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翻译GPSmodernization
JournalofGlobalPositioningSystems(2002)
Vol.1,No.1:
1-17
现代化的GPS:
计划,新功能及与伽利略的未来关系
KeithD.McDonald
摘要:
本文综述了GPS的发展、现状和当前的性能。
然后对GPS的现代化改进进行了阐述和总结,包括航天飞机计划中的附加功能的简述,地面控制部分和用户设备。
提出了对在GPS的四个主要操作模式中系统现代化的计划和活动影响的探讨。
涵盖了GPS现代化和增强活动在类似欧洲伽利略计划的活动和其他GNSS预报系统中的含义以及他们之间的关系。
简短地表述了GPS改进中的一些技术、政策和与及时部署相关的实施问题。
关键字:
GPS,现代化,全球导航卫星系统,伽利略
1引言
在过去的三十年里,全球卫星定位系统(GPS)通过发展与实施已经从一个导航的概念成长为一个拥有28个航天器且目前服务数百万用户的操作系统。
自1997年以来,每年有超过一百万的GPS接收器被生产出,它的使用量的增加由此可见。
迅速发展的GPS市场,包括设备和应用程序,据可靠估计(USGAO美国审计总署,1998)在2000年约$8.5B,到2003年约为$17B,预计到2010年将会超过$60B。
GPS的表现非常好,但大量的期望和需要的改进已经被确认可以应用于新一代的GPS补给和后继的飞船。
本文对在接下来的15年及以后GPS的改进以及将提供给用户的明显的性能优势中的关注,选择,论点和计划进行了阐述。
欧共体计划在2008年左右部署一个有着与GPS相似运行特性的导航卫星系统。
我们将简要地探讨GPS和伽利略组合能力的优点和特性,那将会对国际用户产生影响。
GPS已经成为导航、定位、监视以及地面、海洋、航空和空间时间方面应用程序中必不可少的一部分。
当前对新版本的使用将持续导致对更苛刻的性能的需求。
2背景
2.1开发和实现
上世纪70年代早期,美国国防部(DoD)开发了GPS的概念和常规配置,并将这作为所有三个军事部门的一个联合项目。
该计划最初由1968年建于五角大楼的联合服务导航卫星执行指导小组(NAVSEG)执导。
该小组被特许来确定用于改进军事导航和定位的基于空间的导航系统的可行性与实用性。
小组成员超过三年定期会面。
如果适当,这是为描述系统的技术、性能、主要开发地区、成本、收益和整体的资金需求的发展概念文件(DCP)做准备。
这个DCP将被提交给防御系统采集评审委员会审议作为国防部发展项目。
人们很早就认识到,卫星系统、固态电子、数字计算机和相关技术的应用可能为导航用户提供重要的性能增强。
导航卫星操纵组(NAVSEG)由美国国防部导航卫星管理办公室和军事部门支持。
作者是国防部Navsat计划的科技总监,同时兼任NAVSEG的执行官和Navsat管理办公室的主席。
1973年,经过三年的密集技术调查,及指导小组和其他人在概念发展、需求分析和程序定义方面的努力,系统被DSARC(代表军事部门)和国防研究与工程设计主任批准进行进一步开发测试。
随着GPS程序的被认可,美国空军被指定管理实施的执行代理,GPS综合项目办公室(JPO)也于洛杉矶的美国空军空间与导弹系统组织建立。
在1978年和1985年早期,根据罗克韦尔空间区(现在的波音)的合同,十个GPS(第一阶段)发展航天器在范登堡空军基地建立并成功发射。
这些飞船实验以及1989年2月22日发射的运作航天器(第二阶段)都证明了系统性能并且促成了国防部对实施一种运作系统的批准。
我们今天有的GPS的基本信号特征基本上都是建立在上世纪70年代早期到中期,针对他们百万台接收器被设计生产出。
幸运的是,由国防部Navsat指导小组开发并详细研究,以及联合计划处和他们的合约商进一步开发和实现的GPS系统的概念参数表现很好。
