GPS導航技術新進展與GPX偽衛星抗幹擾技術

美國的全球定位係統（GPS）導航衛星正在逐步現代化。GPS從美國空軍的導航輔助設備開始，逐漸發展成軍民兩用的一種重要技術。GPS的精確位置與定時信息，已成為世界範圍各種軍民用、科研和商業活動的一種重要資源。

    GPS衛星的發展及信號的改進 GPS導航衛星自1978年發射以來，其型別已由第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次發展到ⅡR批次。第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次衛星共有40顆，是由羅克韋爾公司製造的，而20顆ⅡR批次衛星則由洛克希德．馬丁公司製造。波音公司在1996年收購了羅克韋爾的航空航天和防務業務，目前正在製造33顆更先進的ⅡF批次衛星。美國還在考慮發展采用點波束的新一代GPS衛星（GPS-Ⅲ）。

    GPS從1994年全麵工作以來，改進工作一直在進行中。這是因為民用用戶要求GPS具有更好的抗幹擾和幹涉性能、較高的安全性和完整性；軍方則要求衛星發射較大的功率和新的同民用信號分離的軍用信號；而對采用GPS導航的"靈巧"武器，加快信號捕獲速度更為重要。

    民用GPS導航精度迄今的最大改進發生在2000年5月2日，美國停止了故意降低民用信號性能（稱為選擇可用性，即S/A）的做法。在S/A工作時，民用用戶在99%的時間隻有100米的精度。但當S/A切斷後，導航精度上升，95%的位置數據可落在半徑為6.3米的圓內。

    GPS衛星發送兩種碼：粗捕獲碼（C/A碼）和精碼（P碼）。前者是民用的，後者隻限於供美軍及其盟軍以及美國政府批準的用戶使用。這些碼以擴頻方式調製在兩種不同的頻率上發射：L1波段以1575.42兆赫發射C/A和P碼；而L2波段隻以1227.6兆赫發射P碼。

    GPS衛星導航能力最重大的改進將從2003年發射洛克希德．馬丁首批ⅡR-M(修改的ⅡR)衛星開始。ⅡR-M衛星將發射增強的L1民用信號，同時發射新的L2民用信號和軍用碼（M碼）。進一步的改進將從發射波音ⅡF批次衛星的2005年開始，ⅡF批次衛星除發射增強的L1、L2民用信號和M碼外，將在1176.45兆赫增加第3個民用信號（L5）。在ⅡF發射以前，M碼將從發展型過渡到工作型。因為導航衛星星座的發射需要有一段時間，故在軌道上獲得全工作能力則要在2007年發射18顆L2民用信號和M碼衛星後才能實現。18顆衛星組成的第三個民用信號（L5）的星座預計要到2011年才能發射完。

    此後，美軍將得到抗幹擾能力有所增強的新信號--M碼。它能發送更大的功率，而不幹涉民用接收機。M碼還給軍方一種新的能力，以幹擾敵方對信號的利用，但其細節是保密的。

    L2民用信號即第二個民用信號稱為L2C，使民用用戶也能補償大氣傳輸不定性誤差，從而使民用導航精度提高到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L2的設計約束是它必須與新的M碼兼容。為避免對軍用L2 P（Y）接收機的任何損害，新的民用L2應具有與現有C/A碼相同的功率和頻譜形狀。這裏，括號中的Y碼是P碼的加密型。實際上，民用L2信號將比現有的L1 C/A信號低2.3分貝。功率較低的問題將由現代的多相關器技術加以克服，以便迅速捕獲很微弱的信號。

    GPS衛星發射的信號必須現代化，同時又要保持向後兼容性。組合的民用信號與軍用信號必須放在現有頻帶中，而且具有足夠的隔離，以防互相幹涉。美國決定將C/A碼信號放在L1頻帶和新的L2頻帶的中部，供民用使用，而保留Y碼信號。

    M碼將采用一種裂譜調製法，它把其大部分功率放在靠近分配給它的頻帶的邊緣處。抗幹擾能力主要來自不幹涉C/A碼或Y碼接收機的強大的發射功率。

    M碼信號的保密設計基於下一代密碼技術和新的密鑰結構。為進一步分離軍用和民用碼，衛星對於M碼將具有單獨的射頻鏈路和天線孔徑。當衛星能工作時，每顆衛星可能在每個載波頻率上發射兩個不同的M碼信號。即使由同一顆衛星以同一載波頻率發射，信號將在載波、擴散碼、數據信息等方麵不同。

    M碼的調製將采用二進製偏置載波（BOC）信號，其子載波頻率為10.23兆赫，擴碼率為每秒5.115百萬擴散位，故稱為BOC（10.23，5.115）調製，簡稱BOC（10，5）。因為BOC（10，5）調製與Y和C/A碼信號相分離，故可以較大的功率發射，而不降低Y或C/A碼接收機的性能。BOC（10，5）對於針對C/A碼信號的幹擾不敏感，而且與用來擴展調製的二進製序列的結構難以分辨。

