美国GPS系统现状及其技术特征分析讲解.doc

美国GPSiji系誊i统誊现i状j及;其i技?|“术特征分析帅 平(中国空间技术研究院口口自2000年以来,为了进一步提高 GPS系统的导航定位精度,增强系统的 连续性、完好性、可用性、抗干扰和自 主生存能力,美国积极推进GPS系统 的现代化,使之成为国际卫星导航的标 准系统。GPS系统现代化采取的技术措 施和步骤包括:关闭选择可用性 (SA软件;新增军用M码和民用 L2C码;增设民用频率L5;实施 新一代GPS一3系统计划。当前,正处 于GPS系统现代化的第2阶段,即部 署现代化改造卫星系列GPS一2RM。 本文在简要论述GPS系统现状的基 础上,详细分析了GPS2系统星座在 轨备份与维持技术、卫星系列与长寿 命、有效载荷技术、自主导航技术、导 航信号调制技术和控制站现代化改造等 最新技术特征,以及GPS一3系统技术 进展,为我国卫星导航系统建设规划提 供参考。1GPS系统现状截至2007年7月,GPS星座拥有30颗在轨运行卫星,包括15颗GPS一2A卫 星、12颗GPS一2R卫星和3颗GPS一 2RM卫星。其中,在第14轨道面上各 有5颗卫星;在第5轨道面上有4颗卫 星;在第6轨道面上有6颗卫星。当前的 GPS星座已不是早期设计的经典Walker 24/3/2星座构型,而是趋向于一种6个 轨道面的卫星均匀分布与非均匀备份混合 星座构型。这样的星座设计能够保证导航 卫星信号的全球连续性覆盖,满足系统可 用性指标要求,有利于实现接收机自主完 好性监测(RAIM,从而获得安全可靠 的高精度导航信息。用户测距误差(URE是评价卫星 导航系统性能的关键指标,与系统地面控 制部分和空间星座部分密切相关,由卫星 星历及时钟误差在用户至卫星视线方向的 投影计算得到。在图1中展示了1990一 2005年URE均方根误差,即用户测距精 度(URA的长期统计结果。从图1中 可以得出,自1995年GPS星座具备完全 可操作能力以来,URA提高了62%,到 2005年已达到1.1m。随着GPS一2R/ 2RM卫星系列的部署,加入星间链路测 距数据,进一步减小了URE值。2007年 2月21日统计的GPS星座30颗卫星的 URA值已达到o.74m。可见,GPS系统用户测距精度逐渐提 高是GPS卫星系统技术不断演化及地面 控制站升级和完善的结果,能满足军民用 户高精度导航应用需求。国际太空2007年10月号 5万方数据图1GPS系统用户测距精度持续改进过程2GPS一2系统的技术特征分析2.1GPS星座在轨备份与维持技术GPS星座在轨备份策略随着星座演化 而不断完善,取得了良好的实际工程应用 效果。每次发射进入GPS星座的替补卫 星,并不是对退役卫星站位的简单替换, 其具体站位是由备份策略优化计算得到 的。近8年来,GPS星座在轨卫星数量一 直保持在28颗以上,在表1中给出了在 此期间发射的GPS卫星及相应的退役卫星 轨道面和站位分布情况。从表中可以看 到,发射GPS替补卫星与相应的退役卫星 在分布轨道面和站位上没有必然联系,甚 至不在同一轨道面上。表120002007年发射的GPS替补卫星与退役卫星分布情况PRN 替补卫星 退役卫星编号 卫星系列号 发射日期 轨道面站位 卫星系列号 退役日期 轨道面站位 16GPS一2R一82003一0129B/1GPS一232000一03一04E/3 21GPS一2R一920030331D/3GPS一282002一0925E/2 22GPS一2R一1020031221E/2GPS一2A一1820021203B/6 19GPS一2R一1120040320C/3GPS一242001一0911K渔 23GPS一2R一1220040623f GPS一2A一1020031l一13D/5 02GPS一2R一1320041104D/1GPS一222004一0512B/5 17GPS一2R一14M 20050926C/4GPS一2520050223D/6 31GPS一2R一15M 20060925A/2GPS一2A一1920041228C/3 12GPS一2R一16M 20061117B/515GPS一2920070314D/5注:表中PRN编号指的是伪随机噪声编号。