GPS現(xiàn)代化及其影響 中篇（二）

劉天雄

GPS現(xiàn)代化及其影響 中篇（二）

劉天雄

圖17 GPS衛(wèi)星L1頻點(diǎn)信號(hào)結(jié)構(gòu)

4 GPS現(xiàn)代化進(jìn)展

4.2 GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化

4.2.4 播發(fā)軍用M碼信號(hào)

當(dāng)遭到潛在威脅時(shí)，美軍必須擁有中斷局部GPS服務(wù)，而授權(quán)用戶（authorized users）仍能夠正常接收GPS信號(hào)的能力。由此，以防衛(wèi)為手段的現(xiàn)代化計(jì)劃強(qiáng)調(diào)使用新的軍用M碼信號(hào)，軍用M碼信號(hào)調(diào)制到當(dāng)前的GPS系統(tǒng)L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）載波信號(hào)中，即L1M和L2M碼信號(hào)。新的軍用M碼信號(hào)使用被稱為“裂縫頻譜”(split spectrum)的二元偏置載波信號(hào)調(diào)制方案，其子載波頻率為10.23MHz，擴(kuò)展碼速率為5.115Mbit/s，表示為BOC(10.23,5.115)（簡(jiǎn)寫為BOC(10,5)）。實(shí)現(xiàn)軍用測(cè)距碼和民用測(cè)距碼頻譜分離，并將大部分能量放在分配在頻段的邊緣，例如L1頻點(diǎn)信號(hào)結(jié)構(gòu)中M碼信號(hào)頻譜與C/A碼和Y碼信號(hào)的頻譜功率譜密度比較如圖17所示，超過75%的M碼的信號(hào)功率處于GPS規(guī)定的24MHz帶寬之內(nèi)。

二元偏置載波導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軍用測(cè)距碼和民用測(cè)距碼頻譜分離，L1頻點(diǎn)的中心頻段調(diào)制C/ A碼信號(hào)，L2頻點(diǎn)的中心頻段調(diào)制CM和CL測(cè)距碼信號(hào)，供民用用戶使用，同時(shí)保留P（Y）碼信號(hào)，新的軍用M碼信號(hào)位于L1頻點(diǎn)和L2頻點(diǎn)的邊緣，C/A測(cè)距碼、P（Y）測(cè)距碼、M測(cè)距碼信號(hào)功率譜如圖18所示（詳見Keith D. McDonald, The Modernization of GPS: Plans, New Capabilities and the Future Relationship to Galileo, Journal of Global Positioning Systems (2002),Vol.1,No.1:1-17）。二元偏置載波導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制技術(shù)使現(xiàn)有GPS頻率的軍用信號(hào)得以延續(xù)，保證了與現(xiàn)有軍用與民用GPS用戶接收機(jī)的兼容性。美軍可以拒止對(duì)方使用民用測(cè)距碼信號(hào)的情況下利用軍用M測(cè)距碼信號(hào)實(shí)現(xiàn)位置解算，新的軍用M測(cè)距碼信號(hào)可以進(jìn)一步提高發(fā)射功率，為GPS系統(tǒng)的開展導(dǎo)航戰(zhàn)提供了技術(shù)保障。

GPS導(dǎo)航信號(hào)的最低接收功率為：L1 C/A測(cè)距碼信號(hào)-160dBW、L1 P（Y）測(cè)距碼信號(hào)-163dBW、L2P（Y）測(cè)距碼信號(hào)-166dBW，極易受到敵方干擾，詳見《現(xiàn)代化的GPS軍用M碼綜述》，王華，常江，現(xiàn)代防御技術(shù)，Vol.39，No.1，2011.2）。根據(jù)GPS現(xiàn)代化信號(hào)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)GMSTD（GPS Modernization Signal Design Team）負(fù)責(zé)人Brian C. Barker上尉發(fā)表在2000年美國(guó)導(dǎo)航年會(huì)的文章“Overview of the GPS M Code Signal”，未來M測(cè)距碼全球信號(hào)功率為-158dBW，M測(cè)距碼重點(diǎn)區(qū)域點(diǎn)波束信號(hào)功率為-138dBW，即M測(cè)距碼信號(hào)在重點(diǎn)區(qū)域的衛(wèi)星信號(hào)功率全球信號(hào)功率的100倍，同時(shí)M測(cè)距碼信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)全球和重點(diǎn)區(qū)域的切換，詳見Brian C. Barker, John W. Betz, John E.Clark, et al. Overview of the GPS M Code Signal [C] // Proceeding of ION 2000 National Technical Meeting, January 2000。由此在不干擾C/A測(cè)距碼信號(hào)和P（Y）測(cè)距碼信號(hào)的前提下，提高M(jìn)測(cè)距碼信號(hào)功率，可使M測(cè)距碼信號(hào)比P（Y）測(cè)距碼信號(hào)具有更好的抗干擾性。

