

《国际太空》2007年10月号万方数据

\目蜊蜒L亡廿孥鄹载噪比/dB图4基于BOC信号调制方式的测距精度随载噪比的变化关系2.6GPS系统地面控制站技术改造NGA站并投入使用,其余3个站正在改建之中。

此外,还要在美国西部的范登堡空军基地再建设1个主控站作为备份。

这样,确保任意时刻GPS星座中的每颗卫星信号能同时被3个以上监测站跟踪,以提高卫星轨道及时钟参数预报精度,增强卫星信号完好性监测能力,提高控制系统的数据处理与传输能力,减小用户测距误差,持续改进GPS系统性能。

GPS地面控制站现代化改造是增强GPS系统性能的重要内容,包括软件和硬件两个方面。

GPS精度改进议案(AII)提出了地面控制站技术改造措施,其目标是进一步减小卫星星历及时钟误差,提高用户导航定位精度。

目前,GPS地面控制系统软件已升级到V5.2版本,软件修改内容包括:

①改进卫星轨道测定及预报算法;②改善卫星时钟管理与监测机制;③缩短导航电文数据龄期;④减小监测站位置误差;⑤完善3GPS一3系统技术与研究进展尽管GPS一2系统应用获得了空前成分布式卡尔曼滤波算法、传输软件和数据处理流程等。

地面控制站技术改造包括:

功,但是其系统结构框架源于20世纪七八十年代的规划设计和技术基础,存在诸多自身难于克服的缺陷,包括导航信号精度、可用性、完好性、安全性、可监测性和抗干扰性能,以及星座异常事件的快速反应能力等,不能满足未来军事、民用和①更换地面监测和注入站天线、原子时钟、计算机及其网络设备;②在原有5个监测站的基础上,将卡纳维拉尔角预发射协调站扩建为监测和注入站;③改造分布于全球的美国国家影像制图局(NIMA/NGA)的11个GPS跟踪站,纳入地面控制系统网络,目前已改造完成8个商业用户的更高要求。

因此,GPS一3将采用全新的设计方案,融合配置各种技术资源,克服GPS一2系统缺陷,并具有向11《国际太空》2007年10月号万方数据

后技术兼容能力,以满足未来30年系统技术扩展和用户需求。

3.1自主管理功能,并在L1、L2、L3、L4、L5和L6频段上调制导航及相关信号。

卫星设计寿命为15年,质量为1796蛞,可以常年发射到任意轨道平面,不存在发射窗口约束问题,其主要技术特征在于:

・高速和精确指向的星问链路。

GPS一3GPS一3系统发展规划2000年5月,美国空军宣布启动新一代GPS系统计划——GPS一3,并进行系统顶层与星间链路分析论证,洛马、光谱宇航和波音公司共同负责系统设计与实现。

该计划分为4个阶段:

2000一2005年为系统概念研究和可行性论证阶段;2006—2008年为关键技术攻关与仿真试验阶段;2009—2012年为工程研制阶段;卫星将继续提供更高速率的星间链路网路,保证星间信息传输和地面控制系统的实时测控操作。

・高功率的点波束发射天线。

在强干扰的敌对环境条件下,GPS一3卫星启用点波束发射天线,同时增强2个指定区域的信号功率,保证军用接收机能够接收导航信号,且导航定位精度不受影响。

利用点波束天线使卫星信号功率增强27dB,而军用接收机天线和信号处理模块可以获得11dB增益,因此系统具有38dB的抗干扰能力,满足美国军用导航战需求。

・实时完好性监测功能。

GPS一3系2013年以后进入GPS一3卫星发射部署和试验验证阶段。

2007年8月,洛马和波音公司分别提交了GPS一3卫星第1阶段合同的竞标书。

GPS一3卫星合同包括3个阶段:

第1阶段是2013年之前交付8颗GPS一3A卫星,合同价值20亿美元;第2阶段是在2016年之前交付8颗GPS一3B卫星;第3阶段是2019年之前交付16颗GPS一3C卫星。