事实上,GPS星座在轨备份策略是根 据星座全球连续覆盖监测结果、系统性能 指标、星座卫星健康状态、运载和发射能 力、新型卫星研制状况、卫星及星座可靠 性预算、发射时刻、发射场地,以及系统 现代化进程等多种因素的量化数据,采用 GPS星座备份策略优化设计与分析软件, 计算得到替补卫星的部署轨道面和站位。 针对退役卫星对星座全球覆盖性能的影响 评估结果,对星座卫星站位进行动态配 置。例如,在2003年7月一2007年7月, 美国就对4颗GPS一2A卫星进行了站位 调整,以满足星座全球连续覆盖性能指标 要求(见表2所示。6 国际太空2007年10月号万方数据表2GPS一2A卫星站位动态调整情况 PRN 轨道 站位编号 编号 卫星系列号 面 2003年7月 2007年7月 24GPS2A一11D 1625GPS2A一12A 2501GPS一2A一16F 4607GPS一2A一20C 45可见,导航星座在轨备份与长期维持策 略属于多元决策变量、多目标和复杂函数的 优化问题。GPS星座的长期维持策略逐渐由 按计划发射方式向按需发射方式过渡,其替 补卫星部署轨道面和站位随发射时刻动态优 化确定,以满足全球定位精度、连续性、完 好性和可用性等系统性能指标要求。 2.2GPS卫星系列与长寿命特征目前,美国已发射了5种GPS卫星系 列,即GPS一1、GPS一2、GPS一2A、 GPS一2R和GPS一2RM,共计55颗卫 星,其中GPS一17和2R一1两颗卫星发射失败。在表3中分别给出了5种卫星系列的主要技术参数。从表3中可以看到,GPS一2R卫星系列都采用了铷钟频 标,已取代铯钟空间应用。星载铷钟稳定 度为110。3410。14(每24h,具有较 小的热系数,毋需专门作外部热控系统设 计,对于不可预见的热环境,能由附加的 基板加热器进行环境温度调节,以保证铷 钟正常工作。, 表3已发射GPS卫星系列的主要技术参数卫星系列 GPS一1GPS一2GPS一2A GPS一2R GPS一2RM在轨质量/kg 50077498710751075功率/W 40071070011361136铯钟数/台 12200铷钟数/台 22233设计寿命/a 57.37.810lO首次发射时间 1978022219890214199011261997一011720050925已发射数量/|颗 11919133截至2007年7月,美国已发射了55颗GPS卫星,其中成功发射并退役的有 23颗卫星。在这23颗卫星中,仅有GPS一 15、27和2A一13卫星未达到设计寿 命要求;GPS一29卫星在轨运行时间最 长,达到16.6年,是其设计寿命的2.3倍;已成功发射并退役的10颗GPS一1卫 星和13颗GPS一2/2A卫星的平均使用寿 命分别为9.6年和11.5年。可见,GPS 卫星设计和研制技术,以及星座长期维持 与运行管理技术已相当成熟。GPS卫星的 长寿命特征是该系统获得空前成功的重要 保障条件。2.3GPS卫星有效载荷技术演化根据GPS系统现代化进程,剩余的5颗GPS一2RM卫星将在2007年年内发射 部署完毕,2008年将发射后续的GPS一 2F卫星系列。GPS一2F卫星在轨质量为 1545kg,功率为2900W,设计寿命为12年。2013年,美国将实施新一代GPS系国际太空2007年10月号 7万方数据统计划GPS3。