GPS现代化及其影响（上）

+ 刘天雄

卫星课堂

GPS现代化及其影响（上）

+ 刘天雄

第二十一讲

图1 GPS系统标准定位服务SPS用户测距误差URE值的变化趋势

1.概述

1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星BLOCK-I成功发射，标志着GPS系统进入工程研制阶段。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星BLOCK-II成功发射，宣告GPS系统进入了组网阶段。1995年美国国防部宣布GPS系统提供完全运行服务FOC（Full Operational Capability），利用L1 C/A码信号为民用用户提供标准定位服务SPS（Standard Positioning Service），利用L1 P(Y)码信号和L2 P(Y)码信号为授权用户提供精密定位服务PPS（Precise Positioning Service）。

GPS系统的定位精度超过了已公开发布的ICD（接口控制）文件指标要求已是不争的事实，根据斯坦福GPS计划升级研讨会文集（2010年11月9日），美国空军GPS联队的Bernard Gruber上校提交的报告，1994年精密定位服务（PPS）空间导航信号的用户测距误差（URE）的均方根值为3m，2006年精密定位服务空间导航信号的用户测距误差（URE）的均方根值已优于1m，GPS精密定位服务空间导航信号的用户测距误差URE的均方根值呈逐年下降趋势，如图1所示，

但是，GPS系统的服务特性不仅包括定位精度，同时也包括覆盖范围、完好性、连续性、可用性以及可负担性，这些性能是时间和空间的函数。特别是当GPS播发的空间信号不能用于定位和授时的时候，系统应及时向用户告警。例如，民航飞机盲降（CAT III）对GPS系统的完好性要求为，当水平（垂直）定位误差超过15 m（10 m）而GPS系统未能在2 s内告警的概率低于10-9/每次进近（详见国际民航组织国际公约附件10卷1）。

GPS系统作为军民两用系统，随着GPS应用的不断深入，GPS系统存在一些问题影响了GPS系统的效能，其一是是GPS导航信号功率微弱，容易受到干扰，安全性较差，使用不完全可控；其二是星历有效期短而且外推精度低，地面运控系统需要每天更新星历与星钟数据；其三是在载波相位测量中，L2载波信号重建需要依赖L1信号；其四是单一采用L1 C/A 码导航信号进行伪距测量的单点定位精度较低，难以满足测绘等高精度用户的需求；其五是军用P（Y）码信号的捕获需要利用C/A码信号引导，例如，L1 C/A 码信号与L1 P（Y）码信号中心频点（1575.42MHz）一致，只是带宽不同，如图2所示，如果C/A 码信号受到干扰时，那么一定也会影响P（Y）码信号的捕获，P（Y）码信号捕获的非独立性影响了战时军用P（Y）码信号的效能，这种情况是美国军方所不期望看到的，为了保证美军及其盟友在战场复杂电磁环境中定位、导航和授时应用的绝对优势，美国国防部（DOD）启动了“GPS现代化”计划。

“GPS现代化”的目标是保护和改善GPS系统，在技术上设防，阻止敌方使用GPS系统。“GPS现代化”的措施是通过增加GPS卫星发射的信号功率，以增强抗电子干扰能力；增加新的军用M码，同时与民码分开等措施实现军用导航现代化（六个军用信号），在冲突地区可以拒止敌方使用GPS系统。通过增加民用导航信号频点（四个民用信号）实现民用导航现代化。

未来2020年前后，全球用户将可以免费接收美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国BDS以及欧洲GAILEO四大卫星导航系统信号，在民用和商业导航市场GPS系统将面临其他系统的竞争，目前四大卫星导航系统正积极研讨L1频点和未来L5频点民用信号的兼容互操作协议，美国正积极以此为切入点，通过改善服务的完好性、连续性和可用性，实现民用导航现代化，提升GPS系统全球竞争力，并期望最终成为全球卫星导航系统（GNSS）标准的制定者。

图2 GPS BLOCK-II/IIA卫星信号频谱（L1 C/A与L1 P（Y）码信号共处L1频点的中心频带）

2.GPS现代化策略

美国GPS系统现代化策略是军民导航信号分离，强化军用导航信号使用。为军用用户提供新的授权信号（L1M、L2M），提高拒止敌方使用GPS系统的能力，进一步提高军用导航信号抗干扰能力。研发新一代军用GPS接收机，提高GPS的抗干扰能力。同时为民用用户提供新的导航信号（L2C、L5），利用双频信号补偿电离层延迟误差以提高定位解算精度。

