GPS现代化及其影响 中篇（二）

刘天雄

GPS现代化及其影响 中篇（二）

刘天雄

图17 GPS卫星L1频点信号结构

4 GPS现代化进展

4.2 GPS卫星现代化

4.2.4 播发军用M码信号

当遭到潜在威胁时，美军必须拥有中断局部GPS服务，而授权用户（authorized users）仍能够正常接收GPS信号的能力。由此，以防卫为手段的现代化计划强调使用新的军用M码信号，军用M码信号调制到当前的GPS系统L1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）载波信号中，即L1M和L2M码信号。新的军用M码信号使用被称为“裂缝频谱”(split spectrum)的二元偏置载波信号调制方案，其子载波频率为10.23MHz，扩展码速率为5.115Mbit/s，表示为BOC(10.23,5.115)（简写为BOC(10,5)）。实现军用测距码和民用测距码频谱分离，并将大部分能量放在分配在频段的边缘，例如L1频点信号结构中M码信号频谱与C/A码和Y码信号的频谱功率谱密度比较如图17所示，超过75%的M码的信号功率处于GPS规定的24MHz带宽之内。

二元偏置载波导航信号调制技术实现了军用测距码和民用测距码频谱分离，L1频点的中心频段调制C/ A码信号，L2频点的中心频段调制CM和CL测距码信号，供民用用户使用，同时保留P（Y）码信号，新的军用M码信号位于L1频点和L2频点的边缘，C/A测距码、P（Y）测距码、M测距码信号功率谱如图18所示（详见Keith D. McDonald, The Modernization of GPS: Plans, New Capabilities and the Future Relationship to Galileo, Journal of Global Positioning Systems (2002),Vol.1,No.1:1-17）。二元偏置载波导航信号调制技术使现有GPS频率的军用信号得以延续，保证了与现有军用与民用GPS用户接收机的兼容性。美军可以拒止对方使用民用测距码信号的情况下利用军用M测距码信号实现位置解算，新的军用M测距码信号可以进一步提高发射功率，为GPS系统的开展导航战提供了技术保障。

GPS导航信号的最低接收功率为：L1 C/A测距码信号-160dBW、L1 P（Y）测距码信号-163dBW、L2P（Y）测距码信号-166dBW，极易受到敌方干扰，详见《现代化的GPS军用M码综述》，王华，常江，现代防御技术，Vol.39，No.1，2011.2）。根据GPS现代化信号设计团队GMSTD（GPS Modernization Signal Design Team）负责人Brian C. Barker上尉发表在2000年美国导航年会的文章“Overview of the GPS M Code Signal”，未来M测距码全球信号功率为-158dBW，M测距码重点区域点波束信号功率为-138dBW，即M测距码信号在重点区域的卫星信号功率全球信号功率的100倍，同时M测距码信号可以实现全球和重点区域的切换，详见Brian C. Barker, John W. Betz, John E.Clark, et al. Overview of the GPS M Code Signal [C] // Proceeding of ION 2000 National Technical Meeting, January 2000。由此在不干扰C/A测距码信号和P（Y）测距码信号的前提下，提高M测距码信号功率，可使M测距码信号比P（Y）测距码信号具有更好的抗干扰性。

军用M码信号与军用P（Y）码信号不同之处在于M码信号是自助的，即不需要C/A码信号来引导接收机捕获军用M码信号。利用直接获取技术实现的M码信号自主获取增强了系统的能力。强大的新的数据信息格式改善了GPS数据信息测量的重要性能，减少了正在使用的信息格式中存在的无效性，为GPS空间信号内管理提供了灵活性，致力于现在与将来广泛的运行需求。

另外，M测距码全球信号和M测距码点波束信号有不同的扩展序列，可加载不同的数据信息，在接收机中可以作为不同的信号进行处理，类似于从不同卫星接收到的信号。这将大幅度提高美军GPS信号抗干扰能力和军事行动中GPS信号使用的安全性和抗干扰能力。

图18 GPS系统C/A码、P（Y）码及M码信号功率谱

4.2.5 GPS系统新一代导航卫星BLOCK-III

GPS全球定位系统分三个阶段实施，第一阶段为方案论证和初步设计阶段，1978年到1979年，在加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，主要验证定位体制和地面测控能力。第二阶段为研制和试验阶段，1979年到1984年，陆续发射了7颗BLOCK-I的试验卫星，进一步验证定位体制，实验结果表明L1 C/A信号定位精度达到14米。第三阶段为空间组网阶段，1989年到1993年，陆续发射了24颗BLOCK-II 和 BLOCK-IIA卫星。1993年美国国防部宣布GPS系统提供初始运行服务IOC（Initial Operational Capability），同年美国国防部宣布GPS系统对全世界开放，用户免费使用。

