美国GPS现代化的进展与未来发展

1、群 星 闪 烁美国 GPS 现代化的进展与未来发展刘春保(北京空间科技信息研究所 2004年 12月 , 美国总统布什批准了新 的天基定位、导航与授 时 (PNT 系统政 策 , 用于取代 1996年 3月发布的 GPS 系统 政策。新政策用于确保美国的天基 PNT 服 务、增强系统、后备支持及服务的拒绝与阻 断等能力 , 从而实现以下目标 : 提供不间 断的 PNT 服务的可用性 ; 满足国家、国 土和经济的安全要求及民用、科学与商业增 长的需求 ; ! 保持卓越的军用天基 PNT 服 务 ; 连续地提供优 于国外民用天基 PNT 服务及其增强系统 , 或与其相比有竞争力的 民用服务 ; #

2、保持其国际公认的 PNT 服务 的基础性地位 ; 提高美国在天基 PNT 服 务应用领域的技术领先优势。美国 GPS 现代化的计划也正体现了上 述目标。1%GPS 现代化的最新进展GPS-2RM 卫星在 GPS-2R 卫星的基 础上进行了现代化的改进。 2005年 9月 25日 , 第 1颗改进型 GPS-2RM 卫星从卡纳 维拉尔角发射升空 , 标志着 GPS 现代化的 计划迈出 了 重要 的 一 步 , 进 入 了 新阶 段。 2006年 9月 25日和 11月 14日 , 第 2、 3颗 GPS-2RM 卫星也分别发射升空。与 GPS-2R 卫星相比 , GPS -2RM 卫星的主要改进

3、 包括 :增加了 3个导航信号和对有效载荷硬 件进 行了升 级。 GPS -2RM 卫星在 L1和 L2频段增加了 2个新的军用 M 码信号 , 同 时在 L2频段增加了新的 L2C 民用信号 , 使 GPS 的导航信号增加至 6个 , 并且提高了 信号的发射功率 , 使其可在不同的信号间进 行重新分配。与 GPS-2RM 卫星相比 , GPS-2F 卫 星将增加 L5频段的 L5C 民用信号 , 采用更 先进的星载原子 钟。 GPS-2F 卫星的星钟 系统由 4台铯钟和铷钟组成 , 并采用美国海 军研究实验室开发的数字化星钟技术 , 使其 系统误差达到 8ns 。为满足增加信号及其功 率的要

4、求 , GPS -2F 卫星采用 ABLE 公司 开发的新型太阳电池阵。其质量为 54 9kg , 在轨设计寿命为 12年 , 并可在地面上贮存 8年。即使在寿命末期 , 该电池阵的功率仍 超过 2610W 。2006年年底和 2007年年初 , 洛马公司 与波音公司分别完成了 GPS-3卫星的需求 定义研 究 , 并通 过了美国 空军的审 查 , 使 GPS-3卫星的 发展向 前迈出 了重要 的一 步 ; 同时 , 美国空军分别与这两家公司签署 了近 5000万美元的合同 , 用于开展 GPS-3卫星的风险降低和卫星初样设计工作 , 并 计划于 2007年上半年完成评审。在 GPS 现 状

5、化 计划 中 , 新 增 加的 M 码军用信号实现了军用信号与民 用信号的 彻底分离 , 不需民用信号引导即 可直接访 问 M 码军 用信 号 , 这样 就 提高 了军 用 信 号的安 全 性 和 鲁 棒 性。 另 外 , GPS 实 现 了信号 发 射 功 率 的 可重 新 分 配 , 能 够 拒绝、阻断敌 方 使用。 因 此 , 新 的 M 码 军 用信号是美国实现导航战战略的重 要基础 之一。该 信号 采 用 BOC 调 制 , 并 与 前 向 误差控制技术相结合 , 使其数据信 息在内 容、结构与位速率等方面具有相当 大的灵 活性。它使不同的轨道平面、卫星 , 甚至 同一颗卫星的不同载

6、波可以配置不 同的数 据信息 , 从而实 现相 当 高的 操作 灵活 性 , 保证 GPS 军 用服 务 的 安 全。正 如 美 国 空 军联合计划办公室 Brian C Barker 等人所 说 , (M 码 信号是 今后 10年 GPS 军事 应 用与发展的核心 。为在与欧洲 (伽利略 系统的竞争中取 得平衡或优势 , 实现 (连续地提供优于国外 民用天基 PN T 服务及其增强系统 , 或与其 相比 有 竞 争 力 的 民 用 服 务 的 目 标 , 在 GPS 现代化计划中 , 卫星的 L2和 L5频段 新增加 2个民用导航信号 , 这样极大地提高 了民用信 号的完好性和 民用导航 服