軍用M碼信號(hào)與軍用P（Y）碼信號(hào)不同之處在于M碼信號(hào)是自助的，即不需要C/A碼信號(hào)來引導(dǎo)接收機(jī)捕獲軍用M碼信號(hào)。利用直接獲取技術(shù)實(shí)現(xiàn)的M碼信號(hào)自主獲取增強(qiáng)了系統(tǒng)的能力。強(qiáng)大的新的數(shù)據(jù)信息格式改善了GPS數(shù)據(jù)信息測(cè)量的重要性能，減少了正在使用的信息格式中存在的無效性，為GPS空間信號(hào)內(nèi)管理提供了靈活性，致力于現(xiàn)在與將來廣泛的運(yùn)行需求。

另外，M測(cè)距碼全球信號(hào)和M測(cè)距碼點(diǎn)波束信號(hào)有不同的擴(kuò)展序列，可加載不同的數(shù)據(jù)信息，在接收機(jī)中可以作為不同的信號(hào)進(jìn)行處理，類似于從不同衛(wèi)星接收到的信號(hào)。這將大幅度提高美軍GPS信號(hào)抗干擾能力和軍事行動(dòng)中GPS信號(hào)使用的安全性和抗干擾能力。

圖18 GPS系統(tǒng)C/A碼、P（Y）碼及M碼信號(hào)功率譜

4.2.5 GPS系統(tǒng)新一代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III

GPS全球定位系統(tǒng)分三個(gè)階段實(shí)施，第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段，1978年到1979年，在加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，主要驗(yàn)證定位體制和地面測(cè)控能力。第二階段為研制和試驗(yàn)階段，1979年到1984年，陸續(xù)發(fā)射了7顆BLOCK-I的試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)一步驗(yàn)證定位體制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明L1 C/A信號(hào)定位精度達(dá)到14米。第三階段為空間組網(wǎng)階段，1989年到1993年，陸續(xù)發(fā)射了24顆BLOCK-II 和 BLOCK-IIA衛(wèi)星。1993年美國(guó)國(guó)防部宣布GPS系統(tǒng)提供初始運(yùn)行服務(wù)IOC（Initial Operational Capability），同年美國(guó)國(guó)防部宣布GPS系統(tǒng)對(duì)全世界開放，用戶免費(fèi)使用。

1994年3月，最后一顆BLOCK-II衛(wèi)星發(fā)射并組網(wǎng)運(yùn)行，GPS系統(tǒng)建成Walker24/6/2星座，如圖19所示。衛(wèi)星軌道傾角為55°，軌道高度為20200km，周期為11h58min，衛(wèi)星運(yùn)行速度為3.87 km/s，在軌衛(wèi)星數(shù)24顆，分布在6個(gè)近圓形軌道面上，6個(gè)軌道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，各個(gè)軌道平面之間相距60度，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，備份星分布在B、D、F軌道面上，每一個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交點(diǎn)角相差90°，任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30°。2011年6月，BLOCK-II系列衛(wèi)星軌道位置如圖20所示。1995年7月17日，美國(guó)宣布GPS全球定位系統(tǒng)提供全面運(yùn)行服務(wù)FOC（Full Operational Capability），美國(guó)空軍承諾維護(hù)24顆衛(wèi)星長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)預(yù)計(jì)的故障而不是需要或固定周期來發(fā)射補(bǔ)充衛(wèi)星。

圖19 GPS Walker24/6/2星座

圖20 GPS系統(tǒng)空間段BLOCK-II系列導(dǎo)航衛(wèi)星軌道位置

圖21 GPS全球定位系統(tǒng)空間段導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展路線圖

2001年美國(guó)開始研發(fā)GPS全球定位系統(tǒng)第四代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III，GPS全球定位系統(tǒng)空間段導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展路線圖如圖21所示。

（1） BLOCK-III衛(wèi)星任務(wù)特點(diǎn)分析

在保持BLOCK-ⅡF導(dǎo)航衛(wèi)星能力基礎(chǔ)上，新一代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III將播發(fā)第四民用信號(hào)L1C，該信號(hào)計(jì)劃與歐洲伽利略GALILEO、中國(guó)北斗BDS、俄羅斯GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在L1頻點(diǎn)（1575.42MHz）實(shí)現(xiàn)兼容互操作。

新一代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III衛(wèi)星將進(jìn)一步提升GPS全球定位系統(tǒng)的定位精度，GPS系統(tǒng)BLOCKII和BLOCK-III導(dǎo)航衛(wèi)星定位精度比較如表4所示，詳見Ollie Luba, Larry Boyd, Art Gower，GPS III System Operations Concepts，ION GPS/GNSS 2003, 9-12 September 2003, Portland, OR。

