美国导航星全球定位系统(GPS)

美国导航星全球定位系统(GPS)
(一)研制背景与计划
至70年代，可供舰船导航使用的全球导航定位系统只有两种，即奥米加导航系统和子午仪卫星导航系统。
奥米加导航系统是一种分时、连续波型的无线电导航系统，能在全球范围内为用户连续提供位置信息，但其定位精度较差，只能达到1～2nmile，不能满足需要高精度定位信息的现代舰艇使用要求。
子午仪卫星导航系统曾是因军用目的(校正"北极星"核潜艇装的惯性导航系统)而发展起来的，1958年12月为研制卫星导航系统筹积资金，1963年进行舰上试验，1964年开始为军事用户服务，1967年解密为民用服务。
卫星导航系统的优点是能够在全球范围内全天候的提供精确的位置信息，其缺点是不能够提供连续的定位信息。在子午仪卫星正常运转期间，其用户大约以30～120min的时间间隔(取决于舰艇所在位置的纬度)获得一次定位。这大大地制约了现代舰艇及武备系统的使用需求。
为了解决军事上对高精度位置信息和速度信息的连续使用需求，美国国防部花费30多亿美元的巨资用于研制导航星全球定位系统，简称为GPS系统。
GPS系统研制计划的初期，计划在绕地球的6个平面轨道中布放24颗卫星，每颗卫星的设计寿命为7.5年，按1980年美元价格计算每颗卫星的费用大约3800万美元，估计更换为全球定位系统卫星的每颗费用需5000万美元。在1981～1985财政年度，因为研制经费削减掉5亿美元，所以，决定将卫星网中的卫星数目由原来的24颗减少到18颗，将其平均分布在6个圆形轨道上。经过详细论证表明，由18颗卫星组网也能保证地球上任一地方的用户至少能随时连续观测到4颗以上卫星，但定位精度比24颗卫星构成的星网低，从10m降至15m，有的地方还可能稍低于15m。
后来，当美国得知前苏联也在研制与美国GPS系统类似的24颗星座的全球卫星导航系统(GLONASS)时，美国国防部又追加了经费投资，恢复原来的24颗GPS卫星的研制计划，这样既可以与前苏联抗衡，又可以提高精度，满足更精确的测位、测速和计时的要求。 GPS系统由美国国防部负责研制，其管理工作由位于洛杉矶的空军空间与导弹系统组织负责。
GPS系统工程分为三个阶段：第一阶段是进行方案论证，从1975年起为GPS系统提供经费，研究GPS系统的可行性。1979年1月提出有关导航星的建议。同年8月，正式批准进入工程计划的第二阶段，即全面工程研制和系统试验阶段。这一阶段大约于1984年3月结束。第三阶段是导航星计划全面实用阶段，在这一阶段，用户设备投入生产，此外，还要发射全球定位系统的24颗工作卫星。
在第二阶段中，

