GPS現代化及其影響 下篇

+ 劉天雄

GPS現代化及其影響 下篇

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4 GPS現代化進展

4.3 GPS運控系統現代化

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

衛星上的各種儀器設備是否正常工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制，地面運行控制系統的工作信息流如圖31所示。GPS運行控制系統主要任務包括:(1)監控衛星飛行軌跡同時外推算衛星的軌道數據（歷書和星歷）；(2)監測衛星原子鐘時間、預測星鐘誤差（鐘差）；(3)同步星載原子鐘與地面運控系統原子鐘的時間；(4)注入導航數據及運控指令到衛星；(5)注入導航電文，包括衛星健康狀態信息等。

GPS系統主控站MCS位于美國Colorado州范登堡空軍基地，如圖32所示，主控站MCS全面控制地面監控系統，主要任務是收集并處理各監測站對GPS衛星的全部觀測數據，包括各監測站測得的距離和距離差、氣象要素、衛星時鐘和工作狀況的數據，監測站自身的狀態數據等，根據收集的數據及時計算每顆GPS衛星的星歷，時鐘改正值，狀態數據以及信號的大氣傳播改正，并編制成導航電文，傳送到注入站。

圖32 美國Colorado州范登堡空軍基地GPS系統主控站

目前GPS系統主控站MCS可以支持MEO軌道上所有BLOCK-IIA、BLOCK-IIR、BLOCK-IIR-M、BLOCK-IIF系列導航衛星的運行控制工作，為適應對未來BLOCK-III導航衛星星座的運控，除了對的L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5等新的導航信號的運行控制，還要監控爆探測NDS信號、災害預警系統DASS信號、星間鏈路載荷信號。

由此GPS地面運行控制系統開展了相應的現代化升級改造工作，簡稱為新一代地面運行系統控制系統OCX，建設中的OCX在硬件設備上補充完善了以下幾個部分：定位導航和授時體系結構發展計劃AEP規定的運行控制段OCS任務；早期軌道異常和處理功能LADO；GPS系統模擬器GSS；PNT體系結構發展計劃AEP中規定的交替主控站AMCS和一個綜合任務實時支持中心IMOSC。

建設中的OCX在運控系統軟件以升級完善為主，新增的任務是借助星間鏈路實現對星座所有衛星的一站式遙測、跟蹤和控制（TT&C）、任務規劃及自主導航，利用美國聯邦航空管理局FAA認證的廣域增強WAAS算法，提供GPS系統完好性和連續性運行控制服務，滿足民航精密進近服務需求。新一代地面運行系統控制系統OCX架構如圖33所示。

在GPS地面運行控制系統現代化升級改造的第一階段（BLOCK I）工作，重點實現對L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5等新的導航信號的運行控制，同時新一代地面運行系統控制系統OCX還要繼續對GPS系統BLOCK-IIR、BLOCK-IIR-M、BLOCK-IIF衛星開展運行控制工作。

圖33 GPS新一代地面運行系統控制系統OCX架構

2010年2月18日，美國國防部將建設新一代地面運行系統控制系統OCX的合同授予美國Raytheon和Northrop Grumman公司，分別開展空間使命系統和智能信息系統的研發。Raytheon公司于2010年5月完成了OCX技術基線評審，2011年8月完成了OCX系統初步設計評審，計劃于2015年8月開展新一代地面運行系統控制系統OCX第一階段（BLOCK-I）的建設工作，建成后可以全面支持BLOCK-III導航衛星的運行控制業務。新一代地面運行系統控制系統OCX建設采取循序漸進的發展方式，最終完全取代傳統的運行控制系統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(GPS)現代化運行控制段(OCX)的進展與現狀》，陳勖，李爾園，全球定位系統，2010.2。新一代地面運行系統控制系統OCX現代化的路線圖如圖34所示，

圖34 GPS新一代地面運行系統控制系統OCX現代化的路線圖

4.4 GPS接收機現代化

美軍在推進GPS接收機現代化的過程中，主要以提高GPS用戶接收機抗干擾能力為核心，同時降低接收機功耗、體積和重量。目前主要在四個方面采取措施提高接收機抗干擾能力，首先是改進接收機抑制同相多徑干擾設計；其次是采用窄區相關技術，提高偽碼測距測量精度；再次是增加微帶天線的饋電點，即保證電波圓極化，又實現天線相位中心的高度穩定性；最后是研發P碼信號直接捕獲接收機。

例如，Trimble公司的R-Track技術有效地提升了GPS接收機抗干擾能力，R-Track技術首先利用低噪聲放大器進行L1和L2載波相位測量，定位精度優于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；最后是采用先進的低高度角跟蹤技術。Leica公司研發的GPS 1200型接收機采用了SmartTrack技術，該技術可以支持接收機捕獲跟蹤和解調現代化后的GPS信號。GPS用戶接收機現代化路線圖如圖35所示。

