GPS導航技術的新進展
美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）導航衛(wèi)星正在逐步現(xiàn)代化。GPS從美國空軍的導航輔助設備開始，逐漸發(fā)展成軍民兩用的一種重要技術。GPS的精確位置與定時信息，已成為世界范圍各種軍民用、科研和商業(yè)活動的一種重要資源 GPS衛(wèi)星的發(fā)展及信號的改進 GPS導航衛(wèi)星自1978年發(fā)射以來，其型別已由第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次發(fā)展到ⅡR批次。第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次衛(wèi)星共有40顆，是由羅克韋爾公司制造的，而20顆ⅡR批次衛(wèi)星則由洛克希德·馬丁公司制造。波音公司在1996年收購了羅克韋爾的航空航天和防務業(yè)務，目前正在制造33顆更先進的ⅡF批次衛(wèi)星。美國還在考慮發(fā)展采用點波束的新一代GPS衛(wèi)星（GPS-Ⅲ）。 GPS從1994年全面工作以來，改進工作一直在進行中。這是因為民用用戶要求GPS具有更好的抗干擾和干涉性能、較高的安全性和完整性；軍方則要求衛(wèi)星發(fā)射較大的功率和新的同民用信號分離的軍用信號；而對采用GPS導航的"靈巧"武器，加快信號捕獲速度更為重要。 民用GPS導航精度迄今的******改進發(fā)生在2000年5月2日，美國停止了故意降低民用信號性能（稱為選擇可用性，即S/A）的做法。在S/A工作時，民用用戶在99%的時間只有100米的精度。但當S/A切斷后，導航精度上升，95%的位置數(shù)據(jù)可落在半徑為6.3米的圓內(nèi)。 GPS衛(wèi)星發(fā)送兩種碼：粗捕獲碼（C/A碼）和精碼（P碼）。前者是民用的，后者只限于供美軍及其盟軍以及美國政府批準的用戶使用。這些碼以擴頻方式調制在兩種不同的頻率上發(fā)射：L1波段以1575.42兆赫發(fā)射C/A和P碼；而L2波段只以1227.6兆赫發(fā)射P碼。 GPS衛(wèi)星導航能力最重大的改進將從2003年發(fā)射洛克希德·馬丁首批ⅡR-M修改的ⅡR衛(wèi)星開始。ⅡR-M衛(wèi)星將發(fā)射增強的L1民用信號，同時發(fā)射新的L2民用信號和軍用碼（M碼）。進一步的改進將從發(fā)射波音ⅡF批次衛(wèi)星的2005年開始，ⅡF批次衛(wèi)星除發(fā)射增強的L1、L2民用信號和M碼外，將在1176.45兆赫增加第3個民用信號（L5）。在ⅡF發(fā)射以前，M碼將從發(fā)展型過渡到工作型。因為導航衛(wèi)星星座的發(fā)射需要有一段時間，故在軌道上獲得全工作能力則要在2007年發(fā)射18顆L2民用信號和M碼衛(wèi)星后才能實現(xiàn)。18顆衛(wèi)星組成的第三個民用信號（L5）的星座預計要到2011年才能發(fā)射完。 此后，美軍將得到抗干擾能力有所增強的新信號－－M碼。它能發(fā)送更大的功率，而不干涉民用接收機。M碼還給軍方一種新的能力，以干擾敵方對信號的利用，但其細節(jié)是保密的。 L2民用信號即第二個民用信號稱為L2C，使民用用戶也能補償大氣傳輸不定性誤差，從而使民用導航精度提高到3～10米。而美軍及其盟軍因一開始就能接收L1和L2中的P碼，故一直具有這種能力。 對L2的設計約束是它必須與新的M碼兼容。為避免對軍用L2 P（Y）接收機的任何損害，新的民用L2應具有與現(xiàn)有C/A碼相同的功率和頻譜形狀。這里，括號中的Y碼是P碼的加密型。實際上，民用L2信號將比現(xiàn)有的L1 C/A信號低2.3分貝。功率較低的問題將由現(xiàn)代的多相關器技術加以克服，以便迅速捕獲很微弱的信號。 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號必須現(xiàn)代化，同時又要保持向后兼容性。組合的民用信號與軍用信號必須放在現(xiàn)有頻帶中，而且具有足夠的隔離，以防互相干涉。美國決定將C/A碼信號放在L1頻帶和新的L2頻帶的中部，供民用使用，而保留Y碼信號。 M碼將采用一種裂譜調制法，它把其大部分功率放在靠近分配給它的頻帶的邊緣處。抗干擾能力主要來自不干涉C/A碼或Y碼接收機的強大的發(fā)射功率。 M碼信號的保密設計基于下一代密碼技術和新的密鑰結構。