从1979年至1984年，共发射11颗I型试验卫星，其目的是使轨道上保持有5～6颗卫星，以便能保证各项试验能顺利进行，其中包括海军三叉戟导弹精度试验。
按原定计划，从1986年开始用航天飞机发射Ⅱ型工作卫星，到1987年底应有12颗工作卫星投入运行，系统具有二维定位能力。到1988年底，18颗工作卫星组网完毕，系统具有三维定位能力，成为一个完全实用的全球定位系统。但是，由于"挑战者"号航天飞机于1986年1月在空中爆炸，加之，GPS的卫星星座又从18颗恢复到早期确定的24颗，致使GPS工作卫星的发射计划无法如期实现。在此情况下，美国国防部决定从1988年10月到1989年12月采用8枚"得尔塔"Ⅱ型火箭将8颗GPS工作卫星送人轨道，在航天飞机恢复航行后，再用航天飞机发射，每次发射两颗卫星。至1993年6月26日，已将24颗卫星中的最后一颗卫星发射升空，经过两个月的调试之后，于1993年10月，整个GPS发展计划完成，并正式投入运行。从此，GPS可为全球范围内的海、陆、空各种类型的用户提供连续、高精度的三维位置(经度、纬度和高度)、三维速度和时间信息。所不同的是，美国及其盟国的军事用户接收P码工作，民用用户只能接收C/A码工作。
(二)系统组成
导航星全球定位系统由空间部分(24颗导航卫星)、地面控制部分和用户设备部分(导航接收机)组成。
1．空间部分
导航星全球定位系统的空间部分由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，其余3颗是备用卫星。这24颗卫星均匀地分布在6个圆形轨道平面上，每个轨道面有4颗卫星。各个轨道平面在经度上相隔60°，对赤道平面的倾角为53°，卫星在地球上方20180km高的圆形轨道平面上运行，每隔12h绕地球运行一周。此外，3颗在轨道上运行的备份卫星隔一个轨道部署1颗。当主工作卫星出现故障时，这些备用卫星可提供快速反应，替补故障的主工作卫星，使系统恢复正常工作。
每颗工作卫星，均在L波段(L1=1575.42MHZ、L2=1227.60MHz)范围内以不同的电码连续发射导航电文。11波段的信号用两个相位正交的伪随机噪声码调制，其中一个是提供精确定位服务的精密码，即P码，供军事用户和几个经过特殊批准的其他用户使用；另一个是提供标准定位服务的清除和捕获码，即C／A码，供民用。正常工作时，L2波段信号只用P码调制，在特殊应用或试验时，也可改用C／A码调制。此外，工作卫星还以1783.74MHz和1381.05MHz的频率发送指令和遥测控制信息。
导航星全球定位系统发射的导航电文内容包括：
①卫星工作状态信息；
②卫星星历参数；
③卫星时钟校正参数；
④电离层传播延时校正参数；

⑤从C／A码转换为P码所需的时间同步信息；
⑥其他卫星星历和工作状态信息。
2．地面控制部分
导航星全球定位系统的地面控制部分由1个主控站、5个监控站和3个上输站(或称加载站)组成，它们都设置在美国本土上。主控站和上输站的设备是可移动的，因而，可大大增强系统的可靠性和生存能力。
监控站分散设置，其位置都经过精确测定每个监控站都有：
①一个高性能的四通道接收机，用来测量到卫星的伪距离和相对频率标准的厶伪距离，即积分的多普勒数据。
②一台气象数据敏感器，用来记录当地温度、气压和相对温度，供主控站计算信号在对流层中的延迟作用。
③一台原子频标和一台计算机。
当导航星全球定位系统的卫星通过时，监控站便汇集从卫星接收的导航电文数据，将其发送给主控站。主控站对导航电文数据进行处理之后，制定出预报各颗GPS卫星星历和星钟偏差参数的注人电文，并将其发送给加载站。然后，加载站再将其发送给每颗卫星。GPS卫星的电文数据就是利用这种方式每天至少更换一次，使整个系统始终处于良好的工作状态。
3，用户设备部分
导航星全球定位系统的用户设备部分就是导航接收机。所有的导航接收机都由4个基本部分组成，即天线、接收机、计算机和数据显示装置。在这种基本结构中，根据用户对性能的不同要求，接收机的型号又可分为许多种，其主要作用是，选择并接收4颗卫星发出的导航信号，测量伪距离及其变化率后，由数据处理机进行各种传播校正、卫星钟偏差校正、导航数据计算以及坐标变换，最后由显示装置显示出三维位置、三维速度和时间信息。
{三)系统性能
从1993年6月26日起，美国导航星全球定位系统的24颗卫星星座上就布满了GPS的工作卫星，经几个星期调试之后，便开始向各种用户提供精确的三维位置、三维速度和时间信息，其精度如下：
使用P码：
获得的定位精度优于10m(球概率误差)；
速度精度优于0.1m／s；
时间精度优于100ns。
使用C／A码：
获得的定位精度可达30m，但是，美国国防部出于国家安全方面的考虑，故意将民用C／A码的定位精度降到100m，即采用选择可用性(SA)措施，把误差引入第二阶段工作卫星的时钟和卫星数据中，从而达到降低授时和定位精度的目的。
采用差分GPS后的性能，如前所述，民用C／A码的定位精度约为30m，在引人选择可用性误差后，定位精度要降为100m，有时还低于100m。这种定位精度对于要求高精度定位的用户来说，仍难以满足，但是，若采用差分GPS技术，可以达到提高定位精度的目的。
差分GPS定位又

