GPS现代化及其影响下篇

2015-02-27刘天雄

卫星与网络 2015年6期

关键词：铱星星间军用

+ 刘天雄

GPS现代化及其影响下篇

+ 刘天雄

4 GPS现代化进展

4.3 GPS运控系统现代化

G P S地面控制段又称运行控制系统O C S（Operational Control System），主要由主控站MCS（Master Control Station）、监控站（Monitor Station）、上行信号站（Ground Antenna）组成，如图30示。

卫星上的各种仪器设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制，地面运行控制系统的工作信息流如图31所示。GPS运行控制系统主要任务包括:(1)监控卫星飞行轨迹同时外推算卫星的轨道数据（历书和星历）；(2)监测卫星原子钟时间、预测星钟误差（钟差）；(3)同步星载原子钟与地面运控系统原子钟的时间；(4)注入导航数据及运控指令到卫星；(5)注入导航电文，包括卫星健康状态信息等。

GPS系统主控站MCS位于美国Colorado州范登堡空军基地，如图32所示，主控站MCS全面控制地面监控系统，主要任务是收集并处理各监测站对GPS卫星的全部观测数据，包括各监测站测得的距离和距离差、气象要素、卫星时钟和工作状况的数据，监测站自身的状态数据等，根据收集的数据及时计算每颗GPS卫星的星历，时钟改正值，状态数据以及信号的大气传播改正，并编制成导航电文，传送到注入站。

图32 美国Colorado州范登堡空军基地GPS系统主控站

目前GPS系统主控站MCS可以支持MEO轨道上所有BLOCK-IIA、BLOCK-IIR、BLOCK-IIR-M、BLOCK-IIF系列导航卫星的运行控制工作，为适应对未来BLOCK-III导航卫星星座的运控，除了对的L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5等新的导航信号的运行控制，还要监控爆探测NDS信号、灾害预警系统DASS信号、星间链路载荷信号。

由此GPS地面运行控制系统开展了相应的现代化升级改造工作，简称为新一代地面运行系统控制系统OCX，建设中的OCX在硬件设备上补充完善了以下几个部分：定位导航和授时体系结构发展计划AEP规定的运行控制段OCS任务；早期轨道异常和处理功能LADO；GPS系统模拟器GSS；PNT体系结构发展计划AEP中规定的交替主控站AMCS和一个综合任务实时支持中心IMOSC。

建设中的OCX在运控系统软件以升级完善为主，新增的任务是借助星间链路实现对星座所有卫星的一站式遥测、跟踪和控制（TT&C）、任务规划及自主导航，利用美国联邦航空管理局FAA认证的广域增强WAAS算法，提供GPS系统完好性和连续性运行控制服务，满足民航精密进近服务需求。新一代地面运行系统控制系统OCX架构如图33所示。

在GPS地面运行控制系统现代化升级改造的第一阶段（BLOCK I）工作，重点实现对L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5等新的导航信号的运行控制，同时新一代地面运行系统控制系统OCX还要继续对GPS系统BLOCK-IIR、BLOCK-IIR-M、BLOCK-IIF卫星开展运行控制工作。

图33 GPS新一代地面运行系统控制系统OCX架构

2010年2月18日，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和Northrop Grumman公司，分别开展空间使命系统和智能信息系统的研发。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，建成后可以全面支持BLOCK-III导航卫星的运行控制业务。新一代地面运行系统控制系统OCX建设采取循序渐进的发展方式，最终完全取代传统的运行控制系统OCS，满足未来2030年美国对GPS的军事和民用需求。详见《全球定位系统(GPS)现代化运行控制段(OCX)的进展与现状》，陈勖，李尔园，全球定位系统，2010.2。新一代地面运行系统控制系统OCX现代化的路线图如图34所示，

图34 GPS新一代地面运行系统控制系统OCX现代化的路线图

4.4 GPS接收机现代化

美军在推进GPS接收机现代化的过程中，主要以提高GPS用户接收机抗干扰能力为核心，同时降低接收机功耗、体积和重量。目前主要在四个方面采取措施提高接收机抗干扰能力，首先是改进接收机抑制同相多径干扰设计；其次是采用窄区相关技术，提高伪码测距测量精度；再次是增加微带天线的馈电点，即保证电波圆极化，又实现天线相位中心的高度稳定性；最后是研发P码信号直接捕获接收机。

例如，Trimble公司的R-Track技术有效地提升了GPS接收机抗干扰能力，R-Track技术首先利用低噪声放大器进行L1和L2载波相位测量，定位精度优于1mm；其次是提高L2载波上C/A码得信噪比；再次是最大限度地减少多径干扰误差；最后是采用先进的低高度角跟踪技术。Leica公司研发的GPS 1200型接收机采用了SmartTrack技术，该技术可以支持接收机捕获跟踪和解调现代化后的GPS信号。GPS用户接收机现代化路线图如图35所示。

图35 GPS用户段（用户接收机）现代化路线图

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，如图36所示，截止到2005年，美军采购并装备了113000部PLGR接收机。随后美军研发了新一代手持型接收机，称为“国防先进GPS接收机”DAGR（Defense Advanced GPS Receiver），最大特点是可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）两个频点的军用信号，较PLGR接收机，DAGR接收机定位精度得到大幅提升，同时接收机功率仅1W，四节AA可充电锂电池就可以驱动接收机，单兵一只手就可以完成操作，便于战时使用。PLGR接收机和DAGR接收机性能比较如图37所示。