    L5將位於960～1215兆赫頻段，而地麵測距儀/塔康（DME/TACAN）導航台和軍用數據鏈（Link 16）已大量使用這個頻段，但這隻會對歐洲中部和美國高空飛行的飛機產生幹擾。美國計劃對在L5±9兆赫以內的DME頻率進行重新分配，以便L5信號在美國的所有高度都能良好地接收。

    一些新的抗幹擾技術由於GPS衛星發射的導航信號比較微弱，而且以固定的頻率發射，因此軍用GPS接收機很容易受到敵方的幹擾。美國國防預研計劃局（DARPA）正在發展一種新的抗幹擾方法，采用戰場上空的無人機來創造偽GPS星座，使其信號功率超過敵方幹擾信號的功率。

    所謂偽衛星，就是將GPS導航信號發射機裝在飛機或地麵上，頂替GPS衛星來進行導航。DARPA用無人機做偽衛星的研究，稱為GPX偽衛星概念，旨在使己方的部隊在受幹擾的戰場環境中具有精確的導航能力。其方法是由飛行中無人機上的4顆偽衛星廣播大功率信號，這樣在戰場區域上空產生一個人工GPS星座。4架"獵人"無人機就可覆蓋300千米見方的戰區。

    隻要對現有GPS接收機的軟件作些改變就可使用偽衛星發射的信號。當用實際GPS星座導航時，接收機開始需要知道衛星位置，即星曆的情況，故偽衛星概念麵臨的挑戰是采用可用的低數據率信息把4顆運動的偽衛星的位置告訴接收機。因此，DARPA和柯林斯公司設計人員的關鍵任務是在可用的50比特/秒信息中發送偽衛星星曆。無人機的穩定性相當好，不會像戰鬥機那樣機動；但任何運動都會使位置有點不確定。因而與采用衛星星座的導航比較，其定位總誤差將增長約20%。DAPRA已用在7500米高度上的公務機上以及約3000米高度上的"獵人"無人機上試驗了單顆偽衛星，導航精度從采用真衛星時的2.7米下降到4.3米。

當然，偽衛星不一定要全部機載，也可采用地麵和機載發射機混合的方案。將某些偽衛星設在地麵上的缺點是減少了覆蓋範圍，但提高了導航精度。為了克服幹擾，偽衛星可發射100瓦信號，使地麵接收機處的信號強度比來自衛星的信號強度增加45分貝。

    諾斯羅普．格魯門公司正在研製可提供30～40分貝抗幹擾改進的GPS接收機。這種稱為"反幹擾自主完整性監控外推"的抗幹擾方法將由慣性導航和GPS接收機在載波相位級進行全耦合來實現。全耦合濾波器將減小GPS跟蹤回路的帶寬，從而減少幹擾信號進入GPS接收機的機會。

    柯林斯公司和洛克希德．馬丁公司聯合為JASSM空麵導彈研製的G-STAR高反幹擾GPS接收機采用了調零和波束操縱的方法。該接收機重11.3千克，采用了一個空間時間適配器，適配器探測出一個威脅，便將其信號調到零，並在發射導航信號的衛星方向增加增益。

    這種反幹擾技術以數字方式實現，故稱為數字波束成形器，它比常規的模擬調零法更為精確，同時可將接收機的波束調整到朝向可用的導航衛星。數字信號處理可通過動態移動零位來抵消噪聲，增加增益，並通過一個6元天線陣來操縱波束。

    民用GPS接收機也有抗幹擾的問題，但民用GPS接收機用戶更關心非故意幹擾。非故意幹擾基本上為寬波段類型，與幹擾機將其功率集中於GPS頻率不同。與軟件有密切關係的數字信號處理方法，在對付寬波段幹擾方麵是很理想的。

    美國Electro-Radiation（ERI）公司指出，常規抗幹擾方法的是采用相控陣天線組成的零位操縱天線，這不僅要增加重量，且成本較高，而在接收機上實現的抗幹擾技術通常隻有有限的幹擾剔除能力或者是專為對付某種幹擾而特地設計的抗幹擾能力。

    這家公司已研製出能有效地對付所有已知類型幹擾的一種幹擾抑製裝置（ISU），它不需要昂貴和笨重的天線，可以低成本、高效的方式加裝到新的和現有的GPS接收機中，既適合軍用，也適合民用。

    這種幹擾抑製裝置包括補釘天線以及可插入任何GPS接收機天線接口的電子裝置，用來抑製寬帶噪聲和窄帶幹擾。它使GPS接收機增加20分貝的抗寬帶噪聲能力和35分貝的抗窄帶幹擾能力。


來源：GPS之家  2008-05