吳海玲

(北京跟蹤與通信技術研究所,北京100094)

0 引 言

GPS具有定位精度高、方法靈活、操作簡便、可全天候使用等特點,已逐漸深入到軍事和國民經濟各個領域,成為武器裝備信息化建設和國家信息化建設的重要支撐。在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中,GPS在美軍作戰(zhàn)平臺、武器彈藥、作戰(zhàn)指揮等各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮了難以替代的作用。據統計,美軍四次戰(zhàn)爭所用GPS精確制導武器數量所占比例分別為:1991年海灣戰(zhàn)爭為7.6%,1999年科索沃戰(zhàn)爭為35%,2001年阿富汗戰(zhàn)爭為60%,2003年伊拉克戰(zhàn)爭為68.3%以上。在民用領域,GPS已廣泛滲透到交通、電信、電力、金融等核心基礎設施,成為重要的空間信息基準,在國際衛(wèi)星導航市場處于絕對壟斷地位。美國為保持其GPS國際領先地位,將持續(xù)不斷對系統進行升級改造和性能提升。從 1996年開始實施GPS現代化計劃,以提高星上的處理能力和原子鐘性能,增加新的民用頻段,增強軍用信號的保密性和抗干擾性,分離軍民碼頻譜等措施,不斷提高精度和抗干擾、反利用能力,從而確保在軍事領域的控制能力和在民用市場的壟斷地位。

GPS在現代軍事、國民經濟與大眾生活各領域的廣泛應用,一方面使GPS成為國際標準,逐漸確立了其霸主地位,另一方面GPS系統本身的脆弱性以及系統持續(xù)的升級維護也給廣大用戶帶來了使用上的風險。針對2010年度GPS升級調整,淺析其具體的客觀表象及其對用戶帶來的影響。

1 GPS系統的組成、工作原理和信號特點

1.1 GPS系統組成

GPS系統由三大部分組成,即空間段、控制段和用戶段?？臻g段即衛(wèi)星星座,系統完整星座由分布在6個軌道面上的24顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星的主要任務是連續(xù)不間斷的播發(fā)導航信號?？刂贫渭吹孛孢\行控制系統,由主控站、注入站和監(jiān)測站組成。主要任務是跟蹤所有的衛(wèi)星以進行軌道和時鐘測定、預測修正模型參數、衛(wèi)星時間同步和為衛(wèi)星上行加載導航電文等。用戶段由用戶接收設備組成,用于接收處理從衛(wèi)星發(fā)射的導航信號,進而確定用戶位置、速度和時間等[1]。

1.2 GPS工作原理

GPS衛(wèi)星在空中晝夜不停的連續(xù)發(fā)射導航信號,導航信號上調制有測距碼和導航電文。導航電文中含有衛(wèi)星在空間的準確位置(由星歷參數和歷書參數描述,由地面控制站定時上行注入給衛(wèi)星),GPS接收機接收衛(wèi)星發(fā)射的導航信號,通過接收跟蹤測距碼信號,測量信號的到達時間,計算衛(wèi)星和用戶之間的距離;通過解調導航信號中的導航電文,獲得衛(wèi)星的位置,有了接收機距離衛(wèi)星的距離,以及衛(wèi)星自身的準確位置,就可以通過三球交會原理列出位置解算方程,給出用戶機的位置和速度等信息。

1.3 GPS信號結構

由GPS工作原理可見,衛(wèi)星發(fā)射的導航信號是用戶機實現導航定位授時等基本應用的基礎輸入。GPS現代化的一系列升級改造措施必然包含對信號的優(yōu)化設計和升級維護。包括增加新的導航信號、優(yōu)化現有導航電文等。