称为相对动态定位，以往在奥米加、劳兰C等陆基导航技术中已有应用。差分GPS是这一技术的推广和发展，它利用一部置于基准点的监测接收机，以其精确预知的位置真值与GPS卫星给出的位置测量值进行比较，监测出卫星信号的误差，将其作为差分数据随时以无线电通信方式向外传输，供周围GPS用户修正定位使用。
由于同一卫星信号的常值偏差在基准点处和用户处存在着时间、空间上的相关性，故可被用户通过差分方法予以消除。
因为在采取选择可用性(SA)措施后由其加大的星历误差也属常值误差，故用差分定位法可十分有效地摆脱采用选择可用性措施后而产生的影响。
差分GPS定位方法基本上分为两种：一种是伪距差分法；另一种是位置差分法。
伪距差分法是将基准点测出的伪距与用星历、基准点精确坐标解算出的伪距进行比较，得出伪距的修正量传给用户，对用户接收机测得的伪距先进行修正，然后，求解用户坐标。这种方法的优点在于可以提供单个卫星的伪距修正量，用户可选用与基准点不同的星座。缺点是，数据传输量大，必须实时传输校正，基准台的用户设备比较复杂。
位置差分法是一种比伪距差分法更易于采用的方法，它是在基准点得出GPS定位的位置误差，并用它作为位置修正量对用户接收机解算出的位置坐标直接进行修正。位置差分法要求的设备简单，既可实时修正，又可进行事后处理。其缺点是，用户接收机与基准点接收机必须选用同一组GPS星座，用户与差分台的距离不宜过远。
据外刊介绍，在离校准台100～200nmile的地方，能得到优于10m的定位精度。用于测量目的的定位在经过特殊的事后处理之后，可获得几厘米的定位精度。
(四)技术特点分析及述评
与现有的及以前使用过的几种无线电导航系统相比，导航星全球定位系统有以下几个特点：
①卫星信号覆盖全球。GPS系统的用户可以在全球范围内的任一地点、任一时间，通过接收GPS卫星发出的信号进行导航定位。
②提供的信号多。除了能提供精确的三维位置信息外，还能提供精确的三维速度和时间信息。
③精度高。接收机接收卫星发出的P码定位，产生的位置误差大约为10m；接收C／A
码定位，产生的位置误差在100m左右。
④应用范围广。凡需要得到精确位置、速度和时间信息的海、陆、空用户和各种民用用户都可使用，可同时使用，并且，用户数量不限。
⑤抗干扰能力强。除了能抗各种无线电干扰外，还能抗核辐射和防激光。
⑥保密性能好。GPS的卫星发射两种电码(P码和C／A码)中，P码是保密码，除军事用户和其他

少数经过特别批准的用户外，其他用户都无法使用。
⑦隐蔽性好。用户设备只接收GPS卫星信号，不向外辐射能量，因此，不会暴露自身的位置。
由于GPS系统具有上述极其优良的性能，因此，它的问世使导航技术发生了大飞跃。它不仅是航天、航空和陆上用户的好帮手，也是航海用户极好的装备对象。水面舰艇和潜艇上装备了GPS接收机后，就可随时测出其精确的三维位置、三维速度和时间信息。利用这些信息可对各种舰载武器系统进行标校和对惯性导航系统输出的位置和速度信息进行校正，以确保水面舰艇和潜艇航行安全，并能使其更有效地执行各种战术和战略任务。
GPS系统投入运行后，已使以往的导航系统组成发生了巨大变化，使导航系统的性能有了大幅度地提高，其应用前景十分广阔。