GPS/GLONASS/Galileo/COMPASS衛星導航技術(shù)進(jìn)展

　　近10余年來(lái)，美國全球定位系統(GPS)在幾次局部戰爭中的成功實(shí)踐，充分展示了現代衛星導航系統的重大軍事利用價(jià)值；同時(shí)，GPS在國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用，已發(fā)展成為對全球經(jīng)濟有相當影響的巨大產(chǎn)業(yè)，備受世界各國關(guān)注。目前，已建成和正在規劃建設的衛星導航系統除美國的GPS系統外，還有俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的伽利略系統、中國的北斗衛星導航系統以及日本和印度的區域衛星導航系統。本文在簡(jiǎn)要論述現代衛星導航系統技術(shù)發(fā)展現狀的基礎上，重點(diǎn)研究近年來(lái)GPS系統的最新技術(shù)特點(diǎn)和GPS 3系統的技術(shù)與發(fā)展規劃，并分析論證衛星導航系統技術(shù)的發(fā)展趨勢，為我國衛星導航系統建設規劃提供參考。
 

 一、衛星導航系統發(fā)展狀

1．美國的GPS系統

 　　自2000年以來(lái)，為了進(jìn)一步提高GPS系統導航定位精度，增強系統的連續性、完好性、可用性、抗干擾和自主生存能力，美國積極推進(jìn)GPS系統的現代化，使之成為國際衛星導航的標準系統。GPS系統現代化采取的技術(shù)措施和步驟包括：(1)關(guān)閉選擇可用性(SA)軟件；(2)新增軍用M碼和民用L2C碼；(3)增設民用頻率L5；(4)實(shí)施新一代GPS 3系統計劃。當前正處于GPS系統現代化的第二階段，部署現代化改造衛星系列GPS 2R－M。 

 　　截至2007年7月，GPS星座擁有30顆在軌運行衛星，包括15顆GPS 2A衛星、12顆GPS 2R衛星和3顆GPS 2R－M衛星。其中，在第1>4軌道面上各有5顆衛星；在第5軌道面上有4顆衛星；在第6軌道面上有6顆衛星。當前的GPS星座已不是早期設計的經(jīng)典Walker 24／3／2星座構形，而是趨向于一種6個(gè)軌道平面的衛星均勻分布與非均勻備份混合星座構形。這樣的星座設計能夠保證導航衛星信號的全球連續覆蓋，滿(mǎn)足系統可用性指標要求，有利于實(shí)現接收機自主完好性監測(RAIM)，獲得安全可靠的高精度導航信息。 

 　　用戶(hù)測距誤差(URE)是評價(jià)衛星導航系統性能的關(guān)鍵指標，與衛星導航系統地面控制部分和空間星座部分密切相關(guān)，由衛星星歷及時(shí)鐘誤差在用戶(hù)至衛星視線(xiàn)方向的投影計算得到。圖3展示了1990>2005年URE均方根誤差(RMS，即用戶(hù)測距精度)的長(cháng)期統計結果。從圖中可以看出，自1995年GPS星座具備完全可操作能力以來(lái)。用戶(hù)測距精度提高了62％，到2005年已達到1.1m。隨著(zhù)GPS 2R／2R－M衛星系列的部署，再加入星間鏈路測距數據，則可進(jìn)一步減小uRE值。2007年2月21日，統計GPS星座30顆衛星的平均URE值已達到0.74m。 

 　　可見(jiàn)，GPS系統用戶(hù)測距精度逐漸提高是GPS衛星系統技術(shù)不斷演化及地面控制站升級和完善的結果，從而可滿(mǎn)足軍民用戶(hù)高精度導航應用需求。 

2．俄羅斯的GLONASS系統

 　　GLONASS系統與GPS系統具有相似的系統構成、定位原理和服務(wù)方式，其差異在于采用不同的信號通信體制、坐標參考系統、時(shí)間基準系統和廣播星歷格式。GLONASS星座現有17顆衛星在軌運行，其中第1、2和3軌道平面分別有8顆、3顆和6顆衛星，4顆衛星為臨時(shí)關(guān)閉狀態(tài)，1顆衛星尚處于測試階段，僅有12顆衛星能夠正常工作。目前，GLONASS星座全球可用性為85％，每天平均間斷時(shí)間在2.1h以上。俄政府宣布，將在2007年下半年進(jìn)行兩次發(fā)射(6顆衛星)，GLONASS星座衛星數可達到18顆，以滿(mǎn)足初步導航應用能力；2009年，恢復全部24顆衛星星座，具備完全可操作能力。 

 　　到目前為止，俄羅斯已發(fā)射95顆GLONASS衛星，包括88顆GLONASS衛星和7顆GLONASS－M衛星。GLONASS衛星在G1(1591>1610MHz)和G2(1240－1256MHz)頻段上采用頻分多址(FDMA)方式調制軍用和民用信號。GLONASS－K和GLONASS－KM／NG等新型衛星系列正在研制和開(kāi)發(fā)之中。GlONASS－K衛星設計壽命為10年，增加了G3(1190>1212MHz)導航頻段、星間鏈路和搜救載荷等設計，并可能在GLONASS－K衛星G1、G3頻段上采用碼分多址(CDMA)方式調制導航信號，以同伽利略、GPS民用導航信號兼容。GLONASS－K衛星預計2008年以后發(fā)射入軌：GLONASS－KM／NG衛星預計2011年以后才能發(fā)射。 

