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GPS导航技术的新进展
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美国的全球定位系统(GPS)导航卫星正在逐步现代化。GPS从美国空军的导航辅助设备开始,逐渐发展成军民两用的一种重要技术。GPS的精确位置与定时信息,已成为世界范围各种军民用、科研和商业活动的一种重要资源

GPS卫星的发展及信号的改进 GPS导航卫星自1978年发射以来,其型别已由第Ⅰ,Ⅱ和ⅡA批次发展到ⅡR批次。第Ⅰ,Ⅱ和ⅡA批次卫星共有40颗,是由罗克韦尔公司制造的,而20颗ⅡR批次卫星则由洛克希德·马丁公司制造。波音公司在1996年收购了罗克韦尔的航空航天和防务业务,目前正在制造33颗更先进的ⅡF批次卫星。美国还在考虑发展采用点波束的新一代GPS卫星(GPS-Ⅲ)。

GPS从1994年全面工作以来,改进工作一直在进行中。这是因为民用用户要求GPS具有更好的抗干扰和干涉性能、较高的安全性和完整性;军方则要求卫星发射较大的功率和新的同民用信号分离的军用信号;而对采用GPS导航的"灵巧"武器,加快信号捕获速度更为重要。

民用GPS导航精度迄今的最大改进发生在2000年5月2日,美国停止了故意降低民用信号性能(称为选择可用性,即S/A)的做法。在S/A工作时,民用用户在99%的时间只有100米的精度。但当S/A切断后,导航精度上升,95%的位置数据可落在半径为6.3米的圆内。

GPS卫星发送两种码:粗捕获码(C/A码)和精码(P码)。前者是民用的,后者只限于供美军及其盟军以及美国政府批准的用户使用。这些码以扩频方式调制在两种不同的频率上发射:L1波段以1575.42兆赫发射C/A和P码;而L2波段只以1227.6兆赫发射P码。

GPS卫星导航能力最重大的改进将从2003年发射洛克希德·马丁首批ⅡR-M(修改的ⅡR)卫星开始。ⅡR-M卫星将发射增强的L1民用信号,同时发射新的L2民用信号和军用码(M码)。进一步的改进将从发射波音ⅡF批次卫星的2005年开始,ⅡF批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外,将在1176.45兆赫增加第3个民用信号(L5)。在ⅡF发射以前,M码将从发展型过渡到工作型。因为导航卫星星座的发射需要有一段时间,故在轨道上获得全工作能力则要在2007年发射18颗L2民用信号和M码卫星后才能实现。18颗卫星组成的第三个民用信号(L5)的星座预计要到2011年才能发射完。

此后,美军将得到抗干扰能力有所增强的新信号--M码。它能发送更大的功率,而不干涉民用接收机。M码还给军方一种新的能力,以干扰敌方对信号的利用,但其细节是保密的。

L2民用信号即第二个民用信号称为L2C,使民用用户也能补偿大气传输不定性误差,从而使民用导航精度提高到3~10米。而美军及其盟军因一开始就能接收L1和L2中的P码,故一直具有这种能力。

对L2的设计约束是它必须与新的M码兼容。为避免对军用L2 P(Y)接收机的任何损害,新的民用L2应具有与现有C/A码相同的功率和频谱形状。这里,括号中的Y码是P码的加密型。实际上,民用L2信号将比现有的L1 C/A信号低2.3分贝。功率较低的问题将由现代的多相关器技术加以克服,以便迅速捕获很微弱的信号。

GPS卫星发射的信号必须现代化,同时又要保持向后兼容性。组合的民用信号与军用信号必须放在现有频带中,而且具有足够的隔离,以防互相干涉。美国决定将C/A码信号放在L1频带和新的L2频带的中部,供民用使用,而保留Y码信号。

M码将采用一种裂谱调制法,它把其大部分功率放在靠近分配给它的频带的边缘处。抗干扰能力主要来自不干涉C/A码或Y码接收机的强大的发射功率。

M码信号的保密设计基于下一代密码技术和新的密钥结构。为进一步分离军用和民用码,卫星对于M码将具有单独的射频链路和天线孔径。当卫星能工作时,每颗卫星可能在每个载波频率上发射两个不同的M码信号。即使由同一颗卫星以同一载波频率发射,信号将在载波、扩散码、数据信息等方面不同。