然而很明显,几乎所有用户,包括军用和民用,都能从各种GPS的系统改进、条款修订和附加物中获得实质性利益。
在过去四分之一世纪期间巨大的技术进步后,在这些发展的背景下对当前和未来的GPS功能的评估似乎变得合理了。
这在很多方面变得显而易见。
过去几年里的军用和民用委员会和其他活动都强烈建议将GPS现代化。
政府高层也对这一努力相当支持(Gore,1999)。
2.2现状
题为“今天的GPS”的图1,说明了GPS的主要元素以及频率、信号与其当前使用的信号频谱。
题为“GPS运营系统参数和特点”的表1,总结了当前GPS系统的主要特性。
地面监控部分的一般特点在名为“GPS地面控制系统”的图2中给出,而GPS飞船(S/C)部署图的相关信息在名为“GPS空间部分”的图3中给出。
从1989年初发射第二阶段的运作航天器,之后便于稍作修改的航天器(第二阶段A级)合并。
这些包括一些包含额外车载数据存储器的改进,提供了数据可以不经过地面就从S/C传送到用户的一段时间。
美国国防部以约$1.2B的价格与罗克韦尔签约买下第二阶段及第二阶段A级的28个航天器。
1995年7月,已实现了GPS的完整作业能力,由一个地面控制部分及一个由24个运作中的GPS航天器组成,能提供全球导航服务和各类用户设备的星群共同构成。
从那时起,GPS空间段利用24~28个航天器持续运行。
而用户设备的开发制造业大幅增加,特别是在民主社会。
图1今天的GPS
图2GPS地面控制系统(OCS)
表1GPS运营系统参数和特性
图3GPS空间部分
2.3GPS星群
第二阶段和二段A级的航天器由限定的运行周期,理论上约为7.5年,需要为补给飞船建立需求和日程。
美国国防部与洛克希德·马丁星际空间签约买下21台GPS第三代补给飞船(第二阶段R级)。
1997年1月发射了第一台第二阶段R级飞船,但由于捆绑助推器不能很好地绑到新配置的三角洲II运载火箭上,因此并未到达轨道。
随后的发射是在1998年7月,并且所有后续发射都取得了成功。
截至1998年,所有28个最初的第二阶段(和第二阶段A级)的运作航天器都已启动。
剩余的第二阶段R级飞船,包括9~12个计划用来现代化的S/C,将在接下来的十年或更久时间内,为系统阶段性地提供主要操作信号和能量。
美国国防部与波音签约买下了第四代后续GPS航天器(第二阶段F级)。
尽管原计划购买30~33航天器,但现代化设备导致了对一种超越第二代F级的新一代航天器的需求。
为此,GPS第三阶段已投入开发。
第三阶段的航天器将会替代所有12个原定的第二阶段F级航天器。
一开始的6和二代F机航天器在合约内,额外的6个则计划用于GPS中期星群的维护。
除此之外,新的第三阶段航天器将被部署。
第二阶段R级、F级和第三阶段的航天器提供了用于GPS增强和现代化的主要太空交通工具。
这是给为系统实现提升和现代化功能提供机会的航天器群体定期补给。
因为离新一代GPS航天器的交货时间还很长(通常5-8年),并且对新群体的完整部署也需要数年(通常是7-10年),对GPS改进的介绍通常是一个缓慢而渐进的过程。
2.4导航信号
GPS航天器一般在两种频率下传输信号到地球,特定的L1和L2(参见图1)。
L1是主要的GPS载波信号,频率为1575.42MHz。
这个信号由两种类型的伪随机噪声码(PRN)控制调节,分别是比特率(或)为1.023Mcps的粗捕获码和码片率为10.23Mcps的安全精度码(P/Y)。
GPSL2信号以1227.6MHz的频率通过航天器传输,它建立的目的是为电离层群对GPS用户接收器的修正进行延迟。
因为电离层是接近1/f2相关的频散媒质,L1和L2频率的结合就为确定在电离层中由于信号路径通过自由电子而折射造成的群时延对GPS的影响提供了一个优秀的实时技术。
未修正的电离层传播误差会对GPS操作系统带来最大的单一传播错误,导致高达40米的测距误差。
GPSL2信号最初主要是为实现对慢慢改变电离层延迟的修正。
由于这个原因,相对于L1的C/A码信号,它是在较低功率(大约1/4或-6dB)下传输的。