表4 GPS系統(tǒng)BLOCK-II和BLOCK-III導(dǎo)航衛(wèi)星定位精度比較

圖22 BLOCK-IIIA衛(wèi)星地面總裝測(cè)試（AIT）及在軌展開示意圖

新一代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III有36顆，其中三顆是在軌備份星，有A、B、C三種類型，其中BLOCKIIIA系列導(dǎo)航衛(wèi)星12顆，BLOCK-IIIB系列導(dǎo)航衛(wèi)星8顆，BLOCK-IIIC系列導(dǎo)航衛(wèi)星16顆。三種類型導(dǎo)航衛(wèi)星任務(wù)側(cè)重點(diǎn)各不相同，其中BLOCK-IIIA導(dǎo)航衛(wèi)星主要任務(wù)是提高定位精度，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍，播發(fā)第四民用信號(hào)L1C，實(shí)現(xiàn)未來四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在L1頻點(diǎn)的兼容互操作，同時(shí)驗(yàn)證A2100衛(wèi)星平臺(tái)拓展能力，以適應(yīng)BLOCK-IIIB/C導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷的變化，BLOCKIIIA導(dǎo)航衛(wèi)星如圖22所示。

BLOCK-IIIB導(dǎo)航衛(wèi)星主要任務(wù)是增加星間鏈路載荷，衛(wèi)星安裝四個(gè)反射面星間鏈路天線，如圖23所示，地面運(yùn)行控制系統(tǒng)通過一顆衛(wèi)星可以將注入的導(dǎo)航電文和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳遞給星座所有衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)一站式測(cè)控和星座導(dǎo)航衛(wèi)星的互聯(lián)互通，大幅改善空間星座的精度。

BLOCK -IIIC導(dǎo)航衛(wèi)星主要任務(wù)是增加軍用M測(cè)距碼信號(hào)的大功率、點(diǎn)波束、反射面天線，如圖24所示，軍用M碼信號(hào)的播發(fā)功率較軍用P（Y）信號(hào)功率提高20dBw；同時(shí)進(jìn)一步改善空間星座的完好性。詳見2011年1月16日全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用研討會(huì)（UN/UAE/US Workshop On GNSS Applications Dubai）上Lockheed Martin空間系統(tǒng)公司導(dǎo)航系統(tǒng)部主任Michael Shaw提交的GPS現(xiàn)代化報(bào)告（GPS Modernization: On the Road to the Future，GPS IIR/IIR-M and GPS III）。

（2） BLOCK-III衛(wèi)星研制計(jì)劃

2008年5月15日，美國(guó)國(guó)防部確定Lockheed Martin空間系統(tǒng)公司為未來GPS全球定位系統(tǒng)BLOCK-III衛(wèi)星的總承包商，主要配套單位包括ITT Exelis公司（負(fù)責(zé)研制衛(wèi)星有效載荷），Honeywell公司（負(fù)責(zé)研制衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制系統(tǒng)）以及General Dynamics公司（負(fù)責(zé)研制衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)）。美國(guó)國(guó)防部要求合同簽署后72個(gè)月發(fā)射BLOCK-IIIA衛(wèi)星；2008年10月，Lockheed Martin 公司確定了BLOCKIII系列衛(wèi)星的技術(shù)基線、研制計(jì)劃以及衛(wèi)星性能；2009年5月，Lockheed Martin 公司完成了BLOCKIII系列衛(wèi)星的初樣設(shè)計(jì)評(píng)審；2010年8月，Lockheed Martin 公司完成了BLOCK-III衛(wèi)星的詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審，隨后開始工程模型（結(jié)構(gòu)星、熱控星、電磁輻射星、電性星）、鑒定產(chǎn)品以及飛行產(chǎn)品的研制，2014年二季度衛(wèi)星具備發(fā)射條件，GPS全球定位系統(tǒng)空間段BLOCK-III系列導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展路線圖如圖25所示。

BLOCK-III系列衛(wèi)星均在位于美國(guó)Colorado州Denver市的Lockheed Martin 公司Martin Waterton衛(wèi)星研制中心完成總裝和測(cè)試，如圖26所示。預(yù)計(jì)2015年前后開始BLOCK-III衛(wèi)星組網(wǎng)發(fā)射，2025年前后完成36顆衛(wèi)星的組網(wǎng)，其中3顆衛(wèi)星為在軌備份星。BLOCK-III衛(wèi)星組網(wǎng)后，將改變目前24顆BLOCK-II系列導(dǎo)航衛(wèi)星分布在六個(gè)MEO軌道面的星座設(shè)計(jì)方案，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新一代BLOCK-III衛(wèi)星將分布在HEO高橢圓軌道和MEO中圓地球軌道，構(gòu)成新的衛(wèi)星導(dǎo)航混合星座。

