GPS现代化及其影响(上).docx

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GPS现代化及其影响(上）

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刘天雄

第二十一讲

1.概述

1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星BLOCK-I成功发射，标志着GPS系统进入工程研制阶段。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星BLOCK-II成功发射，宣告GPS系统进入了组网阶段。1995年美国国防部宣布GPS系统提供完全运行服务FOC（FullOperationalCapability），利用L1C/A码信号为民用用户提供标准定位服务SPS（StandardPositioningService），利用L1P(Y)码信号和L2P(Y)码信号为授权用户提供精密定位服务PPS（PrecisePositioningService）。

GPS系统的定位精度超过了已公开发布的ICD（接口控制）文件指标要求已是不争的事实，根据斯坦福GPS计划升级研讨会文集（2010年11月9日），美国空军GPS联队的BernardGruber上校提交的报告，1994年精密定位服务（PPS）空间导航信号的用户测距误差（URE）的均方根值为3m，2006年精密定位服务空间导航信号的用户测距误差（URE）的均方根值已优于1m，GPS精密定位服务空间导航信号的用户测距误差URE的均方根值呈逐年下降趋势，如图1所示。

但是，GPS系统的服务特性不仅包括定位精度，同时也包括覆盖范围、完好性、连续性、可用性以及可负担性，这些性能是时间和空间的函数。特别是当GPS播发的空间信号不能用于定位和授时的时候，系统应及时向用户告警。例如，民航飞机盲降（CATIII）对GPS系统的完好性要求为，当水平（垂直）定位误差超过15m（10m）而GPS系统未能在2s内告警的概率低于10-9/每次进近（详见国际民航组织国际公约附件10卷1）。

GPS系统作为军民两用系统，随着GPS应用的不断深入，GPS系统存在一些问题影响了GPS系统的效能，其一是是GPS导航信号功率微弱，容易受到干扰，安全性较差，使用不完全可控；其二是星历有效期短而且外推精度低，地面运控系统需要每天更新星历与星钟数据；其三是在载波相位测量中，L2载波信号重建需要依赖L1信号；其四是单一采用L1C/A码导航信号进行伪距测量的单点定位精度较低，难以满足测绘等高精度用户的需求；其五是军用P（Y）码信号的捕获需要利用C/A码信号引导，例如，L1C/A码信号与L1P（Y）码信号中心频点（1575.42MHz）一致，只是带宽不同，如图2所示，如果C/A码信号受到干扰时，那么一定也会影响P（Y）码信号的捕获，P（Y）码信号捕获的非独立性影响了战时军用P（Y）码信号的效能，这种情况是美国军方所不期望看到的，为了保证美军及其盟友在战场复杂电磁环境中定位、导航和授时应用的绝对优势，美国国防部（DOD）启动了“GPS现代化”计划。

“GPS现代化”的目标是保护和改善GPS系统，在技术上设防，阻止敌方使用GPS系统。“GPS现代化”的措施是通过增加GPS卫星发射的信号功率，以增强抗电子干扰能力；增加新的军用M码，同时与民码分开等措施实现军用导航现代化（六个军用信号），在冲突地区可以拒止敌方使用GPS系统。通过增加民用导航信号频点（四个民用信号）实现民用导航现代[来自wWW.]化。

未来2020年前后，全球用户将可以免费接收美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国BDS以及欧洲GAILEO四大卫星导航系统信号，在民用和商业导航市场GPS系统将面临其他系统的竞争，目前四大卫星导航系统正积极研讨L1频点和未来L5频点民用信号的兼容互操作协议，美国正积极以此为切入点，通过改善服务的完好性、连续性和可用性，实现民用导航现代化，提升GPS系统全球竞争力，并期望最终成为全球卫星导航系统（GNSS）标准的制定者。

2.GPS现代化策略

美国GPS系统现代化策略是军民导航信号分离，强化军用导航信号使用。为军用用户提供新的授权信号（L1M、L2M），提高拒止敌方使用GPS系统的能力，进一步提高军用导航信号抗干扰能力。研发新一代军用GPS接收机，提高GPS的抗干扰能力。同时为民用用户提供新的导航信号（L2C、L5），利用双频信号补偿电离层延迟误差以提高定位解算精度。

在美国2000年的财政年度预算支持下（FY2000），美国开始实施实施“GPS现代化”计划，用当前先进的技术改进和完善GPS系统，主要涉及四方面内容，一是为军事和民用用户提供新的导航信号（L1C、L1M、L2C、L2M、L5），并使军民信号频谱分离；二是研制新的导航卫星GPS-IIF，同时研发新一代导航卫星GPS-III，卫星发射信号功率可调整，即增强或视情关闭GPS发射信号，以防止GPS信号战时受干扰或被他