7、务的性 能 , 增加了民用信号的前向修正功能 , 增强 了 GPS 的竞争力。按计划 , 民用导航信号 的改变将分 3步进行 : 在 GPS-2RM 卫 星上 增加 L2频 段的 L2C 民 用信号 ; 在 GPS-2F 卫星上增加 L5频段的 L5C 民用 信号 ; ! 对 L1频段的 C/A 码信号进行现代 化改进 , 这一点在美国与欧洲签署的 &关于 促进、提供和使用 (伽利略 与 GPS 天基 导航 系 统及 其 相 关 应 用 的 协 议 的 附 件 &GPS 与 (伽利略 信号结构 中给出了明 确的说明。在 GPS 现代化的过程中 , 导航信号的变 化情况见表 1,

8、 民用信号的参数见表 2。表 1%G PS 卫星导航信号的 变化情况频 %段 L 1L 2L5信 %号 C/A P (Y M L 2C P (Y M L5C GP S-2R 有 有 无 无 有 无 无 GP S-2RM 有 有 有 有 有 有 无 GP S-2F 、 3有 有 有 有 有 有 有表 2%G PS 卫星民用信号 的参数民用信号 载波频 率 /M H z 码 %长 码速率 /M Hz 位速率 /(bit/s 前向误差修正 L11575 4210231 02350无 L21227 6010230; 7672501 02325有 L51176 4510230; 1023010 2350

9、有%随着 GPS 现代化计 划的发展 , 以 及其 他因素的变 化 , 美国空 军已经调 整了 GPS 卫星的采购 计划。目 前 , GPS -2RM 卫 星 的采购数量为 8颗 , 截止到 2006年 年底已 经发射了 3颗 GPS-2RM 卫星。 GPS-2F 卫星的采购数量也由原来的 33颗减少到了 16颗 , 第 1颗 GPS-2F 卫星可能要推迟到 2008年或 2009年发射。新增加的 L2C 民用 信号和 M 码军用信号可能要到 2012-2013年才能投入使用 , 这 将严重地影响 GPS 现 代化计划的阶段性目标的实现 , 是美国目前 面临的、必须尽快解决的重要问题。2%GP

10、S 的未来发展新的天基 PN T 系统政策是 GPS 现代化 和未来发展的指导方针。 2005年 10月 , 美 国国防科学委员会发布了 &未来 GPS 系统 调研报告 , 指出 了 GPS 目 前存 在的 问题 , 并提出了该系统未来的发展建议。现将其发 展趋势分析、总结如下。2 1%导航战 能力建设是 G PS 未来发展的 核心 导航战能力是美国新的天基 PNT 系统 政策的重点 , 也是 GPS 现代化计划的核心。 其建设的目标是为美国及其盟国提供高质量 的天基 PNT 服务 , 拒绝或阻断敌方使用天 基 PNT 系统 , 确 保 美国 及 其 盟国 在 天 基 PNT 方面的优

11、势。目前 , GPS 可以满足一般军事任务的要 求 , 但不具 备足够 的鲁棒 性以对 抗干扰 威 胁 , 而且由于遮蔽角不足 , 难以满足城市和 山区军用用户的要求。 GPS 现代化计划 , 一 方面能够提高卫星发射的导航信号的功率 , 另一方面也能改进军用用户的接收设备 , 从 而提高系统的抗干扰能力 , 对抗已经广泛分 布的小功率干扰机的威胁。为提高军用导航信号的功率和抗干扰能 力 , GPS 现代化计划拟以点波束的方式将军 用导航信号的功 率增加 20dBW 。然而 , 这 一方案将明显增加 GPS-3卫星的质量和功 率 , 因而可 能会影 响到采 用中型 火箭实 现 (一箭双星 发射

12、的目标。为此 , 有 可能以 区域波束取代点波束 , 以减小卫星的质量。 同时进行新的军用用户设备的研究 , 采用更 先进的抗干扰技术 , 从而增强抗干扰能力。 为解决城市和山 区的 GPS 信号的 可用 性问题 , 美国国防科学委员会希望将遮蔽角 从目前的 5 提高到 15 。 GPS 星座由 6个轨 道面组成 , 每个轨道面部署 4颗卫星 , 虽然 目前该星座可用的卫 星数量已经达 到了 29颗 , 但是遮蔽角的问题仍没有解决。另外 , 由于轨道面的 数量问题 , 目前 GPS 星 座几 乎无法采取 (一箭多星 的方式进行补网发 射 , 因此要维持星座的卫星数量就要面对高 昂的、难以承受的