3．歐洲的伽利略衛星導航系統

 　　2002年3月26日，歐洲啟動(dòng)了其民用導航衛星計劃——伽利略衛星導航系統。該衛星星座由30顆中地軌道(MEO)衛星組成，采用Walker 27／3／1星座構形，并有3顆在軌備份衛星。衛星軌道傾角為56°，軌道高度為23616km，軌道交點(diǎn)周期為14h22min。衛星在軌重量約為650kg，功耗700W，設計壽命為20年。 

 　　伽利略衛星采用碼分多址(CDMA)擴頻通信體制以及二進(jìn)制補償載波(BOC，或二進(jìn)制偏置載波)和二相移鍵控(BPSK)信號調制方式，在E5(1164>1215MHz)、E6(1260>1300MHz)和E2－L1－E1(1559－1591MHz)頻段上調制10個(gè)導航信號，并在L6(1544－1545MHz)頻段內廣播搜救信號。伽利略系統提供5種基本的服務(wù)方式：開(kāi)放服務(wù)(OS)、商業(yè)服務(wù)(CS)、生命安全服務(wù)(SOL)、公共管理服務(wù)(PRS)和搜救服務(wù)(SAR)。 

 　　2005年12月28日，第一顆伽利略試驗衛星——GLOVE－A成功發(fā)射，對導航頻段、導航信號、星載原子時(shí)鐘、空間輻射環(huán)境以及衛星激光測距(SLR)等進(jìn)行在軌測試驗證。伽利略系統原計劃2006年完成在軌測試驗證，2008年前完成全部30顆衛星的發(fā)射與組網(wǎng)?，F計劃推遲為：2007年底發(fā)射第二顆試驗衛星GLOVE－B；2009年開(kāi)始發(fā)射伽利略衛星和完成在軌測試驗證；2012年前完成全部星座衛星的部署，并進(jìn)入工程應用階段。 

4．中國的北斗衛星導航系統

 　　2000年10月，我國成功發(fā)射了第一顆北斗導航衛星，現已獨立建成具有3顆北斗衛星的導航試驗系統。該系統采用主動(dòng)式導航體制，為我國境內及周邊地區的中、低動(dòng)態(tài)用戶(hù)或靜止用戶(hù)提供定位和授時(shí)服務(wù)，對我國國民經(jīng)濟建設起著(zhù)積極的推動(dòng)作用。 2007年4月14日，我國在西昌衛星發(fā)射中心又成功發(fā)射了一顆北斗導航衛星，進(jìn)入高度為21500km的中圓軌道，標志著(zhù)我國自行研制的北斗衛星導航系統進(jìn)入新的發(fā)展建設階段。我國將在未來(lái)幾年內陸續發(fā)射北斗導航衛星系列，并進(jìn)行星座組網(wǎng)和試驗，逐步擴展為全球衛星導航系統。該系統采用單向時(shí)間測距的被動(dòng)式導航體制，具有定位、測速和授時(shí)等功能。主要用于國家經(jīng)濟建設，為交通運輸、氣象、石油、海洋、森林、通信、公安等部門(mén)以及其它特殊行業(yè)提供高效的導航定位服務(wù)。 

5．日本和印度的區域衛星導航系統

 　　2006年，日本政府提出建立區域衛星導航系統——準天頂衛星導航系統(QZSS)。QZSS星座由7顆衛星組成。包括3顆傾斜地球同步橢圓軌道(IGSEO)衛星、1顆地球靜止軌道(GEO)衛星和3顆大橢圓軌道(HEO)衛星，計劃2009年發(fā)射第一顆衛星。QZSS衛星導航信號與GPS和伽利略衛星兼容，包括L1C、L1>C/A、L2C、L5和111-SAIF等信號。QZSS地面控制系統包括10個(gè)監測站和1個(gè)主控站，時(shí)間尺度與國際原子時(shí)(TAI)相差19s，坐標系統與GPS系統偏差小于0.02m。 

 　　印度的區域衛星導航系統(IRNSS)星座將采用3GEO+4IGSO構形，衛星將在L1和L5頻段上調制導航信號，并利用C頻段對衛星進(jìn)行測距，用s頻段進(jìn)行衛星測控。計劃2009年發(fā)射1顆GEO衛星，用于輔助GPS區域增強導航，并進(jìn)行IRNSS系統技術(shù)初步試驗驗證。 

二、GPS 2系統的最新技術(shù)特征

1．GPS星座在軌備份與維持技術(shù)

