全球导航卫星系统新变伊始

1、全球导航卫星系统新变伊始导读：新的全球导航卫星系统会给高精度接收机用户带来什么呢？本文介绍了目前阶段，全球导航卫星系统会实现用户的哪些需求，并且展望了新新号和新技术。考虑到干扰以及即将到来的太阳活动高峰期，我们可以做些什么来提高新号接收器的稳定性？在过去的十年间，高精度 GPS测量的应用急剧增加。 GPS接收器可以提供高精度的数据和快速处理的结果，通过在短时间内覆盖大面积来节省大量的时间。这种精度只能通过使用代码和载波相位测量来获取。然而，载波相位测量中仍然需要解决一个问题，就是关于初始整周模糊度的问题。 采用单频观测的方法需要 5-30 分钟才能解决初始整周模糊度的问题， 而采用双频测量的方

2、法则仅需几秒钟就能可靠的解决这个问题。另外，由于要消除电离层或对流层，允许存在一定量的空间相关误差。因此，在拥有合理的首次定位时间 (TTFF) 的条件下，双频和多频接收器是仅有的能够实现实时动态 (RTK)调查的设备。新的全球导航卫星系统会给高精度接收机用户带来什么呢？然而，目前的双频接收机都非常昂贵。高昂的费用来自于需要使用的第二个频率( 信号 L2) ，而这个信号是受专利高度保护的。随着一些技术的发展，现在已经出现了利用单频接收机实现高精度和实时监测的方法，而且新的信号和组合也已经出现，现在花费更低的成本就可以使用两个频率。在使用双频以及三频的方案获取高精度的应用时，全球导航卫星系统的最

3、新发展有望降低使用成本。科学家们长期以来一直在讨论新的信号在多频和多导航系统中的应用潜力，他们还对信号组合，特别是那些同时涉及多个频率的载波相位测量，表现出了极大的兴趣。举例来说，在载波相位定位的模糊度解算、接收机完好性的自主监测和电离层研究方面，三个频率的组合使用都表现出有很大的潜力。由于可以提高相关精度，使用三个频率的载波相位测量为评估载波相位质量和多径效应提供了一个特别简单的方法。新的全球导航卫星信号和系统新的民用信号将作为GPS现代化和新的全球导航卫星系统(GLONASS, Galileo和Compass)发展的一部分向社会提供， 保证用户可以以较低的成本获取新增功能。表 1 总结了新

4、的GPS ，Galileo和 Compass开放式服务 (OS) 信号的特点。未来开放式服务（ OS）信号的特征对比（3sNews 配图）第一个要实现的就是 L2C 的 GPS信号。这个信号一开始是由GPS卫星在 2005 年 9 月传送的，截止到 2016年预计将拥有 24 颗卫星。它将提供更高的精度以实现双频电离层的校正。L5 信号( 2009 年至2018 年) 计划用来满足交通运输安全中关于产品生命期(SOL)的苛刻要求，而 L1C信号 (2014 年至 2021 年 ) 则是为全球导航卫星系统的互操作而设计的。相比于L2C 信号，新的L5 信号的码片速率要高得多 ( 与加密的 P 码

5、信号相同 ) ，达到了 10.23 MHz ，这可以保证较低的测距噪声和更好的多路径电阻。Galileo也推出了两颗卫星(Giove-A和Giove-B)，解决了频率分配和关键技术验证的问题。下一步计划发射四个在轨验证(IOV)卫星。前两个在2011 年10 月发射，后两个计划在2012 年发射。全体协作能力(FOC)的形成以初始化协作能力为过渡，标志是18 颗卫星的协作运行(IOV的四个卫星加上另外14 个卫星 ) 。到2015 年为止，18 颗卫星应该全部就位。其余的卫星( 总共30 个卫星 ) 也将在 2020 年到位，这将使E1 和 E5 信号得到更广泛的应用。虽然现在正在升级到码分多

6、址技术(CDMA)，GLONASS目前依旧是基于频分多址技术(FDMA)的。目前在轨的卫星一共有27 个，其中处于工作状态的有23 个，这使得GLONASS可以提供覆盖全球的信息。如果携带有3 颗GLONASS-M卫星的发射在2010 年 12月没有失败的话，俄罗斯的GLONASS系统现在就已经完成了。现在，只有在年底将三个GLONASS-M卫星成功发射之后，GLONASS系统才能够完成。第一个 GLONASS- K的示范卫星已经在轨道上，在那里将传输系统的第一个 CDMA信号，这种信号的设计是为了增加与其他全球导航卫星系统的系统兼容性和互操作性，从而降低接收器的成本。GLONASS- K1的

7、 CDMA信号在系统的L3 频段以 1202 MHz 的频率播出。在下一代卫星 K2 的版本中，全球导航卫星系统将在 L1 频率提供一个 BOC(1,1) 的 CDMA信号。 GPS的 L5 频段最终会出现一个 BPSK(10)的信号。一整套的 CDMA信号应该会在 2020 年实现。第二个 GLONASS- K卫星预计在 2011 年底发射。中国区域卫星系统的雏形北斗-1 在 2003 年完成，由三个地球静止轨道卫星组成。该系统目前正在扩大成一个全球性系统，被称作北斗-2 或 Compass。整个系统将包括五个地球静止轨道卫星 (GEO)， 27 中等地球轨道卫星(MEO)和五个倾斜地球同步

