GPS现代化和航空应用上的突破
发布时间:2007/3/28 来源: 阅读:16519
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一、GPS的现代化

1997年美国军民双用途GPS开始制定现代化计划,征集了军方和民用意见,安排对未来GPS的改善,包括卫星上的改善、地面控制段的改善,以及用户接收机的改进。对军用改善和民用改善及两者之间的协调问题均极为重要。根据早期参与GPS发展的专家认为,双用途GPS现代化目标上存在下列争议问题:

1.系统结构方面
(1)系统功能和组态:保持双模式服务,或者军用/民用分开;
(2)频谱考虑:如何安排军用Lm和民用L1c,L2c,L3c;
(3)信号结构:新的Lm还是新的Lc,或及其调和办法(例如频率复用);
(4)增强问题:GPS/GLONASS组合,WAAS和LAAS的发展,提高可用性和完好性;
(5)数据电文:直接Y码捕获,包括选定的DGPS和完好性数据;
(6)星座强化:增加到30颗卫星,或其他构态。

2.性能方面
(1)抗干扰(反欺骗和拒敌意干扰):对Lm和Lc影响上的缓解办法;
(2)增强信号功率:增强Lm(和Lc)信号功率,GPS卫星上采用窄带天线;
(3)太阳活动峰年的考虑:通过专用L2c的性能改善;
(4)Y2K和GPS 1024星期轮回问题:对GPS接收机的影响;
(5)民用最佳性能:撤除降精度的SA和其他降级措施,提高精度。

3.管理和组织方面
(1)运行、控制和财务管理:DOD作为服务供应者,民用/军用联合控制;
(2)国际上的考虑:以GPS作为国际GNSS资源,免受敌意利用的防护措施。

一般估计认为对于撤销SA的问题,已有承诺,最迟在2006年实现,将使GPS CA码空间信号的码相位测量的用户伪距误差(URE)从24.6米降低到4.3米(1σ值),因而使水平定位误差从100米降低到18米(2drms值)以内。下一个世纪通过改善后GPS信号的URE可降低到2.5米,甚至1.9米,能使水平定位精度提高到10~5米。双频或三频信号利用精密载波相位测量技术的水平定位精度能提高到次米级,以至厘米级。

二、GPS航空应用

GPS在以往20多年广泛应用中充分表现了卓越性能,但在航空应用上止步不前,其原因不外乎技术方面和政策方面。技术方面由于L1不受频谱保护,易受干扰,单频制不能完全修正电离层延时误差,加上SA后不能满足向机场进近时的精度要求,此外对能否实现单一导航手段上发生了怀疑,尚需地面无线电导航系统继续运行,留作热备份。政策上GPS 虽然名义上是军民用共享的双用途系统,但实质上GPS的拥有及其发展、控制、运行全部由国防部(DOD)包揽,各国民航不敢贸然依赖此单国军事系统。

1996年3月克林顿总统关于GPS政策的总统决策指令(PDD)作出了向国际民间开放的姿态以来2~3年时间内。没有实际行动。1998年更是沉闷的一年,表现在两个方面:

(1)增发第二民用频率迟迟不能抉择,丢失了1998年3月首批2F卫星设计定案的机会,等待1998年8月决定(参见本刊1998年第10期《GPS航空应用争议热点》一文)。然而8 月又丢失了第2次机会。12月运输部(DOT)负责政策的助理部长Joseph Canny在伦敦的讲话仍然宣称,先在L2频率上加发第二民用信号,不论是否能赶上2002年发射的第1颗2F 卫星,但至少能在2005年发射的第7颗2F卫星上实现,第二民用频率仍未决定。

(2)GPS能否担当单一导航,FAA未能答复。驾驶员协会国际联合会(IFALPA)等组织提请选择必要的陆基无线电备用导航系统,DOT准备发展Loran C-GPS组合系统。国会也因此压缩对WAAS的拨款。

在此期间,欧洲组织积极地开展投建GNSS-2(即欧洲导航卫星系统ENSS)的活动。为此提出了多种方案。后期由Alcatel公司提出了一个以63颗低轨道(LEO)卫星为主的创新导航欧洲系统(INES)方案,声称投资近8亿美元,可于2005年建成,但工业界认为需超过10 亿美元。欧洲空间局(ESA)理事会批准4000万美元用于GNSS-2的期初研究。