 　　GPS星座在軌備份策略隨著(zhù)星座的演化而不斷完善，取得了良好的實(shí)際工程應用效果。每次發(fā)射進(jìn)入GPS星座的替補衛星，并不是對退役衛星站位的簡(jiǎn)單替換，其具體站位是由備份策略?xún)?yōu)化計算得到的。近8年來(lái)，GPS星座在軌衛星數量一直保持在28顆以上，表1給出了在此期間發(fā)射的GPS衛星及相應的退役衛星軌道面和站位分布情況。從表中可以看到，發(fā)射GPS替補衛星與相應的退役衛星在分布軌道平面和站位上沒(méi)有必然聯(lián)系，甚至不在同一軌道平面上。 

 　　事實(shí)上，GPS星座在軌備份策略是根據星座全球連續覆蓋監測結果、系統性能指標、星座衛星健康狀態(tài)、運載和發(fā)射能力、新型衛星研制狀況、衛星及星座可靠性預算、發(fā)射時(shí)刻、發(fā)射場(chǎng)地以及系統現代化進(jìn)程等多種因素的量化數據，采用GPS星座備份策略?xún)?yōu)化設計與分析軟件，計算得到替補衛星的部署軌道面和站位。針對退役衛星對星座全球覆蓋性能的影響評估結果，對星座衛星站位進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。例如，在2003年7月至2007年7月間，就對4顆GPS 2A衛星進(jìn)行了站位調整，以滿(mǎn)足星座全球連續覆蓋的性能指標要求(如表2所示)。 

 　　可見(jiàn)，導航星座在軌備份與長(cháng)期維持策略屬于多元決策變量、多目標和復雜函數的優(yōu)化問(wèn)題。GPS星座的長(cháng)期維持策略逐漸由“按計劃發(fā)射”方式向“按需發(fā)射”方式過(guò)渡。GPS替補衛星部署軌道面和站位隨發(fā)射時(shí)刻動(dòng)態(tài)優(yōu)化確定，以滿(mǎn)足全球定位精度、連續性、完好性和可用性等系統性能指標要求。 

2．GPS衛星系列與長(cháng)壽命特征

 　　目前，美國已發(fā)射5種GPS衛星系列，即GPS 1、GPS 2、GPS 2A、GPS 2R和GPS 2R－M，共計55顆衛星，其中GPS 1－7和2R－1兩顆衛星發(fā)射失敗。在表4中分別給出了5種衛星系列的重量、功率、原子時(shí)鐘類(lèi)型及數量、設計壽命、首次發(fā)射時(shí)間以及已發(fā)射數量等主要技術(shù)參數。從表3中可以看到，GPS 2R衛星系列都采用銣鐘頻標，已取代銫鐘空間應用。星載銣鐘穩定度為1>10-13-4>10-14/24h，具有較小的熱系數，毋需專(zhuān)門(mén)作外部熱控系統設計，對于不可預見(jiàn)的熱環(huán)境，由附加的基板加熱器負責環(huán)境溫度調節，以保證銣鐘正常工作。 

 　　圖6展示了已發(fā)射的55顆GPS衛星的實(shí)際壽命情況。其中：衛星編號“11”表示GPSl－1衛星；“21”表示GPS 2－1衛星；“2A10”表示GPS 2A－10；“2R1”表示GPS 2R－1；“16M”表示GPS 2R-16M。從圖中可以看到：在已成功發(fā)射并退役的23顆衛星中，僅有3顆衛星GPS 1－5、GPS 2－7和GPS 2A－13未達到設計壽命要求；GPS 2－9衛星在軌運行時(shí)間最長(cháng)，達到16.6年，是其設計壽命的2.3倍；已成功發(fā)射并退役的10顆GPS 1衛星和13顆GPS 2／2AJ2星的平均使用壽命分別為9.6年、11.5年?？梢?jiàn)，GPS衛星的設計和研制技術(shù)，以及星座長(cháng)期的維持與運行管理技術(shù)已相當成熟。GPS衛星的長(cháng)壽命特征是GPS系統獲得空前成功的重要保障條件。 

3．GPS衛星有效載荷技術(shù)演化

 　　根據GPS系統現代化進(jìn)程，剩余的5顆GPS 2R－M衛星系列，將在2007下半年以后的1年內發(fā)射部署完畢。2008年，將發(fā)射GPS 2F后續衛星系列。GPS 2F衛星在軌重量為1545kg，功率為2900W，設計壽命為12年。2013年，將實(shí)施新一代GPS系統計劃——GPS 3。GPS衛星有效載荷技術(shù)演化過(guò)程為： 

(1)GPS1衛星。GPS1衛星系列屬于雙頻率111(1575A2MHz)和L2(1227.60MHz)基本型衛星，在L1頻率上調制C/A碼、P1碼和導航電文信號；在L2頻率上調制P1碼和導航電文信號，因此也被稱(chēng)為原始概念驗證衛星。該衛星系列由洛克韋爾公司負責研制，反映了系統開(kāi)發(fā)階段的技術(shù)水平。

(2)GPS 2衛星。GPS 2衛星系列是由洛克韋爾公司負責研制的標準型衛星。除具有GPS 1衛星的基本功能外，衛星有效載荷增加功能包括：核爆探測系統(NDS)載荷；人為降低廣播星歷和時(shí)鐘參數精度的SA軟件；采取反電子欺騙(A－S)措施，將軍用P碼加密為P(Y)碼；具有14天的導航電文存儲能力。NDS信息通過(guò)L3(1381.05MHz)頻率下傳到地面信息分析中心，同時(shí)L3頻率還用于傳輸導彈預警信息和其它應用。