M码的调制将采用二进制偏置载波(BOC)信号,其子载波频率为10.23兆赫,扩码率为每秒5.115百万扩散位,故称为BOC(10.23,5.115)调制,简称BOC(10,5)。因为BOC(10,5)调制与Y和C/A码信号相分离,故可以较大的功率发射,而不降低Y或C/A码接收机的性能。BOC(10,5)对于针对C/A码信号的干扰不敏感,而且与用来扩展调制的二进制序列的结构难以分辨。

L5将位于960~1215兆赫频段,而地面测距仪/塔康(DME/TACAN)导航台和军用数据链(Link 16)已大量使用这个频段,但这只会对欧洲中部和美国高空飞行的飞机产生干扰。美国计划对在L5±9兆赫以内的DME频率进行重新分配,以便L5信号在美国的所有高度都能良好地接收。

一些新的抗干扰技术

由于GPS卫星发射的导航信号比较微弱,而且以固定的频率发射,因此军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。

美国国防预研计划局(DARPA)正在发展一种新的抗干扰方法,采用战场上空的无人机来创造伪GPS星座,使其信号功率超过敌方干扰信号的功率。

所谓伪卫星,就是将GPS导航信号发射机装在飞机或地面上,顶替GPS卫星来进行导航。DARPA用无人机做伪卫星的研究,称为GPX伪卫星概念,旨在使己方的部队在受干扰的战场环境中具有精确的导航能力。其方法是由飞行中无人机上的4颗伪卫星广播大功率信号,这样在战场区域上空产生一个人工GPS星座。4架"猎人"无人机就可覆盖300千米见方的战区。

只要对现有GPS接收机的软件作些改变就可使用伪卫星发射的信号。当用实际GPS星座导航时,接收机开始需要知道卫星位置,即星历的情况,故伪卫星概念面临的挑战是采用可用的低数据率信息把4颗运动的伪卫星的位置告诉接收机。因此,DARPA和柯林斯公司设计人员的关键任务是在可用的50比特/秒信息中发送伪卫星星历。无人机的稳定性相当好,不会像战斗机那样机动;但任何运动都会使位置有点不确定。因而与采用卫星星座的导航比较,其定位总误差将增长约20%。DAPRA已用在7500米高度上的公务机上以及约3000米高度上的"猎人"无人机上试验了单颗伪卫星,导航精度从采用真卫星时的2.7米下降到4.3米。

当然,伪卫星不一定要全部机载,也可采用地面和机载发射机混合的方案。将某些伪卫星设在地面上的缺点是减少了覆盖范围,但提高了导航精度。为了克服干扰,伪卫星可发射100瓦信号,使地面接收机处的信号强度比来自卫星的信号强度增加45分贝。

诺斯罗普·格鲁门公司正在研制可提供30~40分贝抗干扰改进的GPS接收机。这种称为"反干扰自主完整性监控外推"的抗干扰方法将由惯性导航和GPS接收机在载波相位级进行全耦合来实现。全耦合滤波器将减小GPS跟踪回路的带宽,从而减少干扰信号进入GPS接收机的机会。

柯林斯公司和洛克希德·马丁公司联合为JASSM空面导弹研制的G-STAR高反干扰GPS接收机采用了调零和波束操纵的方法。该接收机重11.3千克,采用了一个空间时间适配器,适配器探测出一个威胁,便将其信号调到零,并在发射导航信号的卫星方向增加增益。

这种反干扰技术以数字方式实现,故称为数字波束成形器,它比常规的模拟调零法更为精确,同时可将接收机的波束调整到朝向可用的导航卫星。数字信号处理可通过动态移动零位来抵消噪声,增加增益,并通过一个6元天线阵来操纵波束。

民用GPS接收机也有抗干扰的问题,但民用GPS接收机用户更关心非故意干扰。非故意干扰基本上为宽波段类型,与干扰机将其功率集中于GPS频率不同。与软件有密切关系的数字信号处理方法,在对付宽波段干扰方面是很理想的。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2/26/2007)
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佳工网友 lan (Email) 于3/23/2007 12:56:00 PM评论说:


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