傳統的GPS信號(定義為由BLOCK IIR衛(wèi)星及其以前的GPS衛(wèi)星所廣播的信號)在主頻率L1和次頻率L2兩個載波頻率上發(fā)射導航信號。以L1為例。L1頻率導航信號上調制有擴頻測距碼和導航電文。其中測距碼由C/A碼(碼片速率為1.023×106碼片/秒)和P碼(碼片速率為10.023×106碼片/秒)兩個偽隨機碼組成。控制段通常將衛(wèi)星配置為反欺騙(AS)工作模式,當AS啟動后P碼便被加密以構成所謂的Y碼。Y碼與P碼有相同的碼片速率,因此,常將精密(加密的)碼簡記為P(Y)碼。GPS可提供兩種服務。PPS(精密定位服務)使用P(Y)碼,定位精度優(yōu)于10 m,僅供美軍及盟友使用;SPS(標準定位服務)使用C/A碼,民碼定位精度20 m左右,平時向全球開放,戰(zhàn)時能實施局部關閉。在C/A碼和P(Y)碼信號上均調制有50 bps的導航電文數據。這些數據為用戶計算每一顆可見星的精確位置和每一個導航信號的傳輸時間提供必需的信息。在正常情況下,地面控制段每天為每顆衛(wèi)星上行注入一次或兩次重要的導航數據項,這些重要的導航數據項(如衛(wèi)星星歷和星鐘改正數)在2 h的時間段上重復廣播。GPS導航電文的基本單位是一個主幀,每個主幀包括1500 bit,歷時30 s,傳輸速率是50 bit/s。一個主幀由5個子幀組成,每一子幀本身由10個30 bit的字組成,共300 bit。第1,2,3子幀是每30 s(一個主幀)重復一次,而第4,5子幀的信息是連續(xù)播發(fā),需經25個子幀,長達750 s(12.5 min)才能傳送完全部信息。GPS導航電文幀結構見圖1。

圖1 GPS導航電文幀結構

如圖2所示,在第1、2、3子幀中主要傳輸星鐘改正數、以開普勒軌道6參數和軌道攝動9參數為主要內容的星歷參數等更新速率較快的數據。第4、5子幀主要傳輸歷書(概略星歷)和電離層改正數等更新速率較慢的數據。圖3給出GPS導航電文典型子幀結構。第2幀中傳輸的 a、e、i0、Ω0、ω、M0為開普勒軌道6參數,子幀5第1到第24頁面分別傳輸1～24顆衛(wèi)星的概略星歷,子幀5第25頁面?zhèn)鬏?～24顆衛(wèi)星的健康狀況字,健康狀況字標識了衛(wèi)星信號的是否可用。子幀4第14、15、17頁面則大部分是系統預留位。其中*號代表預留。

圖2 GPS導航電文各幀主要內容

圖3 GPS導航電文典型子幀結構和內容

1.4 GPS信號工作特點

1)軍民區(qū)分的特點

由GPS信號結構可見,GPS信號明確的區(qū)分為軍用信號和民用信號。民用信號的測距碼和導航電文都是公開的,用戶可以通過公開的GPS系統ICD文件獲得測距碼和導航電文的結構及具體內容。而軍用信號的P(Y)碼和導航電文是非公開的。要使用軍用信號,接收機中必須具備SAASM。SAASM是GPS現代化的措施之一。1998年美國參謀長聯席會議主席頒發(fā)了部署SAASM的命令,要求在2002年10月1日之后,GPS PPS用戶只采購包含有SAASM的GPSPPS接收機,停止在部隊中新配置未采用SAASM的接收機。

以SAASM為基礎的GPS PPS接收機由兩部分構成,一個是 SAASM模塊,另一個是母板。SAASM模塊安裝在母板上,加上母板上的其它電路,以構成完整的以SAASM為基礎的PPS接收機,如圖4所示[2]。

圖4 GPS SAASM接收機組成

SAASM由多個IC組成,構成PPS接收機的整個數字分系統,具備P(Y)碼直接捕獲能力。由圖可見,GPS信號接收的大部分功能包括測距碼捕獲、跟蹤、導航電文解析等數字處理功能,尤其是敏感信息的處理和密碼功能都是在SAASM中完成的。

2)導航電文中大量系統預留位特點

除了SAASM措施外,導航電文中還有大量預留位,系統控制方可能會改變預留位的內容,以供系統升級或授權用戶使用。對于GPS民用接收機用戶,系統預留位的內容是未知的,存在兩種可能,系統預留位為空置,或者調制有對系統控制者或授權用戶才知道的信息。而普通民用用戶機一般不關注、不使用此類信息。