三、GPS民用政策上的新进展

美国GPS工业按年生产100万台接收机的势头推进,1997年的年产值25~30亿美元,预计到2005年将超出100亿美元,8年内翻4倍。联邦政府着眼于GPS作为“经济发动机 (Economic Engine)的作用,将乐于支付GPS系统费用,支持其现代化,并鼓励更好地提供民间服务。为了发挥GPS在国际民用GNSS中的领导作用。以GPS作为国际标准,在处理好国际经贸和国家安全的关系上使GPS进一步满足民间要求,应有所作为。

今年1月的消息报导,第二民用频率已选定为1176.45MHz,将在2005年发射的第7 颗2F卫星上开始实现,发射洁净的(无SA的)CA码信号。这是一个重大突破,使两年来争议不休的问题终于由DOD让步而圆满解决。消息报导还说,增加第二民用频率的费用将由 DOT负担,为此导致军方的联合战术信息分配系统(JTIDS)的频率作必要的修改而移离频点的费用由DOD自行负担。

已选定的第二民用频率(L3c)处于960~1215MHz航空无线电导航服务(ARNS)频段内,它是航空测距仪(DME)专用频段,是受保护的安全使用频段,不论平时或战时任何国家或集团进行干扰将受到全世界的遣责。因而L3c将比L1更为安全可靠,也有利于单一导航,这个决定对民用GPS具有一劳永逸的长远利益。

此频段内969~1206MHz也是军方JTIDS使用频段,还包括NATO数据链和某些一次雷达的使用频率在内,此决定对军方影响较大。军方的让步表明美国政府为扩大民间应用的决心,并已妥善处理了DOT和DOD之间的军民关系。

今后L2有可能留给军事专用,如果L2仍然提供表明军民共用的话,三频信号使载波相位测量时解算整团模糊更为方便,可以通过不同组合巷宽利用简捷软件解算,实现精密的载波相位测量技术。

从现在或2005年起DME应答机频率应作避开1176.45MHz的安排,留给GPS的L3c 8MHz 带宽(机载DME应答频率避开1172.45~1180.45MHz)。因而在地面VOR/DME台的频率设置上也要提早避让,不再使用85x~94x这十个频道,为此和DME配对的全向信标(VOR)台对应频率113.80~114.70MHz也不再使用(百分点为5的,即113.85~114.65MHz的Y频道不受影响)。

此次增发第二民用频率的费用由DOT负担,开创了GPS费用由DOD/DOT分担的先例,将来就有可能L1和L2民用服务也让DOT承担。这既是GPS民用服务和军用服务分离的前提条件,也为使DOT可能参与GPS控制创造条件。

四、民用GPS航空应用风险分析结论

1998年8月FAA委托霍普金斯大学的应用物理实验室进行GPS用于单一导航的风险分析,在飞机拥有者和驾驶员协会(AOPA)和航空运输协会(ATA)资助下开展工作。今年1月29 日递交了研究报告。其结论为,经由WAAS/LAAS增强所支持的GPS信号可用于航空单一导航;在DOD参与下作某些必要调整后,降低受干扰的风险,因而不需备用系统支持单一导航。这个结论使FAA受到鼓舞。DOD同意了JTIDS频率避让,使L3c处于ARNS保护频带内,这个调整安排, 足以使民用信号免受人为干扰之虑,对支持单一导航作出了贡献。对自然干扰的影响,将接受2000年太阳活动的第23个高峰的考验,因而所有陆基无线电导航设施的撤除都安排在2005年以后。

五、展望21世纪

进入21世纪前页,GPS面向国际民间应用将有如下步伐:

(1)10年免费服务的承诺将于2003年期满,DOT助理部长在伦敦时已宣布,将在可以预见的未来延长免费服务;
(2)撤除SA的承诺将于2006年到期,势必撤除已属定论;
(3)2005年后上天的2F卫星增发L3c民用CA码信号,2010~2012年间逐步充实轨道,届时将有安全服务的民用信号,在无增强下可以达到接近Ⅰ类精密进近着陆;
(4)民用信号和军用信号分离是必然的,在此基础上可以各得其利。但隔离到何等程度,尚不清楚;DOD/DOT双用途GPS的联合管理已经开始,今后分工上达到何等程度,有待进一步演进中分晓。

航空导航上美国将第一个进入全面卫星导航的时代。不论GLONASS维持星座的状态如何,不论欧洲发展ENSS的行动如何,美国不希望出现新的平行系统,但表明愿意接受在全兼容的子系 统上开展国际合作。GPS意欲在技术上争作国际标准,成为GNSS的绝对主导,在世界经济上独占鳌头,必然隐含着一定成分的排他因素。无论如何,民用GPS的进一步开放,将受国内外普遍欢迎,GPS的演进将带领世界进入单一卫星导航的时代。