在美国2000年的财政年度预算支持下（FY 2000），美国开始实施实施“GPS现代化”计划，用当前先进的技术改进和完善GPS系统，主要涉及四方面内容，一是为军事和民用用户提供新的导航信号（L1 C、L1 M 、L2 C、L2 M、L5），并使军民信号频谱分离；二是研制新的导航卫星GPS-IIF，同时研发新一代导航卫星GPS-III，卫星发射信号功率可调整，即增强或视情关闭GPS发射信号，以防止GPS信号战时受干扰或被他国利用；三是为了适应新的导航信号以及对现代化BLOCK-IIF、GPS-III导航卫星的运行控制，建设新一代地面运行控制系统OCX，更新GPS地面测控设备，增加地面测控站的数量；采用新的数字接收机和计算机来更新专用的GPS监测站和有关的地面天线；采用新的算法和软件，提高测控系统的数据处理与传输能力等；四是研制新一代军用GPS接收机，提高GPS的抗干扰能力。

GPS系统现代化以发射BLOCK ⅡR-M、BLOCKⅡF及BLOCK Ⅲ导航卫星为标志，要求新一代导航卫星兼容上一代导航卫星、逐步提升导航卫星系统能力（播发M码信号、播发L2C信号、播发L5信号、提高信号功率等功能分步实施）、保持GPS星座稳健、为用户持续提供连续可靠的定位、导航和授时服务，GPS现代化三个阶段主要内容如表1所示。

表1 “GPS现代化”计划三个阶段及主要内容

3.GPS现代化进程

在1996年美国总统文告PDD（Presidential Decision Directive）中首次提出了“GPS现代化”概念，1998年美国时任副总统戈尔宣布开展“GPS现代化”计划研究，1999年1月25日以美国总统文告PDD形式正式对外发布，目标有两个，一是加强GPS系统对美军现代化战争的是支撑和保障作用，二是通过对民用GPS导航技术的改进，保持GPS系统在全球民用导航领域的主导地位。

图3 GPS空间段和地面控制段并行同步现代化

图4 GPS现代化现代进程

GPS现代化涉及采购空间段Block IIR-M、Block IIF以及Block III系列现代化导航卫星；升级改造现有地面运行控制系统OCS（Operation Control System），包括结构发展计划AEP（Architecture Evolution Plan）以及高级运行控制系统OCX（Advanced Control Segment），GPS现代化进程中空间段和地面控制段并行同步建设，如图3所示，

GPS空间段导航卫星现代化进程主要特点是逐步增加空间段卫星系统能力，同步推进地面运行控制段和用户段建设，不断改善用户服务水平，在推进GPS全球定位系统现代化的过程中，分别以发射BLOCK ⅡR-M、BLOCK ⅡF及GPS Ⅲ导航卫星为标志，GPS现代进程如图4所示，

GPS现代化进程大事记如下：

•1997年2月，美国国防部（DOD）和交通部（DOT）达成共识，GPS系统播发第二民用信号L2C；

•1998年3月，GPS联合执行委员会IGEB（Interagency GPS Executive Board）确定GPS系统播发两种新的民用信号（第二民用信号L2C和第三民用信号L5）；

•1999年1月，美国国防部（DOD）宣布第三民用信号L5的中心频点为1176.45 MHz；

•1999年2月，IGEB成立L5第三民用信号体制论证组，协调GPS联合执行委员会IGEB和航空无线电委员会RTCA（Radio Technical Commission for Aeronautics）之间的关系；

•1999年11月，IGEB完成立L5第三民用信号体制论证工作，建议L5信号功率比L1 C/A 码信号最少高6 dB；L5信号码速率为10.23 Mchip/second；

•2000年5月1日，美国总统克林顿宣布停止对GPS卫星实施选择可用性SA技术，一般民用用户能够获得±23m（95%置信度）的平面位置定位精度，33m（95%置信度）的高程定位精度，200 nsec（95%置信度）的定时精度，一夜之间一般民用用户的接收机定位精度提高了约10倍，标志美国开始实施“GPS现代化”计划；

•2004年12月，美国总统布什授权美国国家天基定位导航授时执行委员会NSPNT（National Spacedbased Positioning, Navigation and Timing），颁布了美国国家天基定位导航授时PNT新政策，目标是确保美国天基定位导航授时PNT的服务能力、并能够增强系统、备份支持和拒绝服务，并取代了1996年3月美国总统克林顿授权颁布的国家天基定位导航授时PNT政策；

图5 GPS系统现代化中的保护、阻止和保持

•2005年9月26日，GPS系统第一颗Block IIR-M1导航卫星发射入轨，Block IIR-M系列导航卫星造价750万美元，发射起飞重量4,545镑，比Block IIR系列导航卫星重60镑。Block IIR-M1导航卫星的轨道位置位于C轨道平面的第四个相位，以替代该轨位的1993年5月发射入轨的Block IIA20导航卫星。按计划播发了第二民用导航信号L2C，是实现GPS现代化的里程碑；