(3)GPS 2A衛星。GPS 2A為GPS 2的增強型衛星系列，具有180天的導航電文存儲能力，在缺乏地面控制系統信息支持的情況下，衛星自主播發(fā)導航電文，用戶(hù)導航定位精度逐漸下降。

(4)GPS 2R衛星。GPS 2R為GPS 2／2A的替補衛星系列，由洛馬公司負責研制，增加了星間測距與通信鏈路設計，具有自主導航功能。同時(shí)，衛星還具有在軌可編程能力，并設計了針對星載銣鐘性能的先進(jìn)時(shí)間保持系統，實(shí)現了星上時(shí)間系統的保持和無(wú)縫切換?？梢?jiàn)，該衛星系列對有效載荷做了較大的技術(shù)改進(jìn)，來(lái)滿(mǎn)足現代衛星導航系統的性能需求。

(5)GPS 2R－M衛星。GPS2R－M是對8顆GPS 2R衛星進(jìn)行現代化改造的衛星系列。該衛星在L1和L2頻率上播發(fā)新的軍用M碼，并將在L2頻率上播發(fā)民用測距碼(L2C)。L2C碼具有靈活的信號結構、較強的數據恢復和信號跟蹤能力，普通用戶(hù)可利用雙頻測量偽距來(lái)修正電離層延遲誤差。相比P(Y)碼而言，M碼具有較強的發(fā)射功率、抗干擾能力、保密性能，并有利于直接捕獲，更好地滿(mǎn)足了軍用需求。

(6)GPS 2F衛星。GPS 2F屬于GPS 2A／2R的后續衛星系列，由波音公司負責研制。該衛星增加了民用頻率L5 (1176.45MHz)，有利于保障民航安全，修正電離層延遲誤差，實(shí)時(shí)解算載波相位模糊度，削弱多路徑效應的影響等。同時(shí)，衛星采取柔性的有效載荷軟硬件設計，增強了星間鏈路數據處理、網(wǎng)絡(luò )通信以及高速上下行鏈路數據的傳輸能力。衛星上行和下行數據傳輸率分別達到2K／s和1.9M／s。

4．GPS32星自主導航技術(shù)

 　　GPS 2Pd2R－M衛星具有自主導航功能。所謂的自主導航是指導航星座衛星在長(cháng)時(shí)間得不到地面測控系統支持的情況下，通過(guò)星間雙向測距、數據交換以及星載處理器濾波處理，不斷修正地面站注入的衛星長(cháng)期預報星歷及時(shí)鐘參數，并自主生成導航電文和維持星座基本構形，滿(mǎn)足用戶(hù)高精度導航定位應用需求的實(shí)現過(guò)程。其中，星間測距與通信鏈路是GPS衛星自主導航的核心技術(shù)，由星間信號發(fā)射機、信號接收機、饋電網(wǎng)絡(luò )、發(fā)射天線(xiàn)單元、接收天線(xiàn)單元以及信號與數據處理單元組成。GPS衛星自主導航的模式和技術(shù)特點(diǎn)在于： 

(1)星間鏈路天線(xiàn)。星間鏈路發(fā)射天線(xiàn)采用獨立天線(xiàn)單元，而接收天線(xiàn)由9個(gè)單元平面直射陣列組成，其中1個(gè)單元位于陣列中心，其余8個(gè)單元圍繞中心單元均勻布置，且饋電相位與中心單元反相，饋電幅度按比例配置。接收天線(xiàn)波束相位中心穩定，波束邊緣增益可達到7dB左右。

(2)星間鏈路拓撲結構。根據GPS星座構形和星間鏈路天線(xiàn)賦形設計，星間鏈路距離可達到49465km。對于24顆衛星星座，可以建立8－16條同軌道面前向和后向鏈路，以及異軌道面側向鏈路。

(3)星間鏈路通信體制。星間通信采用時(shí)分多址(TDMA)擴頻通信體制，通信頻段為UHF(250－290MHz)頻段。每顆衛星分配1.5s的時(shí)間間隔用于雙頻測距或通信。對于由24顆衛星組成的星座，36s為1個(gè)子幀，900s為1個(gè)主幀。GPS 2Pd2R－M衛星星間鏈路測距周期可選擇15min、1h、2h、3h、4h和6h，其中1h為缺省值設置。

(4)自主導航信息處理流程。星間測距與數據交換→星間測距與時(shí)鐘參數修正→星座衛星完好性監測與評估→更新星歷和時(shí)鐘參數→修正星座整體旋轉誤差→重新擬合衛星星歷和時(shí)鐘參數→修正衛星時(shí)鐘偏差→保存每小時(shí)檢測點(diǎn)數據→生成導航電文。

