GPS導(dǎo)航技術(shù)的新進(jìn)展
美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）導(dǎo)航衛(wèi)星正在逐步現(xiàn)代化。GPS從美國空軍的導(dǎo)航輔助設(shè)備開始，逐漸發(fā)展成軍民兩用的一種重要技術(shù)。GPS的精確位置與定時(shí)信息，已成為世界范圍各種軍民用、科研和商業(yè)活動(dòng)的一種重要資源 GPS衛(wèi)星的發(fā)展及信號(hào)的改進(jìn) GPS導(dǎo)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(wù)業(yè)務(wù)，目前正在制造33顆更先進(jìn)的ⅡF批次衛(wèi)星。美國還在考慮發(fā)展采用點(diǎn)波束的新一代GPS衛(wèi)星（GPS-Ⅲ）。 GPS從1994年全面工作以來，改進(jìn)工作一直在進(jìn)行中。這是因?yàn)槊裼糜脩粢驡PS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(hào)分離的軍用信號(hào)；而對(duì)采用GPS導(dǎo)航的"靈巧"武器，加快信號(hào)捕獲速度更為重要。 民用GPS導(dǎo)航精度迄今的******改進(jìn)發(fā)生在2000年5月2日，美國停止了故意降低民用信號(hào)性能（稱為選擇可用性，即S/A）的做法。在S/A工作時(shí)，民用用戶在99%的時(shí)間只有100米的精度。但當(dāng)S/A切斷后，導(dǎo)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(zhǔn)的用戶使用。這些碼以擴(kuò)頻方式調(diào)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(dǎo)航能力最重大的改進(jìn)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(qiáng)的L1民用信號(hào)，同時(shí)發(fā)射新的L2民用信號(hào)和軍用碼（M碼）。進(jìn)一步的改進(jìn)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(qiáng)的L1、L2民用信號(hào)和M碼外，將在1176.45兆赫增加第3個(gè)民用信號(hào)（L5）。在ⅡF發(fā)射以前，M碼將從發(fā)展型過渡到工作型。因?yàn)閷?dǎo)航衛(wèi)星星座的發(fā)射需要有一段時(shí)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(hào)和M碼衛(wèi)星后才能實(shí)現(xiàn)。18顆衛(wèi)星組成的第三個(gè)民用信號(hào)（L5）的星座預(yù)計(jì)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(qiáng)的新信號(hào)－－M碼。它能發(fā)送更大的功率，而不干涉民用接收機(jī)。M碼還給軍方一種新的能力，以干擾敵方對(duì)信號(hào)的利用，但其細(xì)節(jié)是保密的。 L2民用信號(hào)即第二個(gè)民用信號(hào)稱為L2C，使民用用戶也能補(bǔ)償大氣傳輸不定性誤差，從而使民用導(dǎo)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(duì)L2的設(shè)計(jì)約束是它必須與新的M碼兼容。為避免對(duì)軍用L2 P（Y）接收機(jī)的任何損害，新的民用L2應(yīng)具有與現(xiàn)有C/A碼相同的功率和頻譜形狀。這里，括號(hào)中的Y碼是P碼的加密型。實(shí)際上，民用L2信號(hào)將比現(xiàn)有的L1 C/A信號(hào)低2.3分貝。功率較低的問題將由現(xiàn)代的多相關(guān)器技術(shù)加以克服，以便迅速捕獲很微弱的信號(hào)。 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)必須現(xiàn)代化，同時(shí)又要保持向后兼容性。組合的民用信號(hào)與軍用信號(hào)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(hào)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(hào)。 M碼將采用一種裂譜調(diào)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?？垢蓴_能力主要來自不干涉C/A碼或Y碼接收機(jī)的強(qiáng)大的發(fā)射功率。 M碼信號(hào)的保密設(shè)計(jì)基于下一代密碼技術(shù)和新的密鑰結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步分離軍用和民用碼，衛(wèi)星對(duì)于M碼將具有單獨(dú)的射頻鏈路和天線孔徑。當(dāng)衛(wèi)星能工作時(shí)，每顆衛(wèi)星可能在每個(gè)載波頻率上發(fā)射兩個(gè)不同的M碼信號(hào)。即使由同一顆衛(wèi)星以同一載波頻率發(fā)射，信號(hào)將在載波、擴(kuò)散碼、數(shù)據(jù)信息等方面不同。 M碼的調(diào)制將采用二進(jìn)制偏置載波（BOC）信號(hào)，其子載波頻率為10.23兆赫，擴(kuò)碼率為每秒5.115百萬擴(kuò)散位，故稱為BOC（10.23，5.115）調(diào)制，簡(jiǎn)稱BOC（10，5）。因?yàn)锽OC（10，5）調(diào)制與Y和C/A碼信號(hào)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(jī)的性能。