2011年Rockwell Collins公司研发了DAGR接收机的升级版—“小型军用先进GPS接收机”Micro-DAGR，较PLGR接收机，DAGR接收机体积减小了约一半，重量约6.5 ounces，接收机功率仅0.7W，两节AA可充电锂电池就可以驱动接收机，同样可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）两个频点的军用信号。军用PLGR接收机、DAGR接收机和Micro-DAGR接收机的比较，如图38所示。

图36 PLGR和第一代背包式军用GPS接收机

图37 PLGR接收机和DAGR接收机性能比较

图39 航空MAGR2000接收机和航海3S接收机

图38 PLGR、DAGR和Micro-DAGR接收机

上世纪1990年代，美军研发了小型航空GPS接收机MAGR（Miniature airborne GPS receiver），2 0 0 0年，小型航空G P S接收机M A G R升级为MAGR2000。较DAGR接收机，MAGR2000接收机重量约11 pounds，体积约280立方英寸，接收机功率仅24W，MAGR接收机有12通道，可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）两个频点的军用信号。1996年，美军研发了航海GPS接收机3S（3S shipboard receiver），3S接收机有5通道，可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）两个频点的军用信号，接收机功率仅150W，重量约70 pounds，体积约3420立方英寸，主要特点是接收机内置电源变换模块，能够适应美国海军水面舰艇和水下潜艇电源电压波动的使用环境。航空MAGR2000接收机和航海3S接收机如图39所示。详见http:// www.cbo.gov/new_pubs.October 2011,the GPS for military users: current modernization plans and alternatives,2011-12-12.。

同时，为适应GPS现代化后新增加的L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5导航信号，接收机厂商也陆续开展具有相应C码和M码跟踪、捕获、接收、解调功能的新一代接收机以及军用P（Y）码和M码直接捕获的军用GPS接收机。

5 GPS现代化的备选方案

美国GPS现代化涉及空间段卫星、地面运行控制段以及用户终端，国防部DOD的GPS现代化方案主要是增强空间导航卫星能力，因此现代化建设成本较高、周期较长。美国国会预算办公室CBO（Congressional Budget Office）对美国国防部DOD的GPS现代化计划进行了分析，并于2011年10月28日发布了《针对军事用户的GPS现代化计划与备选方案》（详见http:// www.cbo.gov/new_pubs.October 2011,the GPS for military users: current modernization plans and alternatives,2011-12-12.），CBO的GPS现代化方案则侧重于提高GPS军用接收机的性能，称之为GPS现代化的备选方案。

CBO提出的GPS现代化备选方案对GPS空间段卫星的更换只采用国防部DOD的GPS BLOCK-IIF 和BLOCK-IIIA导航卫星，而取消研制BLOCK-IIIB和BLOCK-IIIC导航卫星，意味着未来新型BLOCK-III系列导航卫星将没有星间链路系统。备选方案也要升级地面运行控制系统，不仅保持对现有导航卫星的运行控制能力，也能对未来新型BLOCK-IIIA导航卫星及其播发的功率增强M码信号进行控制。由于未来新型BLOCKIII系列导航卫星没有星间链路系统，因此备选方案的地面运行控制系统也无须开发高度复杂的星间链路系统控制软件（实现星间测距和通信）。

CBO提出的GPS现代化备选方案一是改善军用GPS接收机的性能，主要措施有两个，其一是改进GPS接收机天线，包括新型的定向天线和调零线；其二是增强GPS接收机处理能力，包括组合使用惯性导航系统INS（inertia navigation system）,接收机通过使用INS系统的辅助信息，可以提高接收机对导航信号的处理能力和噪声去除能力。

CBO提出的GPS现代化备选方案二是依托美国“铱星”系统增强GPS系统。“铱星”系统是由空间66颗低轨道移动通信卫星组成的通信系统，“铱星”系统的卫星轨道高度为485英里（GPS导航卫星的轨道高度为12,500英里）。借助“铱星”通信网络完成GPS导航数据中继，这也是美国国防部DOD的创新计划“GPS完好性增强系统（iGPS）”的方案。

GPS现代化备选方案二GPS完好性增强系统（iGPS）由“铱星”低轨道移动通信卫星系统地面运行控制中心、iGPS系统差分参考站、在轨运行的“铱星”以及iGPS系统用户接收机四部分组成。iGPS系统差分参考站位于“铱星”星下点，差分参考站对GPS卫星播发的导航电文中的参数（星历、钟差、电离层延迟等）误差进行修正；同时实施监测在轨GPS卫星运行情况，结合伪距观测量的状态域改正数或者观测值域改正数生成相应的完好性信息（在GPS系统出现故障或异常情况下及时告知用户，即完好性增强）。iGPS系统差分参考站将导航电文、差分修正数据、时间参考数据以及完好性信息上传给“铱星”，“铱星”接收iGPS系统差分参考站上传的信息后再转发给地面iGPS系统用户。以“铱星”星下点为中心，每颗“铱星”的覆盖范围为半径750英里的圆。iGPS系统的信息链路如图40所示。

“铱星”系统能够播发大功率的导航增强信号，可以大幅度提高GPS接收机捕获和跟踪微弱GPS信号的能力，缩短捕获和跟踪锁定GPS信号的时间，使得GPS接收机在干扰环境中具有更好的可用性。