1994年3月，最后一颗BLOCK-II卫星发射并组网运行，GPS系统建成Walker24/6/2星座，如图19所示。卫星轨道倾角为55°，轨道高度为20200km，周期为11h58min，卫星运行速度为3.87 km/s，在轨卫星数24颗，分布在6个近圆形轨道面上，6个轨道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，各个轨道平面之间相距60度，每个轨道面上有4颗卫星，备份星分布在B、D、F轨道面上，每一个轨道平面内各颗卫星之间的升交点角相差90°，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°。2011年6月，BLOCK-II系列卫星轨道位置如图20所示。1995年7月17日，美国宣布GPS全球定位系统提供全面运行服务FOC（Full Operational Capability），美国空军承诺维护24颗卫星长期稳定运行，根据预计的故障而不是需要或固定周期来发射补充卫星。

图19 GPS Walker24/6/2星座

图20 GPS系统空间段BLOCK-II系列导航卫星轨道位置

图21 GPS全球定位系统空间段导航卫星的发展路线图

2001年美国开始研发GPS全球定位系统第四代导航卫星BLOCK-III，GPS全球定位系统空间段导航卫星的发展路线图如图21所示。

（1） BLOCK-III卫星任务特点分析

在保持BLOCK-ⅡF导航卫星能力基础上，新一代导航卫星BLOCK-III将播发第四民用信号L1C，该信号计划与欧洲伽利略GALILEO、中国北斗BDS、俄罗斯GLONASS卫星导航系统在L1频点（1575.42MHz）实现兼容互操作。

新一代导航卫星BLOCK-III卫星将进一步提升GPS全球定位系统的定位精度，GPS系统BLOCKII和BLOCK-III导航卫星定位精度比较如表4所示，详见Ollie Luba, Larry Boyd, Art Gower，GPS III System Operations Concepts，ION GPS/GNSS 2003, 9-12 September 2003, Portland, OR。

表4 GPS系统BLOCK-II和BLOCK-III导航卫星定位精度比较

图22 BLOCK-IIIA卫星地面总装测试（AIT）及在轨展开示意图

新一代导航卫星BLOCK-III有36颗，其中三颗是在轨备份星，有A、B、C三种类型，其中BLOCKIIIA系列导航卫星12颗，BLOCK-IIIB系列导航卫星8颗，BLOCK-IIIC系列导航卫星16颗。三种类型导航卫星任务侧重点各不相同，其中BLOCK-IIIA导航卫星主要任务是提高定位精度，扩大信号覆盖范围，播发第四民用信号L1C，实现未来四大卫星导航系统在L1频点的兼容互操作，同时验证A2100卫星平台拓展能力，以适应BLOCK-IIIB/C导航卫星有效载荷的变化，BLOCKIIIA导航卫星如图22所示。

BLOCK-IIIB导航卫星主要任务是增加星间链路载荷，卫星安装四个反射面星间链路天线，如图23所示，地面运行控制系统通过一颗卫星可以将注入的导航电文和测控数据传递给星座所有卫星，实现一站式测控和星座导航卫星的互联互通，大幅改善空间星座的精度。

BLOCK -IIIC导航卫星主要任务是增加军用M测距码信号的大功率、点波束、反射面天线，如图24所示，军用M码信号的播发功率较军用P（Y）信号功率提高20dBw；同时进一步改善空间星座的完好性。详见2011年1月16日全球卫星导航应用研讨会（UN/UAE/US Workshop On GNSS Applications Dubai）上Lockheed Martin空间系统公司导航系统部主任Michael Shaw提交的GPS现代化报告（GPS Modernization: On the Road to the Future，GPS IIR/IIR-M and GPS III）。

（2） BLOCK-III卫星研制计划

2008年5月15日，美国国防部确定Lockheed Martin空间系统公司为未来GPS全球定位系统BLOCK-III卫星的总承包商，主要配套单位包括ITT Exelis公司（负责研制卫星有效载荷），Honeywell公司（负责研制卫星平台姿态控制系统）以及General Dynamics公司（负责研制卫星综合电子系统）。美国国防部要求合同签署后72个月发射BLOCK-IIIA卫星；2008年10月，Lockheed Martin 公司确定了BLOCKIII系列卫星的技术基线、研制计划以及卫星性能；2009年5月，Lockheed Martin 公司完成了BLOCKIII系列卫星的初样设计评审；2010年8月，Lockheed Martin 公司完成了BLOCK-III卫星的详细设计评审，随后开始工程模型（结构星、热控星、电磁辐射星、电性星）、鉴定产品以及飞行产品的研制，2014年二季度卫星具备发射条件，GPS全球定位系统空间段BLOCK-III系列导航卫星的发展路线图如图25所示。