(5)自主導航工作模式。GPS 2R／2R－M衛星自主導航采取4種工作模式：關(guān)閉模式，僅進(jìn)行星間測距和數據存儲；滑行模式，進(jìn)行星間測距、數據存儲和遞推、導航電文生成以及將更新電文播發(fā)至用戶(hù)；隔離模式，不使用其它衛星數據，衛星處理原有數據；正常模式，執行全部自主導航操作。

 　　將GPS 2R／2R－M衛星星間測距數據下傳到地面主控站進(jìn)行分析處理，可計算得到衛星自主導航URE時(shí)間序列(如圖8所示)。從圖中可以看到：在大多數情況下，75天的GPS衛星自主導航URE值小于3m；在無(wú)地面系統支持情況下，40天以后的URE值具有逐漸增大的趨勢。 

 　　GPS 2R／2R－M衛星自主導航設計指標要求是在180天時(shí)間內URE值小于6m，用戶(hù)導航定位精度不會(huì )有明顯下降。事實(shí)上，基于星間鏈路信息的導航星座自主導航，由于缺乏外部時(shí)空基準信息，不能消除或抑制星座整體旋轉誤差、地球自轉的非均勻性誤差和極移殘差隨時(shí)間的累積，致使星座難以長(cháng)時(shí)間自主運行。因而，在GPS 2F衛星的設計中，其自主導航指標要求更改為：具有60天自主導航能力，URE值小于2m。 

 　　此外，正考慮采用一種導航星座“拋錨”技術(shù)，解決GPS自主導航星座整體旋轉問(wèn)題。通過(guò)地面站定期向星座衛星發(fā)射測距信號和調制數據信息，衛星自主進(jìn)行信息處理，抑制星座不可觀(guān)測性誤差隨時(shí)間的累積。但是，這種通過(guò)建立星地鏈路的解決方式，又違背了導航衛星長(cháng)時(shí)間自主運行的原則。 

5、GPS衛星M碼信號BOC調制技術(shù)

 　　在GPS 2R-M衛星上增加的軍用M碼采用了BOC調制技術(shù)。BOC技術(shù)不同于傳統的二相移鍵控(BPSK)和四相移鍵控(QPSK)調制，是一種通過(guò)分裂頻譜信號將能量偏移遠離載波頻帶中心的有效信號的調制方式。利用BOC技術(shù)調制導航信號的優(yōu)勢在于： 

(1)實(shí)現導航頻段重用，減少信號相干損耗，抑制信號多路徑效應，提高偽碼測量跟蹤精度。

(2)增強信號抗干擾性能，簡(jiǎn)化信號微波處理單元和多工器設計。

(3)提高軍用信號發(fā)射功率而不會(huì )干擾民用弱信號捕獲，有利于實(shí)現軍用和民用導航信號的分離。

 　　BOC常用的表達形式為BOC(m，n)，其中m、n分別表示相對于次載波頻率和擴頻碼速率與星載時(shí)鐘基準頻率的比值；m與n之比值稱(chēng)為BOC調制系數。對于GPS衛星，時(shí)鐘基準頻率為1.023MHz，在圖9中分別展示了BOC(5，5)、BOC(8，4)、BOC(9，3)、BOC(10，2)和BPSK(10)調制信號跟蹤測距精度與載噪比之間的關(guān)系。從圖中可以看到：偽碼跟蹤測距精度隨載噪比的增大而提高；在載噪比一定的情況下，BOC調制信號跟蹤測距精度高于BPSK調制信號：BOC調制系數越大，其測距精度就越高。 

 　　盡管采用BOC調制導航信號具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是BOC調制信號的捕獲與跟蹤存在模糊度問(wèn)題。BOC調制信號的自相關(guān)函數屬于多個(gè)峰值函數，主峰和次峰幅度差異較小，次峰幅度達到主峰值的70％以上。若接收機錯誤鎖定了次峰位置，將會(huì )帶來(lái)較大的偽距測量誤差。因此需要采用不同于傳統調制信號的捕獲與跟蹤新算法，以檢測正確的自相關(guān)峰值。 

 　　GPS 2R-M衛星在u和L2頻段上采用BOC(10，5)調制M碼信號。2005年9月26日，成功發(fā)射了第一顆現代化衛星GPS2R-14M。2005年12月16日，該衛星正式播發(fā)M碼信號，雷聲公司率先對其進(jìn)行成功捕獲和跟蹤，測試驗證了M碼信號的跟蹤測量精度、編碼加密、抗干擾等性能，M碼信號功率較P(Y)碼增強10dB以上。 

6、GPS系統地面控制站技術(shù)改造

 　　GPS地面控制站現代化改造是增強GPS系統性能的重要內容，包括軟件和硬件兩個(gè)方面。GPS精度改進(jìn)議案提出了地面控制站技術(shù)改造的措施，其目標是進(jìn)一步減小衛星星歷及時(shí)鐘誤差，提高用戶(hù)導航定位精度。 

