北斗迈出第三步

航天 · 2016-11-22 23:41:42

1.1GPS 卫星导航系统的发展历程　　美国GPS系统的发展历史可以追溯到20世纪60年代末，当时，美空军和海军分别启动了名为621B和NAVStar/GPS两个独立的导航卫星计划。到了70年代621B与NAVStar/GPS计划合并，1973年国防部成立联合计划办公室（JPO），统一管理GPS计划技术上的综合与权衡利弊，以及全系统中主要系统的接口，JPO与各承包商合作统一管理全系统的集成。　　1974年7月14日，美国发射了一颗名为“NTS-1”(导航技术卫星-1)的技术试验卫星，其主要载荷为2部铷原子钟，开展GPS关键技术试验与验证工作。　　1977年6月23日，美国发射NTS-2卫星，卫星主要载荷包括铯原子钟、镍氢电池、激光测距装置、新型太阳电池、空间辐射测量设备等，开展GPS关键技术验证和空间辐射环境探测，并进行了星钟爱因斯坦相对论漂移试验。　　1974年，美国空军将GPS-1合同授予洛克维尔公司，包含8颗卫星，1978年追加3颗GPS-1卫星。　　1978年2月，首颗GPS-1卫星发射，至1985年10月共发射GPS-1卫星11颗，失败1次(1981年12月)，损失卫星1颗。　　1989年2月，首颗GPS-2卫星发射，至1990年10月共发射GPS-2卫星9颗。　　1990年11月，首颗GPS-2A卫星发射，至1997年11月共发射-2A卫星19颗。　　1995年4月，GPS系统投入全面运行。GPS空间段由部署在6个轨道面上的24颗卫星组成，轨道高度20200km，倾角55度，播发1个C/A码民用信号(L1频段)和2个P(Y)码军用信号(L1与L2频段)，多址方式CDMA，民用信号定位精度100m。　　1996年，美国发布首个GPS政策。　　1997年1月，首颗GPS-2R卫星发射(失败)，到2004年11月共发射GPS-2R卫星13颗，发射失败1次，损失卫星1颗。　　1999年，美国首次提出实施GPS现代化计划。　　2002年，美国宣布自2002年5月1日起取消民用信号的选择可用性(SA)限制，民用定位精度提高到20m。　　2004年12月，美国发布第二版GPS政策。　　2005年9月，首颗GPS-2RM卫星发射，到2009年8月共发射GPS-2RM卫星8颗。其中，由于搭载了L5频段信号设备，2009年3月发射的GPS-2RM卫星出现信号畸变，不能投入运行服务。　　2008年5年，美国空军授予洛马公司首个GPS-3卫星研制合同，合同金额14.64亿美元。　　2010年5月，首颗GPS-2F卫星成功发射，并投入服务。　　2010年8月，GPS-3A通过关键设计评审，进入生产阶段，计划2014年首次发射。　　GPS-3包含GPS-3A卫星8颗，GPS-3B卫星8颗，GPS-3C卫星16颗。计划完成后，美国GPS系统将提供水平0.5m、垂直1.2m的定位与导航精度，授时精度将达到1.3ns，具有灵活的信号功率分配能力，并提供高达20dB的区域增强能力，星-星与星-地间通信能力达到100Mbit/s。　　1.2GPS卫星导航系统的体系构成　　GPS卫星导航系统由空间段、地面控制段、用户段组成。　　GPS系统空间段标准星座由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成。　　GPS系统地面控制段由1个主控站、4个注入站和6个监测站组成。　　GPS系统地面控制段主控站位于科罗拉多州的施里弗空军基地，四个注入站分别位于卡那维拉尔角、阿松森、迭戈加西亚和夸贾林环礁，五个监测站分别位于施里弗空军基地、卡那维拉尔角、阿松森、夏威夷、迭戈加西亚和夸贾林环礁。1999年美国提出GPS现代化计划。地面控制段的现代化分为三个阶段，分别为体系结构演进计划(AEP)、OCX(运行控制段现代化) 1和OCX 2三个阶段，见图1。　　AEP阶段主要增加对经现代化改进的GPS-2RM和GPS-2F卫星的运行控制能力。主要内容为GPS主控站改造、新建GPS备份主控站(位于加利福尼亚的范登堡空军基地)，增加抗干扰、抗欺骗能力，并将原属美国国家地理空间情报局的10个GPS监测站纳入到GPS地面控制段的体系中，增强GPS系统星座的监测与控制能力。完成AEP改造后的GPS地面控制段见图2。　　OCX 1与OCX 2阶段主要内容为建立全新的GPS地面控制段体系结构，实现对新导航信号的监测(L1C、L2C、L5C和军用M码信号)，增加对GPS-3新增能力的管理与控制能力，如灵活的信号功率配置、星间-星地链路和导航战点波束能力等。按计划OCX 2阶段应于2018年左右完成，届时，GPS系统地面控制段将具备管理32颗卫星组成的GPS星座的能力。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/sj025.jpg" border="0"></center>　　1.3GPS卫星导航系统的空间段组成　　GPS卫星导航系统空间段标准星座由部署在6个轨道面上的24颗卫星组成，轨道面间夹角60°，每个轨道面4颗卫星，轨道高度20200km，轨道倾角55°，轨道周期12小时。GPS标准星座见图3。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa3.jpg" border="0"></center>　　GPS发展初期，即试验阶段，GPS系统星座为3个轨道面，轨道倾角为63°，而不是现在的6个轨道面，轨道倾角55°，GPS工作星开始部署时，即从GPS-2卫星开始，轨道倾角调整为现在的6个轨道面，轨道倾角55°。　　