BLOCK-III系列卫星均在位于美国Colorado州Denver市的Lockheed Martin 公司Martin Waterton卫星研制中心完成总装和测试，如图26所示。预计2015年前后开始BLOCK-III卫星组网发射，2025年前后完成36颗卫星的组网，其中3颗卫星为在轨备份星。BLOCK-III卫星组网后，将改变目前24颗BLOCK-II系列导航卫星分布在六个MEO轨道面的星座设计方案，GPS卫星导航系统新一代BLOCK-III卫星将分布在HEO高椭圆轨道和MEO中圆地球轨道，构成新的卫星导航混合星座。

图23 未来BLOCK-IIIB卫星在轨展开示意图

图24 未来BLOCK-IIIC卫星在轨展开示意图

（3） BLOCK-III卫星主要特点

图25 GPS全球定位系统空间段BLOCK-III系列导航卫星的发展路线图

BLOCK-III系列卫星将播发功率更大的、不易受干扰的军用导航信号，可以与未来四大全球卫星导航系统兼容互操作，在未来导航战NAVWAR（navigation warfare）中将具备在特定区域关闭GPS导航定位服务功能，而同时保持美军及其盟军提供GPS导航定位能力，由此奠定美国在天基无线电卫星导航领域的主导地位，全面满足美军未来2030前后的定位、导航和授时服务需求。BLOCK-III卫星主要特点如下：

1)卫星有效载荷包括卫星导航RNSS（Radio Navigation Satellite System）、核爆探测NDS（Nuclear Detonation/Detection System）以及卫星灾害预警系统DASS（Distress Alerting SatelliteSystem），详见http://www.gps.gov/systems/ gps/modernization/civilsignals/；

2)卫星播发的信号为L1, L2, L3, L4, L5, L6，其中导航信号为L1C、L1 P（Y）、L1 M、L2C、L2 P（Y）、L2 M、L5，将进一步提高定位精度的同时将满足未来军用信号抗干扰能力需求；

3)三个民用导航信号L1C、L2C和L5为民用用户提供亚米级实时点位测量精度，BLOCK-IIR-M/IIF系列导航卫星24小时用户测距误差URE均方根值为3m，BLOCK-IIIA导航卫星减小到0.7m，BLOCK -IIIB导航卫星系统减小到0.2m，由此系统定位精度将大幅度得到改善，如图27所示，

4)系统抗干扰能力由空间系统卫星SV和地面用户设备UE共同实现，能够满足未来对系统抗干扰能力需求，如图28所示，详见Ollie Luba, Larry Boyd, Art Gower，GPS III System Operations Concepts，ION GPS/ GNSS 2003, 9-12 September 2003, Portland, OR。

5)卫星重量3960磅（1磅=453.592克），设计寿命15年；

6)卫星轨道高度10898海里(1海里=1.8532公里)，轨道倾角55°；

7)采用EELV Atlas 或者 Delta V运载火箭，一箭一星或一箭双星方式发射，如图29所示；

8)近实时地预警GPS卫星及其导航定位信号的故障，从现行空间信号完好性预警时间6s（借助RAIM）缩短到5.2s，拓宽GPS导航定位信号在高动态环境下的应用，其中RAIM（Receiver Autonomous Integrity Monitoring）的意思是“接收机自主完好性”；

图28 BLOCK-III卫星导航信号抗干扰能力提升

图29 BLOCK-IIIA卫星及其Delta V运载火箭一箭双星发射方式

9)强化军用导航服务，导航信号实现军民分离后，可以采用大功率点波束天线发射L1M、L2M军码信号。目前L1和L2频点上的各信号的接收功率分别为：C/A测距码信号-157dBW、Y测距码信号-160dBW、M测距码全球信号-154dBW，M测距码重点区域点波束信号功率为-134dBW，即M测距码信号在重点区域的卫星信号功率全球信号功率的100倍（20dB），同时M测距码信号可以实现全球和重点区域的切换。详见《GPS技术进展及其现代化》，陈俊勇，大地测量与地球动力学。

（《GPS现代化及其影响》中篇已连载完毕。）