•2009年3月24日，美国成功发射了Block IIR-M（20）导航卫星，试验播发了第三民用导航信号L5（1176.45MHz）信号，同时播发用于核爆探测的L3信号（1381.05MHz）；

•2010年5月27日，美军发射了第一颗现代化导航卫星BLOCK-IIF，卫星正式播发第三民用导航信号L5，信号码速率为10.23 Mchip/second，L5信号功率比L1 C/A 码信号高6 dB；意味着GPS民用用户可以接收L1、L2和L5三个频点的导航信号，民用用户能够用GPS动态载波相位测量获得厘米级定位精度，由此民用用户可以获得更完善的电离层改正、更好的定位精度和可靠性，是GPS最具现代化的标志；

•2010年2月美国国防部将建设新一代地面运行系统控制系统OCX的合同授予美国Raytheon公司，Raytheon公司于2010年5月完成了OCX技术基线评审，2011年8月完成了OCX系统初步设计评审，计划于2015年8月开展新一代地面运行系统控制系统OCX第一阶段（BLOCK-I）的建设工作。OCX将分阶段增量式实施，OCX Block 1计划于2016年提供服务，支持GPS III导航卫星的运行控制任务。OCX Block 2将分布在全球的所有监测站安装新型GPS接收机，同时升级地面站天性，以全面支持、监测和控制所有导航信号；

•1994年手持小型化“精密轻量GPS接收机PLGR（Precision Lightweight GPS Receiver）”取代了第一代笨重的背包式军用GPS接收机。随后发展了手持型“军用先进GPS接收机DAGR（Defense Advanced GPS Receiver）”，2011年Rockwell Collins公司研发了“小型军用先进GPS接收机Micro-DAGR”。

图6 GPS空间段、地面控制段和用户段现代化内容

4.GPS现代化进展

通过分离军用和民用信号频带，增加军用信号发射功率等措施实现GPS系统现代化，GPS系统现代化主要内容包括保护、阻止和保持三方面，保护、阻止和保持三方面内容如图5所示。

1)保护（protection）是为了更好地保护美军的使用，研发军码并强化军码的保密性能，加强GPS军用信号的抗干扰能力。

2)阻止（prevention）敌方使用GPS全球定位系统，施加干扰，强化选择可用性SA技术及防电子欺骗AS技术。设计新的GPS信号结构，增加频谱，将民用信号和军用信号分开等措施是“阻止”的基本手段。

3)保持（preservation）在有威胁地区以外的民用用户能够正常使用GPS全球定位系统。

GPS系统现代化策略要求美军从系统的三个组成部分空间段（space segment）、地面控制段（control segment）和用户段（user segment）分别实施现代化，系统改善定位、导航和授时服务的精度，同时提高系统的连续性、完好性以及可用性水平，包括研制新的卫星，升级地面运行控制系统硬件和软件，研制新型接收机等内容，每个组成部分现代化策略推进的主要特点如图6所示。

图7 美国GPS系统关闭SA技术后标准定位服务定位精度变化

4.1 终止选择可用性SA技术

卫星导航系统定位解算的误差源在空间和时间上都是相关的，误差源给相距不远的用户所造成的误差都是类似的，且随时间缓慢变化。卫星钟差、星历误差、电离层误差、对流层误差等误差对每一个用户接收机所共有的，所以通过利用误差的相关性来改善系统的定位精度。如果参考接收机的位置精确已知，那么就可以估算测量误差。如果在参考接收机附近的GPS用户接收到差分修正信息，就可以用来修正定位解算结果，从而提高定位精度，这就是差分GPS技术（DGPS）。

美国政府于1991年7月1日对GPS系统实施选择可用性SA技术，人为增大导航信号误差，而且这种影响是可以改变的，必要时可以进一步降低民用导航信号定位精度。在差分GPS等技术的压力下，2000年5月1日，美国总统克林顿宣布停止对GPS卫星实施选择可用性SA技术，一般民用用户能够获得±23m（95%置信度）的平面位置定位精度，±33m（95%置信度）的高程定位精度，200 nsec（95%置信度）的定时精度，一夜之间一般民用用户的接收机定位精度提高了约10倍，关闭SA技术后标准定位服务定位精度变化如图7所示（http://www.gps.gov/systems/gps/ modernization/sa/data/），标志美国启动实施“GPS现代化”计划。

虽然美国政府终止了GPS系统选择可用性SA技术，但为保证美国国家安全每年评估一次是否继续实施SA政策，目前美国军方致力于开发和使用区域关闭能力。终止GPS系统选择可用性SA技术后，L1信号广播星历的精度仍然在10～30m之间，美国人知道GPS差分定位技术无法消除选择可用性SA技术中ε技术带来的轨道参数偏差，所以人家美国人绝不会把最好的东西无偿奉献给你的！