1、Journal of Global Positioning Systems (2002) Vol. 1, No. 1: 1-17 现代化的 GPS:计划,新功能及与伽利略的未来关系Keith D. McDonald摘要： 本文综述了 GPS 的发展、现状和当前的性能。然后对 GPS 的现代化改进进行了阐述和总结，包括航天飞机计划中的附加功能的简述，地面控制部分和用户设备。提出了对在 GPS 的四个主要操作模式中系统现代化的计划和活动影响的探讨。涵盖了 GPS现代化和增强活动在类似欧洲伽利略计划的活动和其他 GNSS 预报系统中的含义以及他们之间的关系。简短地表述了 GPS 改进中的一些技术、政
2、策和与及时部署相关的实施问题。关键字：GPS，现代化，全球导航卫星系统，伽利略1 引言在过去的三十年里，全球卫星定位系统（GPS）通过发展与实施已经从一个导航的概念成长为一个拥有 28 个航天器且目前服务数百万用户的操作系统。自 1997 年以来，每年有超过一百万的 GPS 接收器被生产出，它的使用量的增加由此可见。迅速发展的GPS 市场，包括设备和应用程序，据可靠估计(USGAO 美国审计总署 ,1998)在 2000 年约$8.5B，到 2003 年约为$17B，预计到 2010 年将会超过$60B。GPS 的表现非常好，但大量的期望和需要的改进已经被确认可以应用于新一代的 GPS 补给和
3、后继的飞船。本文对在接下来的 15 年及以后 GPS 的改进以及将提供给用户的明显的性能优势中的关注，选择，论点和计划进行了阐述。欧共体计划在 2008 年左右部署一个有着与 GPS 相似运行特性的导航卫星系统。我们将简要地探讨 GPS 和伽利略组合能力的优点和特性，那将会对国际用户产生影响。GPS 已经成为导航、定位、监视以及地面、海洋、航空和空间时间方面应用程序中必不可少的一部分。当前对新版本的使用将持续导致对更苛刻的性能的需求。2 背景2.1 开发和实现上世纪 70 年代早期，美国国防部(DoD)开发了 GPS 的概念和常规配置，并将这作为所有三个军事部门的一个联合项目。该计划最初由 1
4、968 年建于五角大楼的联合服务导航卫星执行指导小组(NAVSEG) 执导。该小组被特许来确定用于改进军事导航和定位的基于空间的导航系统的可行性与实用性。小组成员超过三年定期会面。如果适当，这是为描述系统的技术、性能、主要开发地区、成本、收益和整体的资金需求的发展概念文件(DCP )做准备。这个 DCP 将被提交给防御系统采集评审委员会审议作为国防部发展项目。人们很早就认识到，卫星系统、固态电子、数字计算机和相关技术的应用可能为导航用户提供重要的性能增强。导航卫星操纵组（NAVSEG ）由美国国防部导航卫星管理办公室和军事部门支持。作者是国防部 Navsat 计划的科技总监，同时兼任 NAVS
5、EG 的执行官和 Navsat 管理办公室的主席。1973 年，经过三年的密集技术调查，及指导小组和其他人在概念发展、需求分析和程序定义方面的努力，系统被 DSARC（代表军事部门）和国防研究与工程设计主任批准进行进一步开发测试。随着 GPS 程序的被认可，美国空军被指定管理实施的执行代理，GPS 综合项目办公室(JPO) 也于洛杉矶的美国空军空间与导弹系统组织建立。在 1978 年和 1985 年早期，根据罗克韦尔空间区(现在的波音 )的合同，十个 GPS（第一阶段）发展航天器在范登堡空军基地建立并成功发射。这些飞船实验以及 1989 年 2 月 22 日发射的运作航天器（第二阶段）都证明了
6、系统性能并且促成了国防部对实施一种运作系统的批准。我们今天有的 GPS 的基本信号特征基本上都是建立在上世纪 70 年代早期到中期，针对他们百万台接收器被设计生产出。幸运的是，由国防部 Navsat 指导小组开发并详细研究，以及联合计划处和他们的合约商进一步开发和实现的 GPS 系统的概念参数表现很好。然而很明显，几乎所有用户，包括军用和民用，都能从各种 GPS 的系统改进、条款修订和附加物中获得实质性利益。在过去四分之一世纪期间巨大的技术进步后，在这些发展的背景下对当前和未来的GPS 功能的评估似乎变得合理了。这在很多方面变得显而易见。过去几年里的军用和民用委员会和其他活动都强烈建议将 GP