為進一步分離軍用和民用碼，衛(wèi)星對于M碼將具有單獨的射頻鏈路和天線孔徑。當衛(wèi)星能工作時，每顆衛(wèi)星可能在每個載波頻率上發(fā)射兩個不同的M碼信號。即使由同一顆衛(wèi)星以同一載波頻率發(fā)射，信號將在載波、擴散碼、數(shù)據(jù)信息等方面不同。 M碼的調制將采用二進制偏置載波（BOC）信號，其子載波頻率為10.23兆赫，擴碼率為每秒5.115百萬擴散位，故稱為BOC（10.23，5.115）調制，簡稱BOC（10，5）。因為BOC（10，5）調制與Y和C/A碼信號相分離，故可以較大的功率發(fā)射，而不降低Y或C/A碼接收機的性能。BOC（10，5）對于針對C/A碼信號的干擾不敏感，而且與用來擴展調制的二進制序列的結構難以分辨。 L5將位于960～1215兆赫頻段，而地面測距儀/塔康（DME/TACAN）導航臺和軍用數(shù)據(jù)鏈（Link 16）已大量使用這個頻段，但這只會對歐洲中部和美國高空飛行的飛機產(chǎn)生干擾。美國計劃對在L5±9兆赫以內(nèi)的DME頻率進行重新分配，以便L5信號在美國的所有高度都能良好地接收。 一些新的抗干擾技術 由于GPS衛(wèi)星發(fā)射的導航信號比較微弱，而且以固定的頻率發(fā)射，因此軍用GPS接收機很容易受到敵方的干擾。 美國國防預研計劃局（DARPA）正在發(fā)展一種新的抗干擾方法，采用戰(zhàn)場上空的無人機來創(chuàng)造偽GPS星座，使其信號功率超過敵方干擾信號的功率。 所謂偽衛(wèi)星，就是將GPS導航信號發(fā)射機裝在飛機或地面上，頂替GPS衛(wèi)星來進行導航。DARPA用無人機做偽衛(wèi)星的研究，稱為GPX偽衛(wèi)星概念，旨在使己方的部隊在受干擾的戰(zhàn)場環(huán)境中具有精確的導航能力。其方法是由飛行中無人機上的4顆偽衛(wèi)星廣播大功率信號，這樣在戰(zhàn)場區(qū)域上空產(chǎn)生一個人工GPS星座。4架"獵人"無人機就可覆蓋300千米見方的戰(zhàn)區(qū)。 只要對現(xiàn)有GPS接收機的軟件作些改變就可使用偽衛(wèi)星發(fā)射的信號。當用實際GPS星座導航時，接收機開始需要知道衛(wèi)星位置，即星歷的情況，故偽衛(wèi)星概念面臨的挑戰(zhàn)是采用可用的低數(shù)據(jù)率信息把4顆運動的偽衛(wèi)星的位置告訴接收機。因此，DARPA和柯林斯公司設計人員的關鍵任務是在可用的50比特/秒信息中發(fā)送偽衛(wèi)星星歷。無人機的穩(wěn)定性相當好，不會像戰(zhàn)斗機那樣機動；但任何運動都會使位置有點不確定。因而與采用衛(wèi)星星座的導航比較，其定位總誤差將增長約20%。DAPRA已用在7500米高度上的公務機上以及約3000米高度上的"獵人"無人機上試驗了單顆偽衛(wèi)星，導航精度從采用真衛(wèi)星時的2.7米下降到4.3米。 當然，偽衛(wèi)星不一定要全部機載，也可采用地面和機載發(fā)射機混合的方案。將某些偽衛(wèi)星設在地面上的缺點是減少了覆蓋范圍，但提高了導航精度。為了克服干擾，偽衛(wèi)星可發(fā)射100瓦信號，使地面接收機處的信號強度比來自衛(wèi)星的信號強度增加45分貝。 諾斯羅普·格魯門公司正在研制可提供30～40分貝抗干擾改進的GPS接收機。這種稱為"反干擾自主完整性監(jiān)控外推"的抗干擾方法將由慣性導航和GPS接收機在載波相位級進行全耦合來實現(xiàn)。全耦合濾波器將減小GPS跟蹤回路的帶寬，從而減少干擾信號進入GPS接收機的機會。 柯林斯公司和洛克希德·馬丁公司聯(lián)合為JASSM空面導彈研制的G-STAR高反干擾GPS接收機采用了調零和波束操縱的方法。該接收機重11.3千克，采用了一個空間時間適配器，適配器探測出一個威脅，便將其信號調到零，并在發(fā)射導航信號的衛(wèi)星方向增加增益。 這種反干擾技術以數(shù)字方式實現(xiàn)，故稱為數(shù)字波束成形器，它比常規(guī)的模擬調零法更為精確，同時可將接收機的波束調整到朝向可用的導航衛(wèi)星。數(shù)字信號處理可通過動態(tài)移動零位來抵消噪聲，增加增益，并通過一個6元天線陣來操縱波束。 民用GPS接收機也有抗干擾的問題，但民用GPS接收機用戶更關心非故意干擾。非故意干擾基本上為寬波段類型，與干擾機將其功率集中于GPS頻率不同。與軟件有密切關系的數(shù)字信號處理方法，在對付寬波段干擾方面是很理想的。 |