8、轨道卫星(IGSO) 。该系统预计到2020 年全面投入运作。关于北斗信号的最终计划还没有完成。总而言之，到2020 年时应该有四个完成卫星部署的全球导航系统，这意味着将有超过40 个卫星来观测地球表面的几乎每一个点，并且以三种不同的频率产生操作系统信号。但是目前距离目标的实现还很遥远，这意味着在未来的几年内将要面临许多重要的挑战。让我们看看面对当前的和即将出现的对全球导航卫星系统的威胁，比如干扰问题及2013 年即将到来的太阳活动高峰期的问题，我们到底能从目前已完成的工作中受益多少。干扰和频率频谱拥塞干扰会严重影响一个全球导航卫星系统接收器在准确性、完整性、连续性和可用性方面的表现。高精度接

9、收器受到的影响尤为严重，因为它们需要广泛的前端设备以实现无代码的和半无代码的 L2 信号处理技术，同时为了确定模糊度，还需要测量 L1 信号的伪距。精度为厘米级的精密接收器使用了一部分政府保密的频谱， 这部分频谱并不计划对民众公开 ; 因此，高精度接收器可能会受到相邻信号的干扰，比如 L 波段多谱段扫描仪的信号。新的 L2C/L5信号则避免了对大频谱宽度的需求，同时还能利用载波相位跟踪实现信号的多样性。因为有24颗 GPS会在发送 L5 信号之前先发送L2C 信号，所以在短期内，一些设计师可能会倾向于开发 L1/L2C 信号接收器。不过 Galileo并不支持 L2C 信号。事实上到 2014

10、 年可能出现美国拥有12个发送 L1/L5 信号的 GPS卫星，同时 Galileo也拥有 12 个发送 L1/L5 信号的 GPS卫星的情况。考虑到信号之间的兼容性，这就意味着会有24 颗 GPS卫星发送 L1/L5 信号。除了信号组合，其他一些方面也需要考虑，比如要考虑天线的质量，因为良好的天线可以对所有接收器的频率选择性起到很重要的作用。高精度测量信号接收器需要关心的另一个重要部分是相位线性，因为它需要很大的频谱宽度，为此将接收器设计成高达1db 的压缩点形式，这也提高了经过三阶互调的信号质量，同时减少了互调对信号的影响。提高压缩率可能会导致功能消耗增多，不过同时波段信号的容错度也会大大

11、提高。从长远来看，应该考虑一些具有自适应能力的均衡方法。下一个太阳活动高峰肉眼看到的太空平静而广阔。不过实际上太空并不是一成不变的。太阳系会出现类似风、 云、风暴和飓风等气象变化，科学家们称之为“太空天气”。太空天气的变化主要受太阳活动周期的影响， 太阳活动的周期平均为 12 年，观察太阳活动周期依靠的是记录可见的太阳黑子的频率和位置。太阳活动高峰和太阳活动低谷分别对应太阳黑子数量最多和最少的时间段。下一个太阳活动高峰预计会出现在 2013 年 1 月到 5 月之间。虽然通过观察太阳黑子数目可以预计 2013 年的太阳活动高峰是一个相对较弱的高峰期，但大部分 GPS设备并没有在处于太阳活动高峰

12、期的同时，在强电离层闪烁的条件下接受过测试。此外，许多最剧烈的太阳能量爆发都发生在低于平均水平的太阳活动周期。任何 GPS信号，只要是需要在持续可用的情况下保持信号精度缓慢降低，信号很少或几乎不出现周跳，并且不丢失信号的状态，都会面临闪烁现象带来的问题。使用载波相位跟踪技术的高精度接收器特别容易受闪烁现象的影响。除了造成信号幅度的衰减，闪烁现象还会以一种更微妙的方式造成信号相位的变化。如果相位移动足够迅速的话，就可以在GPS接收器的锁相环中尝试跟踪环路。根据信号当前的可用性，高精度接收器可以利用一个三阶锁相环路来应对闪烁现象的影响，这个环路的预测时间间隔大约为10 毫秒，频谱宽度约为10 赫兹

13、。使用无代码技术，半无代码技术以及Z- 跟踪技术的双频接收器不适合用来跟踪L2 信号，因为使用这些技术的信号接收器很容易受到闪烁现象的影响。随着新信号的出现，老式的L1+L2P(Y) 接收器将会被现代的双频接收机(L1+L2C 或 L1+ L5) 所取代。此外， L2 和 L5 的新信号不包含任何数据位数转换，这意味着从理论上来说这些信号更能经受住闪烁现象的影响。需要注意的是接收器最低设计的要求是：能在闪烁现象的影响下识别出信号。 ( 编译 | 侯浩 )出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲

14、报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰 “能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