7、S 现代化。政府高层也对这一努力相当支持(Gore, 1999)。2.2 现状题为“今天的 GPS”的图 1，说明了 GPS 的主要元素以及频率、信号与其当前使用的信号频谱。题为“GPS 运营系统参数和特点 ”的表 1，总结了当前 GPS 系统的主要特性。地面监控部分的一般特点在名为“GPS 地面控制系统”的图 2 中给出，而 GPS 飞船(S / C)部署图的相关信息在名为 “GPS 空间部分”的图 3 中给出。从 1989 年初发射第二阶段的运作航天器，之后便于稍作修改的航天器（第二阶段A 级）合并。这些包括一些包含额外车载数据存储器的改进，提供了数据可以不经过地面就从 S/C 传送到用户
8、的一段时间。美国国防部以约$1.2B 的价格与罗克韦尔签约买下第二阶段及第二阶段 A 级的 28 个航天器。1995 年 7 月，已实现了 GPS 的完整作业能力，由一个地面控制部分及一个由24 个运作中的 GPS 航天器组成，能提供全球导航服务和各类用户设备的星群共同构成。从那时起，GPS 空间段利用 24 28 个航天器持续运行。而用户设备的开发制造业大幅增加，特别是在民主社会。图 1 今天的 GPS图 2 GPS 地面控制系统(OCS)表 1 GPS 运营系统参数和特性图 3 GPS 空间部分2.3 GPS 星群第二阶段和二段 A 级的航天器由限定的运行周期，理论上约为 7.5 年，需要
9、为补给飞船建立需求和日程。美国国防部与洛克希德马丁星际空间签约买下 21 台 GPS 第三代补给飞船（第二阶段 R 级） 。1 997 年 1 月发射了第一台第二阶段 R 级飞船，但由于捆绑助推器不能很好地绑到新配置的三角洲 II 运载火箭上，因此并未到达轨道。随后的发射是在 1998 年 7 月，并且所有后续发射都取得了成功。截至 1998 年，所有 28 个最初的第二阶段（和第二阶段A 级）的运作航天器都已启动。剩余的第二阶段 R 级飞船，包括 912 个计划用来现代化的 S/C，将在接下来的十年或更久时间内，为系统阶段性地提供主要操作信号和能量。美国国防部与波音签约买下了第四代后续 GP
10、S 航天器（第二阶段 F 级） 。尽管原计划购买 3033 航天器，但现代化设备导致了对一种超越第二代 F 级的新一代航天器的需求。为此，GPS 第三阶段已投入开发。第三阶段的航天器将会替代所有 12 个原定的第二阶段 F 级航天器。一开始的 6 和二代 F 机航天器在合约内，额外的 6 个则计划用于 GPS 中期星群的维护。除此之外，新的第三阶段航天器将被部署。第二阶段 R 级、F 级和第三阶段的航天器提供了用于 GPS 增强和现代化的主要太空交通工具。这是给为系统实现提升和现代化功能提供机会的航天器群体定期补给。因为离新一代 GPS 航天器的交货时间还很长（通常 5-8 年） ，并且对新群
11、体的完整部署也需要数年（通常是 7-10 年） ，对 GPS 改进的介绍通常是一个缓慢而渐进的过程。2.4 导航信号GPS 航天器一般在两种频率下传输信号到地球，特定的 L1 和 L2（参见图 1） 。L1是主要的 GPS 载波信号，频率为 1575.42 MHz。这个信号由两种类型的伪随机噪声码（PRN）控制调节，分别是比特率（或）为 1.023 Mcps 的粗捕获码和码片率为 10.23 Mcps 的安全精度码（P/Y ） 。GPSL2 信号以 1227.6 MHz 的频率通过航天器传输，它建立的目的是为电离层群对GPS 用户接收器的修正进行延迟。因为电离层是接近 1/f2 相关的频散媒质
12、，L1 和 L2 频率的结合就为确定在电离层中由于信号路径通过自由电子而折射造成的群时延对 GPS 的影响提供了一个优秀的实时技术。未修正的电离层传播误差会对 GPS 操作系统带来最大的单一传播错误，导致高达40 米的测距误差。GPSL2 信号最初主要是为实现对慢慢改变电离层延迟的修正。由于这个原因，相对于 L1 的 C/A 码信号，它是在较低功率（大约 1/4 或-6dB）下传输的。L1和 L2 上的 P/Y 码信号通常是安全的，所以这些信号的完整功能只面向国防部和授权用户。图 4 GPS 信号频谱演化和占用率2.5 GPS 的性能GPS 有很多不同的操作模式,每个都有自己的一组性能。首先，
13、GPS 可以独立使用（在一个单独的基础上） ，也就是说不需要任何增加物。在这种情况下，用户设备接收信号，并且只使用从航天器星群发来的信号确定用户的位置、速度、时间(PVT)和相关参数。GPS 还可以应用于差分模式中，在这之中，已知的导航数据和测距资料由参考位置接收，并且时间与类似的 GPS 在相同位置和时间点所测得的数据进行比较（或求差） 。在这个过程中得到的修正之后将应用于同一时间（或最小延迟下）GPS 在远程点的实测数据。对实时操作系统来说，参考接收器和远程接收器的数据连接通常用于传达修正。这个过程无论在取消固定方面，还是在两个地点见有相同效应的缓慢变化，测量误差（偏差）方面都具有有很大的