3)單顆衛(wèi)星導航電文的特點

每顆衛(wèi)星連續(xù)不斷在第1、2、3子幀中發(fā)播本衛(wèi)星的星歷星鐘參數,同時,還通過第5子幀1～24、第4子幀2～5、7～10頁面發(fā)播1～32顆衛(wèi)星的概略星歷(即歷書),在第5子幀25頁面、第4子幀25頁面發(fā)播1～32顆衛(wèi)星的健康狀態(tài)字,因此只要接收到一顆正常衛(wèi)星的導航信號,就可以知道本顆衛(wèi)星的星歷及其他31顆衛(wèi)星的概略星歷和健康狀況。

2 2010年GPS升級調整的表象

2.1 相關報道

據美國“空間新聞”網站5月3日報道,由于美國空軍最近對GPS地面控制系統的升級出現紕漏,導致至少86種使用GPS接收機的武器系統近乎癱瘓。目前美國空軍正在加緊修復,但是在危機化解之前,美國軍方和政府會受到很大影響。報道稱,武器系統癱瘓的原因是升級后的GPS系統采用了新的信號格式,而裝備在86種武器中的大約8000到1萬件“選擇性有效/反欺騙模塊(SAASM)”GPS接收機在識別新格式時發(fā)生錯誤。目前美國空軍只公開了兩種“癱瘓”的武器系統的具體型號。其中一個是美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊的“亞瑟王神劍”155毫米GPS制導炮彈,這種炮彈依靠GPS提供精確制導,非常適合在城市和復雜地形作戰(zhàn),目前已經廣泛部署在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場。美國空軍在4月30日的聲明中說,“如果裝配在該系統中的SAASM接收機不能向精確制導彈藥傳遞正確信息,彈藥可能會落向友軍或者平民的頭上?！背酥?海軍的X-47B驗證機也被證實受到牽連。X-47B是一種由諾?格公司研制的下一代無人戰(zhàn)斗機的驗證機。在GPS接收機的問題得到修正之前,這種無人機只能在地面“趴窩”。據報道,X-47B每在地面多呆一天,海軍就會損失大約100萬美元。而整個美軍因此遭受的損失更是難以估算。分析人士認為,GPS系統目前發(fā)生的問題還只局限于軍事用戶,不至于導致GPS系統的崩潰,但也足以說明GPS系統的脆弱性和復雜性。

據C114中國通信網 1月15日報道,中國電信CDMA網絡13日下午出現GPS告警,涉及絕大多數省份;但是沒有引發(fā)網絡中斷,美國官方聲稱在進行GPS系統的升級。中國電信負責網絡優(yōu)化的相關人士在接受C114連線時,證實了此事。“這幾天,GPS(美國空軍主導)正在進行升級維護,CDMA現網中部分廠家的基站設備在告警機制設置上,每隔12 min有一秒鐘的丟星現象,現網出現了大量網絡告警。但這并不會影響用戶感知?！?/p>

GPS World 2010年1月11日報道,美國空軍試圖通過改變GPS星座的構型來提高該系統的精確性。與此同時,美國空軍還宣布,他們正在通過發(fā)布新的地面系統軟件,來引導改善全球定位系統的能力。新能力包括:新的民用導航信號、加密的軍用碼和信號功率的增強。新的軟件還將為密鑰“空中”分發(fā)和正確裝備的軍事用戶提供強有力的安全改善。計劃好的切換于2010年1月11日在施里弗空軍基地進行,事先已經進行了廣泛的試驗以確保升級的透明,且不會對軍事和民用用戶造成影響。

2.2 用戶機實測導航電文的異常表現

考慮到此次GPS調整,我國內絕大多數普通GPS用戶都沒有明顯感知,說明系統的基本性能是有保障的,調整可能表現在個別衛(wèi)星信號不可用以及導航電文中預留位的具體調整變化上。我們利用普通GPS接收機將接收到的衛(wèi)星導航電文進行輸出,截取了2010年1月份的部分衛(wèi)星在部分時段的導航電文數據,分析結果證明了上述判斷。將接收機輸出導航電文和ICD文件進行對照,發(fā)現衛(wèi)星導航電文的異常表現主要如下:

