+ 劉天雄

GPS現(xiàn)代化及其影響 下篇

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4 GPS現(xiàn)代化進(jìn)展

4.3 GPS運(yùn)控系統(tǒng)現(xiàn)代化

G P S地面控制段又稱運(yùn)行控制系統(tǒng)O C S（Operational Control System），主要由主控站MCS（Master Control Station）、監(jiān)控站（Monitor Station）、上行信號站（Ground Antenna）組成，如圖30示。

衛(wèi)星上的各種儀器設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制，地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的工作信息流如圖31所示。GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)主要任務(wù)包括:(1)監(jiān)控衛(wèi)星飛行軌跡同時(shí)外推算衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)（歷書和星歷）；(2)監(jiān)測衛(wèi)星原子鐘時(shí)間、預(yù)測星鐘誤差（鐘差）；(3)同步星載原子鐘與地面運(yùn)控系統(tǒng)原子鐘的時(shí)間；(4)注入導(dǎo)航數(shù)據(jù)及運(yùn)控指令到衛(wèi)星；(5)注入導(dǎo)航電文，包括衛(wèi)星健康狀態(tài)信息等。

GPS系統(tǒng)主控站MCS位于美國Colorado州范登堡空軍基地，如圖32所示，主控站MCS全面控制地面監(jiān)控系統(tǒng)，主要任務(wù)是收集并處理各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，包括各監(jiān)測站測得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)，監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷，時(shí)鐘改正值，狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正，并編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。

圖32 美國Colorado州范登堡空軍基地GPS系統(tǒng)主控站

目前GPS系統(tǒng)主控站MCS可以支持MEO軌道上所有BLOCK-IIA、BLOCK-IIR、BLOCK-IIR-M、BLOCK-IIF系列導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行控制工作，為適應(yīng)對未來BLOCK-III導(dǎo)航衛(wèi)星星座的運(yùn)控，除了對的L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5等新的導(dǎo)航信號的運(yùn)行控制，還要監(jiān)控爆探測NDS信號、災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)DASS信號、星間鏈路載荷信號。

由此GPS地面運(yùn)行控制系統(tǒng)開展了相應(yīng)的現(xiàn)代化升級改造工作，簡稱為新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX，建設(shè)中的OCX在硬件設(shè)備上補(bǔ)充完善了以下幾個(gè)部分：定位導(dǎo)航和授時(shí)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展計(jì)劃AEP規(guī)定的運(yùn)行控制段OCS任務(wù)；早期軌道異常和處理功能LADO；GPS系統(tǒng)模擬器GSS；PNT體系結(jié)構(gòu)發(fā)展計(jì)劃AEP中規(guī)定的交替主控站AMCS和一個(gè)綜合任務(wù)實(shí)時(shí)支持中心IMOSC。

建設(shè)中的OCX在運(yùn)控系統(tǒng)軟件以升級完善為主，新增的任務(wù)是借助星間鏈路實(shí)現(xiàn)對星座所有衛(wèi)星的一站式遙測、跟蹤和控制（TT&C）、任務(wù)規(guī)劃及自主導(dǎo)航，利用美國聯(lián)邦航空管理局FAA認(rèn)證的廣域增強(qiáng)WAAS算法，提供GPS系統(tǒng)完好性和連續(xù)性運(yùn)行控制服務(wù)，滿足民航精密進(jìn)近服務(wù)需求。新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX架構(gòu)如圖33所示。

在GPS地面運(yùn)行控制系統(tǒng)現(xiàn)代化升級改造的第一階段（BLOCK I）工作，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5等新的導(dǎo)航信號的運(yùn)行控制，同時(shí)新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX還要繼續(xù)對GPS系統(tǒng)BLOCK-IIR、BLOCK-IIR-M、BLOCK-IIF衛(wèi)星開展運(yùn)行控制工作。

圖33 GPS新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX架構(gòu)