14、优势。自从许多误差都显现出对偏差的缓慢改变，许多他的导航系统用于提高性能的差分校正技术在 GPS 上表现很好。这些差分纠正可以实时应用或储存，通常同步到一个公共的时间源(如 GPS 时间)，在进行错后处理后使用。这些修正法通常是建立在参考位置应用在远程(探测器)接收器。修正既可以基于 GPS 差分代码测量，为了更精准，也可以基于 GPS 载波相位的差分测量。GPS 用户设备的不同操作方式和相应的当前性能标称值归纳与表 2。为了 2001 和2011 年的 GPS 独立和微分的操作模式进行的 GPS 的性能特征的改变稍后将讨论。提供了位置、速度、时间和角度测量(姿态)的准确值。表 2 GPS 的
15、性能和操作模式当前性能的标称值概述2.6 局部地区和大范围地区的增强功能为提高 GPS 的性能，局部地区及大范围地区已经建立或者计划建立差分全球定位系统(DGPS )。这些包括： 为 GPS 测量区建立的局部错后处理和实时（动态）系统。 在许多北美和欧洲城市为车载应用建立的 DGPS 的调频多载波传输。 检验师、测量技师和地理资讯系统(GIS)的用户建立的全球 DGPS 修正的星载传输。 美国海岸警卫队的差分网络为美国大陆沿海地区，墨西哥湾，阿拉斯加和夏威夷的海洋用户提供准确的沿海，河流，港口和海港入口的导航。 计划在 2002 年首次运行的联邦航空管理局 (FAA)的广域差分系统(WAAS)
16、提供了代码更正,电离层延迟和完整的数据。 用于航天器精准登陆的联邦航空局的局域增强系统(LAAS)，计划约在 2003 年实现，提供代码更正，完整性和其他数据。 类似于 WAAS 的欧洲同步导航覆盖系统(EGNOS)，计划约 2002 年在欧洲开始实施。 日本设计的用于太平洋大部分区域的，提供代码修正和其他数据的移动运输卫星系统(MTSAT)，约在 2002 年投入运作。3 GPS 的现代化尽管 GPS 的表现非常好，超过一般预期，还是需要一些重要的改进。一些代表了政府和民间团体的委员会为了确定哪些功能和特性应该被纳入未来的 GPS 以满足军事和民用用户，在过去的十年里调查了系统的需求和缺陷。
17、GPS 的现代化是一个艰难而复杂的进取。它不仅为解决民事和军事的需要和成本提高性能，也影响其他领域里产生深远影响的问题。这些问题包括频谱的需求和使用，安全，民用和军用性能，系统的完整性，信号可用性，对 GPS 融资和管理的制度上的担忧和作为国家和国际资源的 GPS 今后的操作。幸运的是，许多关键问题已经确定并解决，或者似乎接近最终决议。如果一切按计划或期望中的进行，那么接下来的十年所期望的会变得相当明显。然而，这是在对美国政府的承诺持乐观态度的前提下做的决定，能及时通过对制度安排和必要资金需求。3.1 信号和信号分离最初，军用 GPS 规划者想将他们的 GPS 频率与那些用于民事应用的分离开。
18、这种分离是为了避免信号干扰和相互作用，为两个用户组提供最高灵活性。但是，经过密集搜索也没有找到可以满足军事需求的任何新频谱。因此，军方决定他们的信号将维持在由 ITU 为 GPS 授权的在 L1 (1563.42-1587.42 MHz) 和 L2 (1215.6-1239.6 MHz)中的无线电卫星导航服务(RNSS)段的 24 MHz 频段内。额外的信号需求民事应用对额外 GPS 信号的需求已经通过了好几年。这些信号所需的有：a) 使用两个频率校正技术减少电离层的错误,b) 信号的鲁棒性, 特别是在航空安全操作方面c) 改进的获取性与准确性对 L2 和新的 L5 的担忧联邦航空局有一段时间
19、反对在航空安全应用程序中使用 L2。他们担心的是，自从国际电信联盟(ITU )授权在多原基础上将这个频带使用于无线电定位服务 (包括高功率雷达)，那么使用这个频带的航天器将受到无法接受的干扰。因为这可能会损害航空安全操作，联邦航空局认为 L2 频带不可接受。美国联邦航空局要求在航空无线电导航服务(ARNS)频带内有一个 GPS 航空频率，它正好低于 GPS 的 L2 频带。正如我们即将讨论的一样，这已经发生了。1996 年 3 月 29 日(Gore and Pena, 1996)对 GPS 的总统决策指示 (PDD) 声明，L1和 L2 频带都可以作为民用，也将会授权第三类民用信号。尽管 L