13、发射费用。为解决这一问 题 , 国防科学委员会 建议将 GPS 星座调整 为 3个轨道面 , 每个轨道面部署 10颗卫星 , 从而实现将遮蔽角 从 5 提高 到 15 的目标。 同时要严格限制卫星的质量和功率 , 实现用 中型火箭进行 (一箭双星 发射 , 从而降低 维持星座的费用。2 2%提高民用导航服务的性能和竞争力 最初 , GPS 的 发展 主要是 为军方 提供 PNT 服务 , 民用服务处于从属地位。然而 , 民用导航市场的迅速发展对 GPS 的民用导 航服务提出了更高的要求。同时 , GPS 在民 用导航领域也出现了强大的竞争对手 +欧 洲 (伽利略 导航卫星系统。为了确保 GPS

14、 在民用导航领域的竞争优势 , 美国取消了选 择可用性的限制 , 并 在 GPS 现代化计划中 增加了 L2和 L5频段的 民用信号 , 从而提 高了信号的完好性与精度 , 增强了民用服务 的性能。这是 GPS 发展的需要 , 也是美国 谋求在全球导航卫星领域中处于领导地位的 需要。2 3%空间段 、 控制段和用户段的均衡发展 问题经费不足是在 GPS 的发 展过程中一直 存在的问题。目前 , GPS 现代化计划一再拖 延 , 除技术因素外 , 经费问题也是一个重要 原因。 2005年 9月 25日 , 具有播发 M 码军 用信号和 L2C 民用信号能力的第 1颗 GPS-2RM 卫星发射 升

15、空。但 是 , 当时 地面控制 段尚不具备新信号的操作与控制能力 , 并且 在 2009年以前都不 具备这种能力 , 而用户 设备开 发的差 距则更 大。这 种发展 的不平 衡 , 已经影响到了 GPS 的现 代化计划及其 军民两用服务的发展。目前 , GPS-3需求 定义阶段的研究已经完成 , 因此其地面控制 段的现代化改造与新的用户设备的开发显得群 星 闪 烁日本工程试验卫星 -8及其平台王存恩 %戴舒颖(北京控制工程研究所 1%前言2006年 12月 18日 , 日本宇宙 航空研 究开发机构 (JAXA 从种子岛航天中心用 第 11枚 H -2A 火箭 发射 了可 进行 固定 、 移动和

16、多媒体通信及卫星定位等多种试验的 大型工程试验卫星 -8(ETS-8 。卫星进入转移轨道后 , 星载控制电子设 备开始工作 , 遥测固放接通 ; 之后捕获到初 始信号 , 进行了太阳捕获 ; 接着按要求展开 了大型太阳电池帆板 , 几经周折后大型镜面 天线也终于展开 。 经 3次远地点发动机点火 (第 3次是从 2007年 1月 8日 19:59开始 , 持续 了 41s 之 后 , 卫 星 进 入 远 地 点 为 35796km 、 近地点为 35776km 、 轨道倾角为 0 12 的 轨 道 。 目 前 卫 星 的 轨 道 周 期 为 23h56m in, 在卫星控制管理中心进行了 2

17、3次微调之后最终定点在 146 E 的地球静止 轨道 。 JA XA 将与参加开发的日本信息通信 研 究 机 构 (NICT 和 日 本 电 信 电 话 (NT T 公司共同努力 , 尽快完成星载有效 载荷初始性能的确认试验工作 , 使卫星能在 2007年 4月下 旬正式 开始执 行包括 通信 、 广播在内的全部飞行任务 。众所周知 , 从 20世纪 80年代末开始 , 日本宇宙开发事业团 (NASDA 就一直致 力于大型通信广播卫星的国产化工作 , 曾设 计 、 开发并于 1994年和 1998年先后发射了 质量为 2吨级 、 技术也颇为先进的 ET S-6和 (通信广播工程试验卫星 (COM ETS 。 遗憾的是 , 这 2颗卫星分别由于远地点发动 机和二级火箭发动机故障 , 最终未能进入预 定的地球静止轨道 。 为尽快结束日本没有在更加迫切。美国只有解决 GPS 均衡发展的问 题 , 才能保证 GPS 现代化计划的顺利进行。 2 4%GPS 的未来发展与 (伽利略 系统的 关系2004年 6月 26日 , 美国与欧盟签署了 &关于促进、提供和使用 (伽利略 与 GPS 天基导航系统及其相关应用的协议 , 这为 两个系统之间的合作奠定了基础。然而 , 除 了合作外 , 两个系统之间也必