2010年2月18日，美國國防部將建設(shè)新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX的合同授予美國Raytheon和Northrop Grumman公司，分別開展空間使命系統(tǒng)和智能信息系統(tǒng)的研發(fā)。Raytheon公司于2010年5月完成了OCX技術(shù)基線評審，2011年8月完成了OCX系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)評審，計(jì)劃于2015年8月開展新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX第一階段（BLOCK-I）的建設(shè)工作，建成后可以全面支持BLOCK-III導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行控制業(yè)務(wù)。新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX建設(shè)采取循序漸進(jìn)的發(fā)展方式，最終完全取代傳統(tǒng)的運(yùn)行控制系統(tǒng)OCS，滿足未來2030年美國對GPS的軍事和民用需求。詳見《全球定位系統(tǒng)(GPS)現(xiàn)代化運(yùn)行控制段(OCX)的進(jìn)展與現(xiàn)狀》，陳勖，李爾園，全球定位系統(tǒng)，2010.2。新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX現(xiàn)代化的路線圖如圖34所示，

圖34 GPS新一代地面運(yùn)行系統(tǒng)控制系統(tǒng)OCX現(xiàn)代化的路線圖

4.4 GPS接收機(jī)現(xiàn)代化

美軍在推進(jìn)GPS接收機(jī)現(xiàn)代化的過程中，主要以提高GPS用戶接收機(jī)抗干擾能力為核心，同時(shí)降低接收機(jī)功耗、體積和重量。目前主要在四個(gè)方面采取措施提高接收機(jī)抗干擾能力，首先是改進(jìn)接收機(jī)抑制同相多徑干擾設(shè)計(jì)；其次是采用窄區(qū)相關(guān)技術(shù)，提高偽碼測距測量精度；再次是增加微帶天線的饋電點(diǎn)，即保證電波圓極化，又實(shí)現(xiàn)天線相位中心的高度穩(wěn)定性；最后是研發(fā)P碼信號直接捕獲接收機(jī)。

例如，Trimble公司的R-Track技術(shù)有效地提升了GPS接收機(jī)抗干擾能力，R-Track技術(shù)首先利用低噪聲放大器進(jìn)行L1和L2載波相位測量，定位精度優(yōu)于1mm；其次是提高L2載波上C/A碼得信噪比；再次是最大限度地減少多徑干擾誤差；最后是采用先進(jìn)的低高度角跟蹤技術(shù)。Leica公司研發(fā)的GPS 1200型接收機(jī)采用了SmartTrack技術(shù)，該技術(shù)可以支持接收機(jī)捕獲跟蹤和解調(diào)現(xiàn)代化后的GPS信號。GPS用戶接收機(jī)現(xiàn)代化路線圖如圖35所示。

圖35 GPS用戶段（用戶接收機(jī)）現(xiàn)代化路線圖

1994年手持小型化“精密輕量GPS接收機(jī)”PLGR（Precision Lightweight GPS Receiver）取代了第一代笨重的背包式軍用GPS接收機(jī)，如圖36所示，截止到2005年，美軍采購并裝備了113000部PLGR接收機(jī)。隨后美軍研發(fā)了新一代手持型接收機(jī)，稱為“國防先進(jìn)GPS接收機(jī)”DAGR（Defense Advanced GPS Receiver），最大特點(diǎn)是可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個(gè)頻點(diǎn)的軍用信號，較PLGR接收機(jī)，DAGR接收機(jī)定位精度得到大幅提升，同時(shí)接收機(jī)功率僅1W，四節(jié)AA可充電鋰電池就可以驅(qū)動(dòng)接收機(jī)，單兵一只手就可以完成操作，便于戰(zhàn)時(shí)使用。PLGR接收機(jī)和DAGR接收機(jī)性能比較如圖37所示。

2011年Rockwell Collins公司研發(fā)了DAGR接收機(jī)的升級版—“小型軍用先進(jìn)GPS接收機(jī)”Micro-DAGR，較PLGR接收機(jī)，DAGR接收機(jī)體積減小了約一半，重量約6.5 ounces，接收機(jī)功率僅0.7W，兩節(jié)AA可充電鋰電池就可以驅(qū)動(dòng)接收機(jī)，同樣可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個(gè)頻點(diǎn)的軍用信號。軍用PLGR接收機(jī)、DAGR接收機(jī)和Micro-DAGR接收機(jī)的比較，如圖38所示。