首颗GPS一3卫星预计于2013年发射。

目前已完成了GPS一3系统结构与需统建立高速的星地和星间链路网络,提供了故障事件的近实时报警和处理机制。

只要接收到1颗卫星信号,就可以获得整个星座信息,卫星自主进行故障诊断和处理,确保用户获得安全可靠的导航信息。

・星载灾害报警系统。

GPS一3卫星增加灾害报警系统,提供基本搜救服务。

通过在超高频(406MHz)上调制求定义、需求分析研究、操作概念模式研究及通信网络与星间链路论证等,并开发了一套性能强大的集成GPS仿真系统(I—GPSS)软件,进行星座设计与系统性能分析。

GPS一3将采用3个或6个轨道面,轨道倾角为55。

,轨道高度暂定为20196km,27颗中地球轨道(MEO)卫星与4颗或9颗地球静止轨道(GE0)卫紧急事件呼救信号,并转发至GPS一3卫星。

卫星通过L6(1544MHz)频率星配置的星座设计方案,确保由GPS一2到GPS一3星座的平稳过渡。

3.2及时播发呼救信息至地面搜救中心,将增强现有的国际卫星灾害报警系统“科斯帕斯搜索与救援卫星”(Cospas—Sar—sat)的搜救能力。

・增加L4(1379.91MHz)频率。

GPS一3卫星技术特征GPS~3卫星(见图5)系列将继承和完善以前GPS卫星平台及有效载荷的成熟技术,具备柔性的在轨可编程和冗余硬件12GPS一3卫星考虑增加L4频率,用于修《国际太空》2007年10月号万方数据

正由太阳辐射电离产生的大气层延迟误差,进一步减小用户等效测距误差,提高导航定位精度。

结构、通信性能、测距性能、鲁棒性能及数据流的路由处理方案等。

星间信息包括上传更新卫星信息、控制指令、星间测距数据、星载敏感器数据、星上更新软件、多任务通信、以及用户设备更新软件等。

・星地通信链路网络GPS一3要求构建高速的卫星跟踪、遥测与遥控(TT&C)星地通信链路网络,其上下行数据传输速率要求高于GPS一2F,分别达到200kbit/s和6Mbit/s。

当前GPS采用的TT&C通信频段S(1755~・增加L1C码信号。

GPS一3卫星将在L1频段上增加L1C码信号,并采用BOC(1,1)调制方式,与欧洲“伽利略”系统L1频段信号兼容,进一步提高民用导航系统性能。

1850MHz)将用于地面电信通信业务,因此GPS一3将考虑采用USB测控体制,其频段为S(2025~21loMHz)。

同时,还考虑采用C频段测控体制。

2003年国际电信联盟(ITU)规定:

C(5.o~5.o3GHz)频段为无线电导航卫星专用频段,其中C(5.o~5.o1GHz)和C(5.01~5.03GHz)频段分别用于上、下行测控和导航信息传输。

C频段上行信息包括控制指令、星上更新软件和用户设图5GPS一3卫星备更新软件等;C频段下行信息包括遥测信息、星载敏感器数据、测距数据和多任务通信等。

3.3GPS一3系统信息传输体制GPS一3系统信息传输网络设计,要求支持导航信息可靠传输、自主导航、完好性监测和具有可扩展能力,降低对海外测控站的依赖。

GPS一3系统信息传输体制包括星间测距与通信链路网络和星地通信链路网络两个方面:

・星间测距与通信链路网络当前4结束语当前,GPS系统正在进行现代化技术改造和新一代卫星导航系统规划。

通过综合分析GPS系统发展状况和技术特征,总结出卫星导航系统技术的发展方向是:

导航系统兼容性、区域信号增强、信号加解密与调制、星座自主导航及导航与通信一体化等。

借鉴国外卫星导航系统的先进技术和经验,积极开展关键技术研究,促进我国卫星导航系统技术发展。

■收稿日期:

2007一08—2213GPS星间链路采用超高频段,GPS一3将考虑采用Ka(22.55~23.55GHz)

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