 　　目前，GPS地面控制系統軟件已升級到V5.2版本。軟件修改內容包括：改進(jìn)衛星軌道測定及預報算法；改善衛星時(shí)鐘管理與監測機制：縮短導航電文數據齡期；減小監測站位置誤差；完善分布式卡爾曼濾波算法、傳輸軟件和數據處理流程等。地面控制站技術(shù)改造包括：更換地面監測和注入站天線(xiàn)、原子時(shí)鐘、計算機及其網(wǎng)絡(luò )設備；在原有5個(gè)監測站的基礎上，將卡拉維爾角度發(fā)射協(xié)調站擴建為監測和注入站；改造分布于全球的美國國家影像制圖局(NIMA/NGA)的11個(gè)GPS跟蹤站，納入地面控制系統網(wǎng)絡(luò )，目前已改造完成的8個(gè)NGA站已投入使用，其余3個(gè)站正在改建之中。此外，還要在美國西部的范登堡空軍基地再建設1個(gè)主控站作為備份。這樣，確保任意時(shí)刻GPS星座中的每一顆衛星信號能同時(shí)被3個(gè)以上監測站跟蹤，以提高衛星軌道及時(shí)鐘參數的預報精度，增強衛星信號完好性監測能力，提高控制系統的數據處理與傳輸能力，減小用戶(hù)測距誤差，持續改進(jìn)GPS系統的性能。 

三、GPS 3系統技術(shù)與研究進(jìn)展

 　　盡管GPS 2系統應用獲得了空前成功，但是其系統結構框架源于20世紀70、80年代的規劃設計和技術(shù)基礎，存在諸多自身難于克服的缺陷，包括導航信號精度、可用性、完好性、安全性、可監測性和抗干擾性能以及星座異常事件的快速反應能力等，不能滿(mǎn)足未來(lái)軍事、民用和商業(yè)用戶(hù)的更高要求。因此，GPS 3將采用全新的設計方案，融合配置各利技術(shù)資源，克服GPS 2系統缺陷，并具有向后技術(shù)兼容能力，以滿(mǎn)足未來(lái)30年系統技術(shù)擴展和用戶(hù)需求。 

1、GPS 3系統發(fā)展規劃

 　　2000年5月，美國空軍宣布啟動(dòng)新一代GPS系統計劃——GPS 3，由美國宇航公司負責系統頂層與星間鏈路分析論證，洛克西德>馬丁、光普宇宙和波音公司共同負責系統設計與實(shí)現。該計劃分為四個(gè)階段實(shí)施：2000N2005年為系統概念研究和可行性論證階段；2006N2008年為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與仿真試驗階段；2009-2012年為工程研制階段；2013年以后進(jìn)人GPS 3衛星發(fā)射部署和試驗驗證階段。 

 　　目前已完成GPS 3系統的結構與需求定義、需求分析研究、操作概念模式研究以及通信網(wǎng)絡(luò )與星間鏈路論證等，并開(kāi)發(fā)了一套性能強大的集成GPS仿真系統-(I GPSS)軟件，進(jìn)行星座設計與系統性能分析。GPS 3將采用3個(gè)或6個(gè)軌道平面，軌道傾角為55。軌道高度暫定為20196km，27顆ME0衛星與4顆或9顆GE03星配置的星座設計方案，確保由GPS 2到GPS 3星座的平穩過(guò)渡。 

2、GPS 3衛星的技術(shù)特征

 　　GPS 3衛星系列將繼承和完善以前GPS衛星平臺及有效載荷的成熟技術(shù)，具備柔性的在軌可編程和冗余硬件自主管理功能，并在L1、L2、L3、14、L5和L6頻段上調制導航及相關(guān)信號。衛星設計壽命為15年，重量為1796kg，可以常年發(fā)射到任意軌道平面，不存在發(fā)射窗口約束問(wèn)題，其主要技術(shù)特征在于： 

(1)高速和精確指向的星間鏈路。GPS 3衛星將繼續提供更高速率的星間鏈路網(wǎng)路，保讓星問(wèn)信息傳輸和地面控制系統的實(shí)時(shí)測控操作。

(2)高功率的點(diǎn)波束發(fā)射天線(xiàn)。在強干擾的敵對環(huán)境條件下，GPS 3衛星可啟用點(diǎn)波束發(fā)射天線(xiàn)，同時(shí)增強2個(gè)指定區域的信號功率，保證軍用接收機能夠接收導航信號，且導航定位精度不受影響。利用點(diǎn)波束天線(xiàn)使衛星信號功率增強27dB，而軍用接收機天線(xiàn)和信號處理模塊可以獲得11dB增益，因此系統具有38dB的抗干擾能力，滿(mǎn)足美國軍用導航戰的需求。

(3)實(shí)時(shí)完好性監測功能。GPS 3系統建立高速的星地和星間鏈路網(wǎng)絡(luò )，提供了故障事件的近實(shí)時(shí)報警和處理機制。只要接收到1顆衛星信號，就可以獲得整個(gè)星座信息，衛星可自主進(jìn)行放障診斷和處理，確保用戶(hù)獲得安全可靠的導航信息。

(4)星載災害報警系統。GPS 3衛星增加災害報警系統，提供基本搜救服務(wù)。通過(guò)在UHF(406MHz)頻段上調制緊急事件呼救信號，并轉發(fā)至GPS 3衛星。