圖36 PLGR和第一代背包式軍用GPS接收機(jī)

圖37 PLGR接收機(jī)和DAGR接收機(jī)性能比較

圖39 航空MAGR2000接收機(jī)和航海3S接收機(jī)

圖38 PLGR、DAGR和Micro-DAGR接收機(jī)

上世紀(jì)1990年代，美軍研發(fā)了小型航空GPS接收機(jī)MAGR（Miniature airborne GPS receiver），2 0 0 0年，小型航空G P S接收機(jī)M A G R升級為MAGR2000。較DAGR接收機(jī)，MAGR2000接收機(jī)重量約11 pounds，體積約280立方英寸，接收機(jī)功率僅24W，MAGR接收機(jī)有12通道，可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個(gè)頻點(diǎn)的軍用信號。1996年，美軍研發(fā)了航海GPS接收機(jī)3S（3S shipboard receiver），3S接收機(jī)有5通道，可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個(gè)頻點(diǎn)的軍用信號，接收機(jī)功率僅150W，重量約70 pounds，體積約3420立方英寸，主要特點(diǎn)是接收機(jī)內(nèi)置電源變換模塊，能夠適應(yīng)美國海軍水面艦艇和水下潛艇電源電壓波動(dòng)的使用環(huán)境。航空MAGR2000接收機(jī)和航海3S接收機(jī)如圖39所示。詳見http:// www.cbo.gov/new_pubs.October 2011,the GPS for military users: current modernization plans and alternatives,2011-12-12.。

同時(shí)，為適應(yīng)GPS現(xiàn)代化后新增加的L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5導(dǎo)航信號，接收機(jī)廠商也陸續(xù)開展具有相應(yīng)C碼和M碼跟蹤、捕獲、接收、解調(diào)功能的新一代接收機(jī)以及軍用P（Y）碼和M碼直接捕獲的軍用GPS接收機(jī)。

5 GPS現(xiàn)代化的備選方案

美國GPS現(xiàn)代化涉及空間段衛(wèi)星、地面運(yùn)行控制段以及用戶終端，國防部DOD的GPS現(xiàn)代化方案主要是增強(qiáng)空間導(dǎo)航衛(wèi)星能力，因此現(xiàn)代化建設(shè)成本較高、周期較長。美國國會(huì)預(yù)算辦公室CBO（Congressional Budget Office）對美國國防部DOD的GPS現(xiàn)代化計(jì)劃進(jìn)行了分析，并于2011年10月28日發(fā)布了《針對軍事用戶的GPS現(xiàn)代化計(jì)劃與備選方案》（詳見http:// www.cbo.gov/new_pubs.October 2011,the GPS for military users: current modernization plans and alternatives,2011-12-12.），CBO的GPS現(xiàn)代化方案則側(cè)重于提高GPS軍用接收機(jī)的性能，稱之為GPS現(xiàn)代化的備選方案。

CBO提出的GPS現(xiàn)代化備選方案對GPS空間段衛(wèi)星的更換只采用國防部DOD的GPS BLOCK-IIF 和BLOCK-IIIA導(dǎo)航衛(wèi)星，而取消研制BLOCK-IIIB和BLOCK-IIIC導(dǎo)航衛(wèi)星，意味著未來新型BLOCK-III系列導(dǎo)航衛(wèi)星將沒有星間鏈路系統(tǒng)。備選方案也要升級地面運(yùn)行控制系統(tǒng)，不僅保持對現(xiàn)有導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)行控制能力，也能對未來新型BLOCK-IIIA導(dǎo)航衛(wèi)星及其播發(fā)的功率增強(qiáng)M碼信號進(jìn)行控制。由于未來新型BLOCKIII系列導(dǎo)航衛(wèi)星沒有星間鏈路系統(tǒng)，因此備選方案的地面運(yùn)行控制系統(tǒng)也無須開發(fā)高度復(fù)雜的星間鏈路系統(tǒng)控制軟件（實(shí)現(xiàn)星間測距和通信）。