1)SVID(衛(wèi)星標識號)為1的衛(wèi)星,健康標識字為全1,表明信號完全不可用。

2)SVID(衛(wèi)星標識號)為25的衛(wèi)星,健康標識字為全1,表明信號完全不可用。同時第4子幀第2頁面原為發(fā)播SVID為25的衛(wèi)星的歷書,但調整期間,此頁面為空置,所填數據為 1010…,SVID所在位置原填為25,現為0,(根據ICD文件,0表明SVID為虛設)。

3)第4子幀第15頁面為系統留用,原填0101…或1010…,調整期間,后3.5個字填為全0。

4)導航電文中存在其他大量預留位,不向普通民用用戶公開,即使用戶機輸出了實際接收電文,但無法和ICD文件進行對照,因此,其具體信息內容和格式等是否發(fā)生變化,我們無法進行分析判斷。

3 GPS調整的影響分析

3.1 普通用戶應該沒有感知

從上述用戶機輸出導航電文的異?，F象可見,1號衛(wèi)星和25號衛(wèi)星信號處于非健康狀態(tài),已經由健康狀態(tài)字標識,并且25號衛(wèi)星的歷書已不發(fā)播,對于一般用戶機來說,在信號接收和解算過程中,會將此類衛(wèi)星信號自然的丟棄,選擇健康狀態(tài)的衛(wèi)星進行定位解算。因此,普通用戶對此不會有感知。

對于第4子幀第15頁面,由于其本來就是系統留用信息,普通用戶機一般不去解算和理會,因此也不會有感知。同樣,對于其他導航電文預留位的變化,普通用戶皆不會有感知。

3.2 兩類用戶可能會有感知

1)具有某種干擾告警機制且對系統預留位也關注的接收機。

如trimble授時型接收機設置了干擾保護措施,對于導航電文中超過1.6 s的全零數據,就認為是遇到了干擾。在GPS信號導航電文中,所有預留位一般是填0101…或1010…,調整后,第4子幀第15頁面后3.5個字填為全 0。長達2.1 s,trimble授時型接收機認為其遇到了干擾,因此出現“每隔約12 min”(一個超幀周期12.5 min,第4子幀15頁面重復一次時)出現告警的現象。當然首先前提是該類型接收機沒有將系統留用信息置之不理。

2)SAASM接收機

如前所述,SAASM接收機是軍用或特殊用途接收機,其接收使用的信號為軍用信號,包括 P(Y)碼和民用用戶不全知的導航電文。SAASM本身具有一定通用性,其解算的導航電文包含普通接收機所必須的導航電文和軍用用戶機專用的導航電文,還可能對系統留用導航電文具有解析能力。當系統留用信息的內容或格式發(fā)生變化時,SAASM可能不能識別或兼容這種新格式和新變化。而出現報道中所述的問題和現象。

4 結 論

經上述分析判斷,2010年1月份,GPS調整,主要是上行加載新的軟件(有報道指為 AEP V5.5C),該軟件與控制導航電文的數據和格式功能有關,所以調整后,導航電文的內容和格式有了些微變化。這種變化不影響系統一般使用性能,對于普通用戶來說,沒有任何感知或影響。

而對于部分軍用用戶和個別特殊用戶來說,有一定感知和影響,這種影響已足以“使負責美軍所有天基資產管理工作的美國空軍手忙腳亂”。但美國有關方面對此次事件保持了低調態(tài)度,同時,已經采取組建“用戶裝備危機反應中隊”和求助軍用接收機制造商等措施,積極減小和處理此次事件的負面影響。

因此,此次調整的負面影響將大部分限于美國軍方可控范圍內,不會影響GPS在世界領域的應用及產業(yè)發(fā)展。

[1] Elliott D.Kaplan.GPS原理與應用[M].寇艷紅,譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2] 邱致和,賈長江.SAASM-擴展GPS PPS應用的關鍵措施[J].導航,2005,41(3):1-15.