圖35 GPS用戶段（用戶接收機）現代化路線圖

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

2011年Rockwell Collins公司研發了DAGR接收機的升級版—“小型軍用先進GPS接收機”Micro-DAGR，較PLGR接收機，DAGR接收機體積減小了約一半，重量約6.5 ounces，接收機功率僅0.7W，兩節AA可充電鋰電池就可以驅動接收機，同樣可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個頻點的軍用信號。軍用PLGR接收機、DAGR接收機和Micro-DAGR接收機的比較，如圖38所示。

圖36 PLGR和第一代背包式軍用GPS接收機

圖37 PLGR接收機和DAGR接收機性能比較

圖39 航空MAGR2000接收機和航海3S接收機

圖38 PLGR、DAGR和Micro-DAGR接收機

上世紀1990年代，美軍研發了小型航空GPS接收機MAGR（Miniature airborne GPS receiver），2 0 0 0年，小型航空G P S接收機M A G R升級為MAGR2000。較DAGR接收機，MAGR2000接收機重量約11 pounds，體積約280立方英寸，接收機功率僅24W，MAGR接收機有12通道，可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個頻點的軍用信號。1996年，美軍研發了航海GPS接收機3S（3S shipboard receiver），3S接收機有5通道，可以接收L1 P（Y）和L2 P（Y）兩個頻點的軍用信號，接收機功率僅150W，重量約70 pounds，體積約3420立方英寸，主要特點是接收機內置電源變換模塊，能夠適應美國海軍水面艦艇和水下潛艇電源電壓波動的使用環境。航空MAGR2000接收機和航海3S接收機如圖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，為適應GPS現代化后新增加的L2 C、L1 C、L1 M 、L2 M、L5導航信號，接收機廠商也陸續開展具有相應C碼和M碼跟蹤、捕獲、接收、解調功能的新一代接收機以及軍用P（Y）碼和M碼直接捕獲的軍用GPS接收機。

5 GPS現代化的備選方案

美國GPS現代化涉及空間段衛星、地面運行控制段以及用戶終端，國防部DOD的GPS現代化方案主要是增強空間導航衛星能力，因此現代化建設成本較高、周期較長。美國國會預算辦公室CBO（Congressional Budget Office）對美國國防部DOD的GPS現代化計劃進行了分析，并于2011年10月28日發布了《針對軍事用戶的GPS現代化計劃與備選方案》（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現代化方案則側重于提高GPS軍用接收機的性能，稱之為GPS現代化的備選方案。

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

CBO提出的GPS現代化備選方案一是改善軍用GPS接收機的性能，主要措施有兩個，其一是改進GPS接收機天線，包括新型的定向天線和調零線；其二是增強GPS接收機處理能力，包括組合使用慣性導航系統INS（inertia navigation system）,接收機通過使用INS系統的輔助信息，可以提高接收機對導航信號的處理能力和噪聲去除能力。

CBO提出的GPS現代化備選方案二是依托美國“銥星”系統增強GPS系統。“銥星”系統是由空間66顆低軌道移動通信衛星組成的通信系統，“銥星”系統的衛星軌道高度為485英里（GPS導航衛星的軌道高度為12,500英里）。借助“銥星”通信網絡完成GPS導航數據中繼，這也是美國國防部DOD的創新計劃“GPS完好性增強系統（iGPS）”的方案。

GPS現代化備選方案二GPS完好性增強系統（iGPS）由“銥星”低軌道移動通信衛星系統地面運行控制中心、iGPS系統差分參考站、在軌運行的“銥星”以及iGPS系統用戶接收機四部分組成。iGPS系統差分參考站位于“銥星”星下點，差分參考站對GPS衛星播發的導航電文中的參數（星歷、鐘差、電離層延遲等）誤差進行修正；同時實施監測在軌GPS衛星運行情況，結合偽距觀測量的狀態域改正數或者觀測值域改正數生成相應的完好性信息（在GPS系統出現故障或異常情況下及時告知用戶，即完好性增強）。iGPS系統差分參考站將導航電文、差分修正數據、時間參考數據以及完好性信息上傳給“銥星”，“銥星”接收iGPS系統差分參考站上傳的信息后再轉發給地面iGPS系統用戶。以“銥星”星下點為中心，每顆“銥星”的覆蓋范圍為半徑750英里的圓。iGPS系統的信息鏈路如圖40所示。

“銥星”系統能夠播發大功率的導航增強信號，可以大幅度提高GPS接收機捕獲和跟蹤微弱GPS信號的能力，縮短捕獲和跟蹤鎖定GPS信號的時間，使得GPS接收機在干擾環境中具有更好的可用性。

圖40 iGPS系統的信息鏈路

6 結束語

可以預見，通過實施GPS現代化，美國將使GPS系統的生存能力以及定位精度、服務的完好性、連續性、可用性以及可靠性得到顯著提升，大幅度增強美軍武器裝備的作戰效能、部隊的整體戰斗力，同時增強對全球民用、商業和科研用戶提供的服務。

GNSS定位、導航和授時系統，既是維護國家和國土安全的重要國家基礎設施，又是市場潛力巨大、發展迅速的高薪技術產業。因此，美國通過實施GPS現代化來維護和發展GPS系統的市場主導地位。在積極運用GPS現代化新的成果的同時，我們還要立足自主可控發展自己的北斗定位系統。