CBO提出的GPS現(xiàn)代化備選方案一是改善軍用GPS接收機(jī)的性能，主要措施有兩個(gè)，其一是改進(jìn)GPS接收機(jī)天線，包括新型的定向天線和調(diào)零線；其二是增強(qiáng)GPS接收機(jī)處理能力，包括組合使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS（inertia navigation system）,接收機(jī)通過使用INS系統(tǒng)的輔助信息，可以提高接收機(jī)對導(dǎo)航信號的處理能力和噪聲去除能力。

CBO提出的GPS現(xiàn)代化備選方案二是依托美國“銥星”系統(tǒng)增強(qiáng)GPS系統(tǒng)。“銥星”系統(tǒng)是由空間66顆低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)，“銥星”系統(tǒng)的衛(wèi)星軌道高度為485英里（GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道高度為12,500英里）。借助“銥星”通信網(wǎng)絡(luò)完成GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)中繼，這也是美國國防部DOD的創(chuàng)新計(jì)劃“GPS完好性增強(qiáng)系統(tǒng)（iGPS）”的方案。

GPS現(xiàn)代化備選方案二GPS完好性增強(qiáng)系統(tǒng)（iGPS）由“銥星”低軌道移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)地面運(yùn)行控制中心、iGPS系統(tǒng)差分參考站、在軌運(yùn)行的“銥星”以及iGPS系統(tǒng)用戶接收機(jī)四部分組成。iGPS系統(tǒng)差分參考站位于“銥星”星下點(diǎn)，差分參考站對GPS衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文中的參數(shù)（星歷、鐘差、電離層延遲等）誤差進(jìn)行修正；同時(shí)實(shí)施監(jiān)測在軌GPS衛(wèi)星運(yùn)行情況，結(jié)合偽距觀測量的狀態(tài)域改正數(shù)或者觀測值域改正數(shù)生成相應(yīng)的完好性信息（在GPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常情況下及時(shí)告知用戶，即完好性增強(qiáng)）。iGPS系統(tǒng)差分參考站將導(dǎo)航電文、差分修正數(shù)據(jù)、時(shí)間參考數(shù)據(jù)以及完好性信息上傳給“銥星”，“銥星”接收iGPS系統(tǒng)差分參考站上傳的信息后再轉(zhuǎn)發(fā)給地面iGPS系統(tǒng)用戶。以“銥星”星下點(diǎn)為中心，每顆“銥星”的覆蓋范圍為半徑750英里的圓。iGPS系統(tǒng)的信息鏈路如圖40所示。

“銥星”系統(tǒng)能夠播發(fā)大功率的導(dǎo)航增強(qiáng)信號，可以大幅度提高GPS接收機(jī)捕獲和跟蹤微弱GPS信號的能力，縮短捕獲和跟蹤鎖定GPS信號的時(shí)間，使得GPS接收機(jī)在干擾環(huán)境中具有更好的可用性。

圖40 iGPS系統(tǒng)的信息鏈路

6 結(jié)束語

可以預(yù)見，通過實(shí)施GPS現(xiàn)代化，美國將使GPS系統(tǒng)的生存能力以及定位精度、服務(wù)的完好性、連續(xù)性、可用性以及可靠性得到顯著提升，大幅度增強(qiáng)美軍武器裝備的作戰(zhàn)效能、部隊(duì)的整體戰(zhàn)斗力，同時(shí)增強(qiáng)對全球民用、商業(yè)和科研用戶提供的服務(wù)。

GNSS定位、導(dǎo)航和授時(shí)系統(tǒng)，既是維護(hù)國家和國土安全的重要國家基礎(chǔ)設(shè)施，又是市場潛力巨大、發(fā)展迅速的高薪技術(shù)產(chǎn)業(yè)。因此，美國通過實(shí)施GPS現(xiàn)代化來維護(hù)和發(fā)展GPS系統(tǒng)的市場主導(dǎo)地位。在積極運(yùn)用GPS現(xiàn)代化新的成果的同時(shí)，我們還要立足自主可控發(fā)展自己的北斗定位系統(tǒng)。