圖23 未來BLOCK-IIIB衛(wèi)星在軌展開示意圖

圖24 未來BLOCK-IIIC衛(wèi)星在軌展開示意圖

（3） BLOCK-III衛(wèi)星主要特點(diǎn)

圖25 GPS全球定位系統(tǒng)空間段BLOCK-III系列導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展路線圖

BLOCK-III系列衛(wèi)星將播發(fā)功率更大的、不易受干擾的軍用導(dǎo)航信號(hào)，可以與未來四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容互操作，在未來導(dǎo)航戰(zhàn)NAVWAR（navigation warfare）中將具備在特定區(qū)域關(guān)閉GPS導(dǎo)航定位服務(wù)功能，而同時(shí)保持美軍及其盟軍提供GPS導(dǎo)航定位能力，由此奠定美國(guó)在天基無線電衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，全面滿足美軍未來2030前后的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)需求。BLOCK-III衛(wèi)星主要特點(diǎn)如下：

1)衛(wèi)星有效載荷包括衛(wèi)星導(dǎo)航RNSS（Radio Navigation Satellite System）、核爆探測(cè)NDS（Nuclear Detonation/Detection System）以及衛(wèi)星災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)DASS（Distress Alerting SatelliteSystem），詳見http://www.gps.gov/systems/ gps/modernization/civilsignals/；

2)衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)為L(zhǎng)1, L2, L3, L4, L5, L6，其中導(dǎo)航信號(hào)為L(zhǎng)1C、L1 P（Y）、L1 M、L2C、L2 P（Y）、L2 M、L5，將進(jìn)一步提高定位精度的同時(shí)將滿足未來軍用信號(hào)抗干擾能力需求；

3)三個(gè)民用導(dǎo)航信號(hào)L1C、L2C和L5為民用用戶提供亞米級(jí)實(shí)時(shí)點(diǎn)位測(cè)量精度，BLOCK-IIR-M/IIF系列導(dǎo)航衛(wèi)星24小時(shí)用戶測(cè)距誤差URE均方根值為3m，BLOCK-IIIA導(dǎo)航衛(wèi)星減小到0.7m，BLOCK -IIIB導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)減小到0.2m，由此系統(tǒng)定位精度將大幅度得到改善，如圖27所示，

4)系統(tǒng)抗干擾能力由空間系統(tǒng)衛(wèi)星SV和地面用戶設(shè)備UE共同實(shí)現(xiàn)，能夠滿足未來對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力需求，如圖28所示，詳見Ollie Luba, Larry Boyd, Art Gower，GPS III System Operations Concepts，ION GPS/ GNSS 2003, 9-12 September 2003, Portland, OR。

5)衛(wèi)星重量3960磅（1磅=453.592克），設(shè)計(jì)壽命15年；

6)衛(wèi)星軌道高度10898海里(1海里=1.8532公里)，軌道傾角55°；

7)采用EELV Atlas 或者 Delta V運(yùn)載火箭，一箭一星或一箭雙星方式發(fā)射，如圖29所示；

8)近實(shí)時(shí)地預(yù)警GPS衛(wèi)星及其導(dǎo)航定位信號(hào)的故障，從現(xiàn)行空間信號(hào)完好性預(yù)警時(shí)間6s（借助RAIM）縮短到5.2s，拓寬GPS導(dǎo)航定位信號(hào)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用，其中RAIM（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）的意思是“接收機(jī)自主完好性”；

圖28 BLOCK-III衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)抗干擾能力提升

圖29 BLOCK-IIIA衛(wèi)星及其Delta V運(yùn)載火箭一箭雙星發(fā)射方式

9)強(qiáng)化軍用導(dǎo)航服務(wù)，導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)軍民分離后，可以采用大功率點(diǎn)波束天線發(fā)射L1M、L2M軍碼信號(hào)。目前L1和L2頻點(diǎn)上的各信號(hào)的接收功率分別為：C/A測(cè)距碼信號(hào)-157dBW、Y測(cè)距碼信號(hào)-160dBW、M測(cè)距碼全球信號(hào)-154dBW，M測(cè)距碼重點(diǎn)區(qū)域點(diǎn)波束信號(hào)功率為-134dBW，即M測(cè)距碼信號(hào)在重點(diǎn)區(qū)域的衛(wèi)星信號(hào)功率全球信號(hào)功率的100倍（20dB），同時(shí)M測(cè)距碼信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)全球和重點(diǎn)區(qū)域的切換。詳見《GPS技術(shù)進(jìn)展及其現(xiàn)代化》，陳俊勇，大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)。

（《GPS現(xiàn)代化及其影響》中篇已連載完畢。）