BOC（10，5）對(duì)于針對(duì)C/A碼信號(hào)的干擾不敏感，而且與用來擴(kuò)展調(diào)制的二進(jìn)制序列的結(jié)構(gòu)難以分辨。 L5將位于960～1215兆赫頻段，而地面測(cè)距儀/塔康（DME/TACAN）導(dǎo)航臺(tái)和軍用數(shù)據(jù)鏈（Link 16）已大量使用這個(gè)頻段，但這只會(huì)對(duì)歐洲中部和美國高空飛行的飛機(jī)產(chǎn)生干擾。美國計(jì)劃對(duì)在L5±9兆赫以內(nèi)的DME頻率進(jìn)行重新分配，以便L5信號(hào)在美國的所有高度都能良好地接收。 一些新的抗干擾技術(shù) 由于GPS衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)比較微弱，而且以固定的頻率發(fā)射，因此軍用GPS接收機(jī)很容易受到敵方的干擾。 美國國防預(yù)研計(jì)劃局（DARPA）正在發(fā)展一種新的抗干擾方法，采用戰(zhàn)場(chǎng)上空的無人機(jī)來創(chuàng)造偽GPS星座，使其信號(hào)功率超過敵方干擾信號(hào)的功率。 所謂偽衛(wèi)星，就是將GPS導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射機(jī)裝在飛機(jī)或地面上，頂替GPS衛(wèi)星來進(jìn)行導(dǎo)航。DARPA用無人機(jī)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(duì)在受干擾的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中具有精確的導(dǎo)航能力。其方法是由飛行中無人機(jī)上的4顆偽衛(wèi)星廣播大功率信號(hào)，這樣在戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域上空產(chǎn)生一個(gè)人工GPS星座。4架"獵人"無人機(jī)就可覆蓋300千米見方的戰(zhàn)區(qū)。 只要對(duì)現(xiàn)有GPS接收機(jī)的軟件作些改變就可使用偽衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。當(dāng)用實(shí)際GPS星座導(dǎo)航時(shí)，接收機(jī)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(yùn)動(dòng)的偽衛(wèi)星的位置告訴接收機(jī)。因此，DARPA和柯林斯公司設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵任務(wù)是在可用的50比特/秒信息中發(fā)送偽衛(wèi)星星歷。無人機(jī)的穩(wěn)定性相當(dāng)好，不會(huì)像戰(zhàn)斗機(jī)那樣機(jī)動(dòng)；但任何運(yùn)動(dòng)都會(huì)使位置有點(diǎn)不確定。因而與采用衛(wèi)星星座的導(dǎo)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(wù)機(jī)上以及約3000米高度上的"獵人"無人機(jī)上試驗(yàn)了單顆偽衛(wèi)星，導(dǎo)航精度從采用真衛(wèi)星時(shí)的2.7米下降到4.3米。 當(dāng)然，偽衛(wèi)星不一定要全部機(jī)載，也可采用地面和機(jī)載發(fā)射機(jī)混合的方案。將某些偽衛(wèi)星設(shè)在地面上的缺點(diǎn)是減少了覆蓋范圍，但提高了導(dǎo)航精度。為了克服干擾，偽衛(wèi)星可發(fā)射100瓦信號(hào)，使地面接收機(jī)處的信號(hào)強(qiáng)度比來自衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)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(jìn)的GPS接收機(jī)。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(dǎo)航和GPS接收機(jī)在載波相位級(jí)進(jìn)行全耦合來實(shí)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(hào)進(jìn)入GPS接收機(jī)的機(jī)會(huì)。 柯林斯公司和洛克希德·馬丁公司聯(lián)合為JASSM空面導(dǎo)彈研制的G-STAR高反干擾GPS接收機(jī)采用了調(diào)零和波束操縱的方法。該接收機(jī)重11.3千克，采用了一個(gè)空間時(shí)間適配器，適配器探測(cè)出一個(gè)威脅，便將其信號(hào)調(diào)到零，并在發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)的衛(wèi)星方向增加增益。 這種反干擾技術(shù)以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，故稱為數(shù)字波束成形器，它比常規(guī)的模擬調(diào)零法更為精確，同時(shí)可將接收機(jī)的波束調(diào)整到朝向可用的導(dǎo)航衛(wèi)星。數(shù)字信號(hào)處理可通過動(dòng)態(tài)移動(dòng)零位來抵消噪聲，增加增益，并通過一個(gè)6元天線陣來操縱波束。 民用GPS接收機(jī)也有抗干擾的問題，但民用GPS接收機(jī)用戶更關(guān)心非故意干擾。非故意干擾基本上為寬波段類型，與干擾機(jī)將其功率集中于GPS頻率不同。與軟件有密切關(guān)系的數(shù)字信號(hào)處理方法，在對(duì)付寬波段干擾方面是很理想的。 |