GPS卫星有效载荷技术演化进程为:GPSl卫星系列属于双频率L1 (1575.42MHz和L2(1227.60MHz 基本型卫星,在L1频率上调制C/A码、 P1码和导航电文信号,在L2频率上调制 P1码和导航电文信号,因此也被称为原 始概念验证卫星。该卫星系列由罗克韦尔 (Rockwell公司负责研制,反映了系统 开发阶段的技术水平。GPS一2卫星系列是由Rockwell公 司负责研制的标准型卫星。除具有GPS一 1卫星的基本功能外,卫星有效载荷增加 功能包括:核爆探测系统(NDS载荷; 人为降低广播星历和时钟参数精度的SA 软件;采取反电子欺骗(AS措施,将 军用P码加密为P(Y码;具有14天的 导航电文存储能力。NDS信息通过L3 (1381.05MHz频率下传到地面信息分 析中心,同时L3频率还用于传输导弹预 警信息和其他方面。GPS一2A卫星为GPS一2的增强 型卫星系列,具有180天的导航电文存储 能力,。在缺乏地面控制系统信息支持的情 况下,卫星自主播发导航电文,用户导航 定位精度逐渐下降。GPS一2R卫星为GPS一2/2A的替 补卫星系列,由洛马公司负责研制,增加 了星间测距与通信链路设计,具有自主导 航功能。同时,卫星还具有在轨可编程能 力,并采用了针对星载铷钟性能的先进时 间保持系统,实现星上时间系统保持和无 缝切换。可见,该卫星系列对有效载荷做 了较大的技术改进,以满足现代卫星导航 系统性能需求。GPS一2RM卫星是对8颗GPS一 2R卫星进行现代化改造的卫星系列,该 卫星在Ll和L2频率上播发新的军用M 码,并在L2频率上播发民用测距码 (L2C。L2C码具有灵活的信号结构、较 强的数据恢复和信号跟踪能力,普通用户 可利用双频测量伪距修正电离层延迟误 差。M码比P(Y码具有较强的发射功 率、抗干扰能力和保密性能,以及有利于 直接捕获等优点,能更好地满足军用需 求。GPS一2F卫星(见图2属于GPS一 2A/2R的后续卫星系列,由波音公司负 责研制。该卫星将增加民用频率L5 (1176.45MHz,有利于保障民航安全, 修正电离层延迟误差,实时解算载波相位 模糊度,削弱多路径效应影响等。同时, 卫星采取柔性的有效载荷软硬件设计,增 强星问链路数据处理、网络通信及高速的 上下行链路数据传输能力。卫星上行和下 行数据传输速率分别达到2kbit/s和 1.9Mbit/s。图2GPS一2F卫星2,4GPS卫星自主导航技术GPS一2R/2RM卫星具有自主导航功 能。所谓自主导航是指导航卫星在长时间 得不到地面测控系统支持的情况下,通过8 国际太空2007年10月号万方数据星间双向测距、数据交换及星载处理器滤 波处理,不断修正地面站注入的卫星长期 预报星历及时钟参数,并自主生成导航电 文和维持星座基本构型,满足用户高精度 导航定位应用需求的实现过程。其中,星 间测距与通信链路是GPS卫星自主导航 的核心技术,由星间信号发射机、信号接 收机、馈电网络、发射天线单元、接收天 线单元及信号与数据处理单元组成。GPS 卫星自主导航模式和技术特点在于: 星问链路天线 星间链路发射天线 采用独立天线单元,而接收天线由9个单 元组成的平面直射阵列组成,其中1个单 元位于阵列中心,其余8个单元围绕中心 单元均匀布置,且馈电相位与中心单元反 相,馈电幅度按比例配置。接收天线波束 相位中心稳定,波束边缘增益可达到7dBi 左右。星间链路拓扑结构 根据GPS星 座构型和星间链路天线赋形设计,星问链 路距离可达到49465km。对于24颗卫星 星座,可以建立816条同轨道面前向和 后向链路,以及异轨道面侧向链路。星间链路通信体制 星间通信采用 时分多址(TDMA扩频通信体制,通信 频段为超高频(250290MHz。每颗卫 星分配1.5s的时间间隔用于双频测距或 通信。对于24颗卫星星座,36s为1个子 帧,900s为1个主帧。GPS一2R/2RM卫 星星间链路测距周期可选择15“n、1h、 2h、3h、4h和6h,其中1h为缺省值设置。 