L1和L2上的P/Y码信号通常是安全的,所以这些信号的完整功能只面向国防部和授权用户。
图4GPS信号频谱演化和占用率
2.5GPS的性能
GPS有很多不同的操作模式,每个都有自己的一组性能。
首先,GPS可以独立使用(在一个单独的基础上),也就是说不需要任何增加物。
在这种情况下,用户设备接收信号,并且只使用从航天器星群发来的信号确定用户的位置、速度、时间(PVT)和相关参数。
GPS还可以应用于差分模式中,在这之中,已知的导航数据和测距资料由参考位置接收,并且时间与类似的GPS在相同位置和时间点所测得的数据进行比较(或求差)。
在这个过程中得到的修正之后将应用于同一时间(或最小延迟下)GPS在远程点的实测数据。
对实时操作系统来说,参考接收器和远程接收器的数据连接通常用于传达修正。
这个过程无论在取消固定方面,还是在两个地点见有相同效应的缓慢变化,测量误差(偏差)方面都具有有很大的优势。
自从许多误差都显现出对偏差的缓慢改变,许多他的导航系统用于提高性能的差分校正技术在GPS上表现很好。
这些差分纠正可以实时应用或储存,通常同步到一个公共的时间源(如GPS时间),在进行错后处理后使用。
这些修正法通常是建立在参考位置应用在远程(探测器)接收器。
修正既可以基于GPS差分代码测量,为了更精准,也可以基于GPS载波相位的差分测量。
GPS用户设备的不同操作方式和相应的当前性能标称值归纳与表2。
为了2001和2011年的GPS独立和微分的操作模式进行的GPS的性能特征的改变稍后将讨论。
提供了位置、速度、时间和角度测量(姿态)的准确值。
表2GPS的性能和操作模式当前性能的标称值概述
2.6局部地区和大范围地区的增强功能
为提高GPS的性能,局部地区及大范围地区已经建立或者计划建立差分全球定位系统(DGPS)。
这些包括:
•为GPS测量区建立的局部错后处理和实时(动态)系统。
•在许多北美和欧洲城市为车载应用建立的DGPS的调频多载波传输。
•检验师、测量技师和地理资讯系统(GIS)的用户建立的全球DGPS修正的星载传输。
•美国海岸警卫队的差分网络为美国大陆沿海地区,墨西哥湾,阿拉斯加和夏威夷的海洋用户提供准确的沿海,河流,港口和海港入口的导航。
•计划在2002年首次运行的联邦航空管理局(FAA)的广域差分系统(WAAS)提供了代码更正,电离层延迟和完整的数据。
•用于航天器精准登陆的联邦航空局的局域增强系统(LAAS),计划约在2003年实现,提供代码更正,完整性和其他数据。
•类似于WAAS的欧洲同步导航覆盖系统(EGNOS),计划约2002年在欧洲开始实施。
•日本设计的用于太平洋大部分区域的,提供代码修正和其他数据的移动运输卫星系统(MTSAT),约在2002年投入运作。
3GPS的现代化
尽管GPS的表现非常好,超过一般预期,还是需要一些重要的改进。
一些代表了政府和民间团体的委员会为了确定哪些功能和特性应该被纳入未来的GPS以满足军事和民用用户,在过去的十年里调查了系统的需求和缺陷。
GPS的现代化是一个艰难而复杂的进取。
它不仅为解决民事和军事的需要和成本提高性能,也影响其他领域里产生深远影响的问题。
这些问题包括频谱的需求和使用,安全,民用和军用性能,系统的完整性,信号可用性,对GPS融资和管理的制度上的担忧和作为国家和国际资源的GPS今后的操作。
幸运的是,许多关键问题已经确定并解决,或者似乎接近最终决议。
如果一切按计划或期望中的进行,那么接下来的十年所期望的会变得相当明显。
然而,这是在对美国政府的承诺持乐观态度的前提下做的决定,能及时通过对制度安排和必要资金需求。
3.1信号和信号分离
最初,军用GPS规划者想将他们的GPS频率与那些用于民事应用的分离开。
这种分离是为了避免信号干扰和相互作用,为两个用户组提供最高灵活性。
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