20、1 和 L2 频带可以满足大多数公民用户，但航空用户仍需要第三类民用信号以替代 L2 频带及其在生命安全应用方面的局限性。经过交通部(DOT)，国防部( DOD) 和其他机构对新频率的密集搜索，副总统戈尔在 1999 年 1 月 25 日宣布，ARNS 频带的一部分被商定作为新(第三个)民用频率。这个频率称为 L5，集中在 1176.45 MHz。这一选择似乎满足航空安全使用。图 5 展示了现在光谱中布置，显示出 ARNS 频带低于 GPS 的 L2 频带，这为现代化的信号制定计划。在对 L5 操作使用之前，与其他系统在频带中的协调和国际电信同盟(ITU) 的批准是必需的。目前的 ARNS 频
21、带是 ITU 为地对空服务而建立的。GPS 对这一频带的部分使用需要卫星到地球的传输类别。这件事于 2000 年 4 月在在伊斯坦布尔举行的 ITU 世界无线电会议上被慎重考虑。曾有人预计国际航空社区将支持这种改变。图 5 GPS 和 GLONASS 信号布置安排： L1， L2 和 L53.2 新的和留存的 GPS 信号为了反向兼容性（或 “遗留” ）目的，L1 上现有的 C/A 码及 L1 和 L2 上的 P/Y 码被保留。这些代码的延续是必要的，直到能为民用和军用两者传输新的 GPS 信号的现代化 GPS 航天器被部署。新的 GPS 用户设备也需被生产出以操作现代化的信号。通讯密码目前的
22、计划是，继续为居民社区提供 L1 上的 C/A 码，并且在可行的情况下从后续飞船传送新配置的 C 码(有时被称为 CS 码)。L5 码的计划是为了比当前的 C/A 码和新的C 码有更高的位(芯片)率和较长的代码。计划中 L5 的编码由 10.23 Mcps 码速率和 10230位的代码长度组成。这 C/A 码有相同的代码段。与 C/A 码相比，更长、更高速率的编码序列，可以提高测距精度，降低代码噪音层次，有合理的获取次数，更好的代码绝缘度(互相关特性)和大大减少的多路径干扰易感性。名为“L5-新的民用信号”的图 6，说明了被称为 I5 和 Q5 码的 L5 同相和正交码的主要光谱特性。要充分利
23、用 L5，计划用一个或两个不经过数据调制传播的正交信号。 “数据免费”信号为准确的相位追踪和更精确的载波相位测量提供了优势，这是调查和科学社区特别关心的。同样的，L2 上的新 C 码为了和有数据的信号一样提供数据免费信号，采用 C/A码的码片率（1.023 Mcps）和时间多路复用。当前 L1 和 L2 上的 P/Y 码表现非常好。然而，由于非常长的序列长度( 1013 位) 和编码的通信周期(7 天)，P/Y 码的获取十分困难，除非知道系统计时的精确知识。通常首先要知道的是 P/Y 码和 L1 上 C/A 码短序列的获取。 C/A 码的消息包含能为授权用户获取 P/Y 码提供信息的系统计时数
24、据（交接） 。图 6 L5 新的民用信号然而，军方认为，未来不需要首先访问 C/A 码就能获得他们的安全信号是有必要的。C/A 码可用作民用或其他。对安全信号直接获取的军事需求似乎需要一组新的军事代码的传输，被称为 M 码。考虑的代码选择最初，国防部表示，计划将在 L1 和 L2 频带中心加入新的信号，类似于他们的 C/A和 P/Y 码。为减少与国防部信号的交互作用，避开频带中心对民用信号来说似乎是有益的。本文提出了 1997 - 98 年期间对 L1 和 L2 频带中双编码信号(每个波段中心的偏移)使用的场合（麦当劳,1998） 。对军用信号处于较低水平视为频带外部区域的民用“分离载流子”和
25、“光谱分裂”的使用，为在军用和民用信号之间提供了分离。它还为精确的载波相位测量和更精确的代码处理提供了一些显著的优势。这些分裂光谱信号被发现有优良的性能，尤其是与当前的军用 P/Y 码信号相比，并且它容易实现（1998 年 Spilker 等人） 。在过去的两年中，国防部发起了许多对分裂光谱信号的调查，并且在 L1 和 L2 中都选择了这种信号用作他们的 M 码信号。对 M 码信号的最终安排似乎是，使用一个有着大约 5 Mbps 的比特率，在双重“分裂谱系”载流子上调制，离 GPS L1 和 L2 频带中心的上方和下方有大约 10 MHz 间隔在当前 P（Y）码结构的第一个空格的安全的 M 码。GPS JPO 及其承包商已经对军用信号替代进行了调查，并且对最终选择负责。