自主导航信息处理流程 星间测距 与数据交换一星间测距与时钟参数修正一 星座卫星完好性监测与评估一更新星历和 时钟参数一修正星座整体旋转误差一重新 拟合卫星星历和时钟参数一修正卫星时钟 偏差一保存每小时检测点数据一生成导航 电文。自主导航工作模式 GPS一2R/ 2RM卫星自主导航采取4种工作模式:关闭模式,仅进行星间测距和数据存 储;滑行模式,星间测距、数据存储和 递推、导航电文生成,以及更新电文播发 至用户;隔离模式,不使用其他卫星数 据,卫星处理原有数据;正常模式,执 行全部自主导航操作。将GPS一2R/2RM卫星星间测距数 据下传到地面主控站进行分析处理,计算 得到卫星自主导航URE时间序列(如图 3所示。从图3中可以看到:75天的 GPS卫星自主导航URE值在大多数情况 下小于3m;在无地面系统支持的情况下, 40天以后的URE值具有逐渐增大的趋势。 GPS2R/2RM卫星自主导航设计指 标要求是在180天时间内URE值小于 6m,用户导航定位精度不会有明显下降。 事实上,基于星间链路信息的导航星座自 主导航,由于缺乏外部时空基准信息,不 能消除或抑制星座整体旋转误差、地球自 转的非均匀性误差和极移残差随时间累 积,致使星座难于长时间自主运行。因 而,在GPS一2F卫星设计中,其自主导 航指标要求更改为,具有60天自主导航 能力,URE值小于2m。此外,美国正考虑采用一种导航星座 “抛锚技术,来解决GPS自主导航星座 整体旋转问题。通过地面站定期向星座卫 星发射测距信号和调制数据信息,卫星自 主进行信息处理,抑制星座不可观测性误 差随时间累积。但是,这种通过建立星地 链路的解决方式,又违背了导航卫星长时 间自主运行的原则。国际太空2007年10月号 9万方数据图 卫星自主导航时间序列 卫星码信号二元偏置载波 （）调制信号跟踪测距精度与载 噪比之间的关系。从图中可以看到：伪 码跟踪测距精度随载噪比增大而提高；在 载噪比一定的情况下，调制信号跟 （）调制技术 在一卫星上增加的军用 码采用了调制技术。技术不同 于传统的二相移键控（）和四相移 键控（）调制，是一种通过分裂频 谱信号将能量偏移远离载波频带中心的有 效信号的调制方式。利用技术调制 的导航信号优势在于： 踪测距精度高于调制信号； 调制系数越大，其测距精度就越高。 尽管采用调制导航信号具有诸 多优点，但是调制信号的捕获与跟 踪存在模糊度问题。调制信号的自 相关函数属于多个峰值函数，主峰和次峰 幅度差异较小，次峰幅度达到主峰值的 以上。若接收机错误锁定了次峰位 实现导航频段重用，减少信号相干 损耗，抑制信号多路径效应，提高伪码测 量跟踪精度； 增强信号抗干扰性能，以及简化信 置，将会带来较大的伪距测量误差。因此 需要采用不同于传统调制信号的捕获与跟 踪新算法，以检测正确的自相关峰值。 一卫星在和频段上 采用（，）调制码信号。 年月日，成功发射了第颗现 号微波处理单元和多工器设计； 提高军用信号发射功率而不会干扰 民用弱信号捕获，、有利于实现军用和民用 导航信号的分离。 常用表达形式为（，）， 其中、分别表示相对于次载波频率和 扩频码速率与星载时钟基准频率的比值， 与之比值称为调制系数。对于 卫星，时钟基准频率为， 在图中分别展示了（，）、 （，）、（，）、（，）和 代化卫星一一。年月 日，该卫星正式播发码信号，雷神 公司率先对其成功捕获和跟踪，测试验证 了码信号的跟踪测量精度、编码加密 及抗干扰等性能，码信号功率较（） 码的增强了以上。 国际太空年月号 万方数据 目 蜊 蜒 亡廿 孥 鄹 载噪比 图 基于信号调制方式的测距精度随载噪比的变化关系 系统地面控制站技术改造 站并投入使用，其余个站正在改 建之中。此外，还要在美国西部的范登堡 空军基地再建设个主控站作为备份。