【现代卫星导航系统】之 GPS 卫星导航系统

全球卫星导航系统主要由卫星星座、地面监控系统及用户设备三大独立部分组成，本节从这三个部分逐一介绍目前比较完善的 GPS、GLONASS Galileo 和 BDS四大卫星导航系统。GPS 系统是世界上使用率最高、发展最成熟的全球卫星导航定位系统。

1. 卫星星座目前，GPS系统在轨服务卫星40颗，其中：GPS-IIA卫星8颗、GPS-IIR卫星12颗、GPS-IIRM卫星8颗、GPS-IIF卫星12颗。GPS-IIA为1990年11开始发射的GPS第二代卫星，设计寿命7.5年，GPS-IIR和 GPS-IIRM为1997年7月开始发射的第三代卫星，设计寿命10年，GPS-IIF为性能最好第四代卫星，2010年5月首发，设计寿命延长至12年。
   2.地面监控GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按功能分为主控站、注入站和监测站三种。主控站一个，设在美国本土的科罗拉多空间中心，负责协调和管理所有地面监控系统。主控站根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站，同时提供全球定位系统的时间基准，调整卫星状态和启用备用卫星，同时还具有监测站功能。
   注入站现有三个，分别设在印度洋的迪戈加西亚岛、南太平洋的夸贾林环礁和南大西洋的阿松森群岛。其主要任务是将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性，亦具有监测站功能。监测站现有六个（含上述四个地面站，另外两个设在夏威夷和卡纳维拉尔角）。监测站实时观测和接收所有GPS卫星发出的信号及当地气象资料，并监测卫星的工作状况，把初步处理后的结果传送到主控站。
   3.用户设备用户接收部分的基本设备就是GPS信号接收机，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS卫星所发射的GPS信号，以达到导航和定位的目的。接收机主要由接收 机硬件、数据处理软件、微处理机和终端设备组成，其中接收机硬件一般包括天线、主机和电源。接收机天线接收所有GPS卫星信号后，主机从这些卫星信号中得到卫星轨道参数，准确算出卫星的空间位置，并根据 GPS 定位原理（第8章）得到用户在某一空间坐标系的绝对位置。4.GPS现代化20 世纪90年代末，为了提高GPS对美军现代化战争的有力支撑，并使其在全球民用导航领域中处于领导地位，美国政府提出了 GPS的现代化计划。时任美国总统克林顿宣布2000年5月2日起美国停止了对GPS.卫星实施选择可用性政 策，标志着美国 GPS现代化正式开始。GPS现代化主要从调整卫星星座、调整卫星信号、改进地面控制部分这几个方面实施。
   （1)调整卫星星座美国五角大楼计划购买和发射32颗Block-皿卫星，将已有的卫星系统进行全面升级。GPS-皿卫星包括3个型号，分别为GPS-IIA、GPS-IIB和GPS-IIC,GPS-的P码功率比现有功率提高20~30倍，频率由L波段上升到S、C波段，设立专门的军用M码，用铯原子钟代替铷原子钟，以提高定时精度，授时精度将达到1 ns.GPS-皿计划提高空间导航信号的可靠性和安全性，一旦卫星出现故障或信号超差，报警时间由30min缩短为1min.2010年，第一颗搭载L5载波发射机的 GPS-IIF型卫星发射成功。2012年8月24日，搭载第四个民用信号LIC的GPS-皿系列卫星发射成功。目前已有GPS-IIF型在轨卫星共计6颗，并计划发射GPS-IIA卫星8颗，以及更为先进的GPS-IIB卫星16颗、GPS-IIC卫星8~16颗。最先进的 GPS-皿C的卫星信号采用点波束，改善了卫星之间的通信链路，并采用可控制的高功率点波束照射地球的某一区域，使该区域 GPS 接收机的信号功率大大增加，从而实现对未来导航战的支持。
   （2)调整卫星信号卫星信号调整措施主要有：分离军民用户伪噪声所占频带；增强军用伪噪声码的发射功率；增加新的GPS信号。GPS 现代化改进增加了三种民用信号：第二个民用测距码 L2C;第三个民用载波L5;第四个民用测距码LIC.传统的民用L1C/A码将来还会继续广播发射，最终形成四种民用 GPS 信号共存的格局。L2C是为满足商业用户及大众用户在复杂环境下高精度定位导航的需求而设计的。L2C目前由在轨使用的12颗 GPS-IIR(M)和 GPS-IIF卫星播发。L2C可以有效提高用户接收机的抗干扰能力，其信号采用前向纠错和时分复用技术，具有更低的载波跟踪门限和数据解调门限，使得 L2C 能够实现在室内、树荫遮蔽等微弱信号条件下的捕获。双频GPS用户可以利用L1C/A信号和L2C 信号校正电离层传输延时来消除电离层误差和快速解算整周模糊度。另外由于采用更为紧凑的导航电文帧格式及有数据通道和无数据通道的分离，使得L2C信号比传统的L1C/A码信号具有更多的优势。L5是为满足生命安全类及其他高精度应用的需求而设计的，设计频率1176.45 MHz.2009年，美国成功在 GPS-IIR-20(M)卫星上播发实验L5载波信号。2010年第一颗搭载L5载波发射机的 GPS-IIF型卫星发射成功。L5信号的结构进行了很大的改进，用户不需要依赖 L1 或 L2 民用信号便能实现对 L5信号进行截获与跟踪。利用三个不同频率的载波（L1、L2、L5)进行两两组合，基本消除电离层误差影响。LIC 旨在增强 GPS 和其他卫星导航系统的互操作性。美国政府计划在 2018年发射的 GPS-IA 型卫星上播发此信号。其他卫星导航商采用L1C作为未来国际互操作性标准，日本的准天顶卫星系（OZSS)、印度的区域卫星导航系统（IRNSS)和中国的北斗系统计划播放L1C.（3)改进地面控制部分GPS 地面控制部分现代化主要有三个部分：精度改进计划（L-ALL);体系进化计划（AEP);新一代运行控制系统（OCX)
   2008年完成L-ALL 阶段，把监测点在从6个扩大到16个，可以获取三倍于原来的卫星轨道数据，从而将GPS广播星历精度提高10%~15%.AEP 内容包括：用现代信息技术取代原有的基于原始主机的主控站技术，大幅度提高 GPS控制的灵活性和灵敏度，增强对现代化改进的GPS卫星的运行控制能力；GPS主控站改造、新建GPS备用主控站，加强抗干扰、抗欺骗能力，并将原属美国国家地理空间情报局（National Geospatial-Intelligence Agency,NGA)的10个GPS监测站纳入到GPS地面控制段的体系中；利用美国空军卫星控制网（Air Force Satellite Control Network,AFSCN)的8副地面天线对 GPS系统原有的8副地面天线进行补充，增强上行注入能力。该计划已经于2007年开始实施。OCX 内容包括：增加GPS 地面控制部分许多新的功能，其中包括对现代化民用信号（L2C、L5、L1C)完全的控制能力；增加对 GPS-皿卫星的管理与控制能力，例如灵活的信号功率配置、星对星和星对地链路及点波束能力等。OCX第一阶段将实现对L2C和L5 信号的监测，到第二阶段完成时，GPS系统地面控制部分将具备管理32颗卫星组成的GPS星座的能力。