GPS 3衛星通過(guò)L6(1544MHz)頻率及時(shí)播發(fā)呼救信息至地面搜救中心，將增強現有的國際衛星災害報警系統科斯帕斯一薩爾薩特衛星的搜救能力。

(5)增加L4(1379，91MHz)頻率。GPS 3衛星考慮增加L4頻率，用于修正由太陽(yáng)輻射電離產(chǎn)生的大氣層延遲誤差，進(jìn)一步減小用戶(hù)等效測距誤差，提高導航定位精度。

(6)增加L1C碼信號。GPS3衛星將在L1頻段上增加L1C碼信號，并采用BOC(1，1)調制方式，與歐洲伽利略系統L1頻段信號兼容，進(jìn)一步提高民用導航系統性能。

3、GPS 3系統信息傳輸體制

 　　GPS 3系統信息傳輸網(wǎng)絡(luò )設計，要求支持導航信息可靠傳輸、自主導航、完好性監測和具有可擴展能力，降低對海外測控站的依賴(lài)。GPS 3系統信息傳輸體制包括星間測距與通信鏈路網(wǎng)絡(luò )和星地通信鏈路網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)方面： 

(1)星間測距與通信鏈路網(wǎng)絡(luò )。當前GPS星間鏈路采用UHF頻段，GPS 3將考慮采用Ka(22.55>23.55GHz)、V(59.3>64GHz)和激光頻段建立星間鏈路，以滿(mǎn)足星間精密測距和高速信息傳輸的需求。星間鏈路網(wǎng)絡(luò )設計包括網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、通信性能、測距性能、魯棒性能、數據流的路由處理方案等。星間信息包括上傳更新衛星信息、控制指令、星間測距數據、星載敏感器數據、星上更新軟件、多任務(wù)通信以及用戶(hù)沒(méi)備更新軟件等。

(2)星地通信鏈路網(wǎng)絡(luò )。GPS 3要求構建高速的衛星跟蹤、遙測與指令(TT&C)星地通信鏈路網(wǎng)絡(luò )，其上下行數據傳輸速率要求高于GPS 2F，分別達到200kb/s和6Mb/s。當前GPS采用的TY&C通信頻段S(1755>1850MHz)將用于地面電信通信業(yè)務(wù)，因此GPS 3將考慮采用USB測控體制，其頻段為(2025N2110MHz)。同時(shí)，還考慮采用c頻段測控體制。2003年國際電信聯(lián)盟(ITU)規定：C(5.0-5.03GHz)頻段為無(wú)線(xiàn)電導，航衛星專(zhuān)用頻段，其中C(5.0-，5.01GHz)和C(5.01-5.03GHz)頻段分別用于上、下行測控和導航信息傳輸。C頻段上行信息包括控制指令、星上更新軟件和用戶(hù)設備更新軟件等；C頻段下行信息包括遙測信息、星載敏感器數據、測距數據和多任務(wù)通信等。

四、衛星導航系統技術(shù)的發(fā)展趨勢

 　　綜合分析國內外現代衛星導航系統的發(fā)展狀況和技術(shù)特點(diǎn)，多個(gè)衛星導航系統兼容性與組合導航定位技術(shù)、廣域增強技術(shù)、導航信號增強與調制技術(shù)、自主導航星座運行管理技術(shù)以及導航與通信一體化技術(shù)等將成為衛星導航系統技術(shù)的發(fā)展方向。 

1、衛星導航系統兼容性與組合導航定位技術(shù)

 　　未來(lái)5年，以GPS、GLONASS和伽利略等為代表的衛星導航系統將完成現代化技術(shù)改造和星座組網(wǎng)，系統性能大幅度提升。衛星導航系統將從獨立建設走向合作開(kāi)發(fā)利用，共享空間信息資源和國際衛星導航用戶(hù)市場(chǎng)。多個(gè)系統共用L導航頻段，存在相互干擾問(wèn)題，因此美國、俄羅斯和歐洲空間局就衛星導航系統的民用信號兼容與互操作性問(wèn)題進(jìn)行了多輪談判，達成了基本共識：修改新型導航衛星系列的相關(guān)設計方案，遵從開(kāi)放接口協(xié)議和頻段共用原則，避免衛星導航系統相互干擾，共同開(kāi)發(fā)衛星導航空間資源。多個(gè)衛星導航系統信號兼容，研制多模式組合接收機，獲得更高精度、連續性、有效性、可用性和可靠性的導航定位信息。 

2、衛星導航系統的廣域增強技術(shù)

 　　利用GEO衛星進(jìn)行輔助測距和導航信息轉發(fā)的天基衛星增強系統，是提高導航定位精度和系統完好性監測的有效手段，如美國的廣域增強系統(WASS)和歐洲地球靜止衛星導航重疊服務(wù)(EGNOS)等。對衛星星歷及鐘差參數以及電離層延遲誤差進(jìn)行短時(shí)預報，并通過(guò)衛星播發(fā)至用戶(hù)，大大縮短導航數據齡期，使民用定位精度達到2m水平，并為導航信息安全提供了保障。在一些高精度導航應用領(lǐng)域，如機場(chǎng)和港口等，采用地基局域增強系統(LAAS)和偽衛星技術(shù)，實(shí)時(shí)定位精度可達到厘米量級，并能近實(shí)時(shí)監測導航信息，增強系統完好性和可用性能。因此，未來(lái)10年衛星導航系統增強技術(shù)將繼續得到發(fā)展，滿(mǎn)足人們日益增長(cháng)的高精度、安全可靠的導航應用需求。 