这 样，确保任意时刻星座中的每颗卫 星信号能同时被个以上监测站跟踪，以 提高卫星轨道及时钟参数预报精度，增强 卫星信号完好性监测能力，提高控制系统 的数据处理与传输能力，减小用户测距误 差，持续改进系统性能。 地面控制站现代化改造是增强 系统性能的重要内容，包括软件和 硬件两个方面。精度改进议案 （）提出了地面控制站技术改造措施， 其目标是进一步减小卫星星历及时钟误 差，提高用户导航定位精度。 目前，地面控制系统软件已升级 到版本，软件修改内容包括：改 进卫星轨道测定及预报算法；改善卫星 时钟管理与监测机制；缩短导航电文数 据龄期；减小监测站位置误差；完善 一系统技术与研究进展 尽管一系统应用获得了空前成 分布式卡尔曼滤波算法、传输软件和数据 处理流程等。地面控制站技术改造包括： 功，但是其系统结构框架源于世纪七 八十年代的规划设计和技术基础，存在诸 多自身难于克服的缺陷，包括导航信号精 度、可用性、完好性、安全性、可监测性 和抗干扰性能，以及星座异常事件的快速 反应能力等，不能满足未来军事、民用和 更换地面监测和注入站天线、原子时 钟、计算机及其网络设备；在原有个 监测站的基础上，将卡纳维拉尔角预发射 协调站扩建为监测和注入站；改造分布 于全球的美国国家影像制图局（ ）的个跟踪站，纳入地面 控制系统网络，目前已改造完成个 商业用户的更高要求。因此，一将 采用全新的设计方案，融合配置各种技术 资源，克服一系统缺陷，并具有向 国际太空年月号 万方数据 后技术兼容能力，以满足未来年系统 技术扩展和用户需求。 自主管理功能，并在、 和频段上调制导航及相关信号。卫 星设计寿命为年，质量为蛞，可 以常年发射到任意轨道平面，不存在发射 窗口约束问题，其主要技术特征在于： 高速和精确指向的星问链路。一 一系统发展规划 年月，美国空军宣布启动新 一代系统计划一，并进行 系统顶层与星间链路分析论证，洛马、光 谱宇航和波音公司共同负责系统设计与实 现。该计划分为个阶段：一 年为系统概念研究和可行性论证阶段； 年为关键技术攻关与仿真试 验阶段；年为工程研制阶段； 卫星将继续提供更高速率的星间链路网 路，保证星间信息传输和地面控制系统的 实时测控操作。 高功率的点波束发射天线。在强 干扰的敌对环境条件下，一卫星 启用点波束发射天线，同时增强个指 定区域的信号功率，保证军用接收机能 够接收导航信号，且导航定位精度不受 影响。利用点波束天线使卫星信号功率 增强，而军用接收机天线和信号 处理模块可以获得 增益，因此系 统具有的抗干扰能力，满足美国 军用导航战需求。 实时完好性监测功能。一系 年以后进入一卫星发射部署 和试验验证阶段。 年月，洛马和波音公司分别提 交了一卫星第阶段合同的竞标书。 一卫星合同包括个阶段：第阶段 是年之前交付颗一卫星， 合同价值亿美元；第阶段是在 年之前交付颗一卫星；第阶段 是年之前交付颗一卫星。 首颗一卫星预计于年发射。 目前已完成了一系统结构与需 统建立高速的星地和星间链路网络，提供 了故障事件的近实时报警和处理机制。只 要接收到颗卫星信号，就可以获得整个 星座信息，卫星自主进行故障诊断和处 理，确保用户获得安全可靠的导航信息。 星载灾害报警系统。一卫 星增加灾害报警系统，提供基本搜救服 务。通过在超高频（）上调制 求定义、需求分析研究、操作概念模式研 究及通信网络与星间链路论证等，并开发 了一套性能强大的集成仿真系统 （）软件，进行星座设计与系统性 能分析。一将采用个或个轨道 面，轨道倾角为。，轨道高度暂定为 ，颗中地球轨道（）卫 星与颗或颗地球静止轨道（）卫 紧急事件呼救信号，并转发至一 卫星。卫星通过（）频率 星配置的星座设计方案，确保由一 到一星座的平稳过渡。 及时播发呼救信息至地面搜救中心，将 增强现有的国际卫星灾害报警系统“科 斯帕斯搜索与救援卫星”（ ）的搜救能力。 增加（）频率。 一卫星技术特征 卫星（见图）系列将继承和 完善以前卫星平台及有