3、衛星導航信號區域功率增強、加解密與BOC調制技術(shù)

 　　在強干擾環(huán)境條件下，導航衛星利用點(diǎn)波束天線(xiàn)，增強指定區域信號功率，專(zhuān)用接收機能夠接收導航信號，且不會(huì )降低導航定位精度。同時(shí)，對導航信息進(jìn)行加密處理，具有抗電子欺騙能力，以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的實(shí)際應用需求。因此，衛星導航系統的抗干擾、多點(diǎn)波束信號增強、小型化的高增益接收天線(xiàn)、導航信號編碼與加密以及專(zhuān)用信號加解密模塊等技術(shù)將是衛星導航系統技術(shù)的發(fā)展方向。 

 　　隨著(zhù)衛星導航事業(yè)的迅速發(fā)展，導航信號頻段已相當擁擠，頻段重用技術(shù)是解決頻段資源短缺的可行方式。利用BOC技術(shù)調制導航信號，具有提高頻段利用率、抑制信號多路徑效應誤差、減少信號相干損耗、提高信號跟蹤測量精度、增強信號抗干擾性能以及解決強弱信號壓制問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，已成為導航衛星信號的有效調制方式。因而，導航衛星信號的BOC調制、捕獲與跟蹤技術(shù)將得到深入研究和工程驗證。 

4、導航星座自主導航與運行管理技術(shù)

 　　導航星座自主導航與運行管理的工程意義在于：能夠有效地減少地面測控站的布設數量，減少地面站至衛星的信息注入次數，降低系統長(cháng)期維持費用；實(shí)時(shí)監測導航信息的完好性，增強系統生存能力；在有地面測控系統支持的情況下，通過(guò)星間雙向測距能夠提供一種獨立的校驗衛星星歷及時(shí)鐘參數的手段，并能進(jìn)一步改善系統的性能和提高導航定位的精度。因此，星座自主導航、運行管理與實(shí)時(shí)監視技術(shù)是新一代衛星導航系統研究的熱門(mén)課題和發(fā)展方向。 

 　　基于星間鏈路信息的導航星座自主導航，不能修正星座整體旋轉誤差、地球自轉非均勻誤差和極移參差，致使星座難于長(cháng)時(shí)間自主運行。x射線(xiàn)脈沖星導航技術(shù)以脈沖星輻射的x射線(xiàn)信號作為外部信息基準，能夠高精度地確定導航衛星軌道、時(shí)間和姿態(tài)參數，不存在星座整體旋轉誤差累積問(wèn)題，為導航星座自主導航技術(shù)研究提供了一種新的思路和實(shí)現途徑。 

5、基于星地、星間鏈路高速寬帶網(wǎng)絡(luò )的導航與通信—體化技術(shù)

 　　導航定位精度、完好性、可用性和連續性是設計和評價(jià)衛星導航系統的頂層性能指標，也是新一代衛星導航系統技術(shù)改造的目標要求?？山⒏咚俚男堑?、星間寬帶通信網(wǎng)絡(luò )，做到“接入到一顆衛星，等效于接入整個(gè)星座”，實(shí)現對星座的實(shí)時(shí)、連續和動(dòng)態(tài)監視，保障導航信息的實(shí)時(shí)性和有效性，全面滿(mǎn)足系統頂層性能指標要求。 

 　　隨著(zhù)地面移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，人們日益意識到時(shí)間、地點(diǎn)和事件等基本信息要素的重要性。例如，城市車(chē)載衛星導航系統的應用，已提供方便快捷的信息服務(wù)。但是，對于大范圍乃至“地球村”實(shí)時(shí)信息獲取，則有賴(lài)于衛星通信網(wǎng)絡(luò )的支持。新一代衛星導航系統的星地、星間高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò )，必然會(huì )促進(jìn)導航與通信技術(shù)的一體化，實(shí)現全球無(wú)縫接人和實(shí)時(shí)信息獲取。 

五、結束語(yǔ)

 　　現代衛星導航系統已成為及時(shí)獲取高精度導航信息的空間基礎設施，具有極高的軍民利用價(jià)值，倍受世界各國青睞。當前，美國GPS系統正在進(jìn)行現代化和新一代衛星導航系統的規劃；俄羅斯積極恢復GLONASS系統星座：歐洲的伽利略試驗衛星正在進(jìn)行在軌測試驗證：中國的北斗衛星導航系統建設取得標志性進(jìn)展；日本和印度將發(fā)展區域衛星導航系統。 

 　　衛星導航系統技術(shù)發(fā)展趨勢體現在衛星導航系統兼容性、組合導航定位、廣域增強系統、區域信號增強、信號加解密與調制、星座自主導航以及導航與通信一體化等技術(shù)方向上。