目前，GPS系统空间段采用的是24轨道基线星座基础上的扩展星座。截止到2011年6月17日，GPS系统在轨卫星32颗，提供导航服务卫星31颗，2009年3月发射的1颗GPS-2RM卫星仍在进行测试。GPS系统卫星在轨情况见表1。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa4.jpg" border="0"></center>　　1.4GPS Block-1卫星　　在GPS-1早期在轨验证组网试验之前，美国曾在1974年发射了两颗名叫导航技术卫星（NTS-1、2的试验卫星。1974年7月14日发射的NTS-1卫星首次装载了2台铷钟；1977年6月23日发射的NTS-2卫星装载了与GPS-1验证卫星相似的一整套有效载荷，卫星主要载荷包括铯原子钟、伪随机噪声（PRN）码发生器、第1台GPS星载计算机、镍氢电池、激光测距装置、新型太阳电池、空间辐射测量设备等，开展GPS关键技术验证和空间辐射环境探测，并进行了星钟爱因斯坦相对论漂移试验。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa5.jpg" border="0"></center>　　经过一系列卫星技术试验之后，1974年，美国空军联合计划办公室将GPS-1合同授予洛克维尔公司，包含8颗卫星，1978年追加3颗GPS-1卫星，GPS-1卫星见图4。1978～1985年间共发射了11颗GPS-1卫星，除1颗发射失败外，其余10颗卫星均能正常工作（见表2）。如表2所示，这些卫星中大部分均超过设计寿命，有些卫星寿命超过10年。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa6.jpg" border="0"></center>　　GPS-1卫星采用三轴稳定平台，卫星发射质量763.2kg，入轨质量442kg。太阳电池功率400W，两块太阳电池板展开后跨度5.3m，星上采用镍镉电池。测控采用S频段，轨道保持采用肼燃料推力器。　　轨道高度20200km，3个轨道面，轨道倾角63°。　　卫星有效载荷包括星钟系统、伪随机噪音信号发生装置（PRNSA）包括基带处理器、L1/L2信号合成器、L1调制解调器、L2调制解调器、L1和L2大功率放大器和双工器。　　星钟：　　铷钟，几何尺寸：长×宽×高=12.7×15.24×19.05cm3，重量5.85kg，功耗20.075W，可靠性0.763（5.5年），稳定性1×10-13/天。　　铯钟，几何尺寸：长×宽×高=13.46×38.35×19.81cm3，重量12.6kg，功耗22.W，可靠性0.663（5.5年），稳定性1×10-13/天。　　两个信号频段，分别为L1，中心频率1575.42MHz；L2，中心频率1227.60MHz。在L1频段播发1个C/A码民用导航信号，在L1和L2频段各播发1个P(Y)码军用导航信号。　　1.5GPS Block-2卫星（有效载荷和能力的分析）　　GPS-2卫星是美国GPS系统的第1个工作星型号，主承包商为洛克维尔公司，共生产GPS-2卫星10颗，其中第1颗GPS-2卫星尚有发射，其它9颗卫星均发射成功。　　GPS-2卫星采用三轴稳定平台，利用反作用飞轮控制实现天底指向。卫星质量1660kg，太阳电池功率710W(寿命末期)，卫星展开后高3.4m，宽5.3m。卫星测控采用S频段，卫星轨道修正采用肼推力器，设计寿命7.5年，GPS-2卫星见图5。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa7.jpg" border="0"></center>　　GPS-2卫星主要有效载荷包括由2部铷钟和2部铯钟组成的星钟系统、导航信号发生器、功率放大器、天线、基带调理与调制解调设备、信号合成器等。此外，从GPS-2卫星开始增加使用L3频段的核爆炸探测装置，是美国全球核爆炸探测、监测的重要手段。　　卫星在L1频段播发1个民用导航信号，在L1和L2频段2个军用导航信号。L1频段信号用户接收功率分别C/A码-160dBW，P(Y)码信号：L1频段-163dBW，L2频段-166dBW，用户测距误差6m，民用定位精度100m(SA)，无SA时25m。　　GPS系统星座构型调整　　1973年美国国防系统采购评审委员会批准的GPS系统星座为：24颗卫星，均匀分布在3个圆形轨道面上，每个轨道面8颗卫星，轨道倾角63°，轨道高度20,200km.，星座的最小可见卫星数为6颗。轨道高度与星座结构的选择依据是：用户对卫星的可见性、卫星飞过美国国内地面及数据上行站的周期和卫星的发射成本。但是，最终确定的GPS系统的星座结构是：24颗星，6个轨道面，轨道面间夹角60°，轨道20,200km，轨道倾角55°，轨道周期约12小时，每个轨道面4颗星。　　造成GPS星座构型调整的原因主要有两个方面，第1，当时美国空军得到的GPS系统发展经费只能满足建立由18颗卫星组成的GPS星座的要求，因此不得不重新考虑星座构型。经计算，3个轨道面的GDOP、HDOP和PDOP值均小于6个轨道面，为保证实现联合计划办公室提出的“将5枚炸弹投入一个洞中”的要求，星座构型调整为6个轨道面，轨道倾角调整为55°；其次，GPS卫星原计划采用航天飞机发射，但是，1986年1月28日，挑战者号航天飞机在发射过程中爆炸，航天飞机被迫停飞，美国空军不得不改变GPS卫星的发射方案。　　1.6GPS Block-2A卫星GPS-2A卫星的主承包商为罗克维尔公司，该卫星是在GPS-2卫星基础上改进的，卫星重量增加到1816kg，电源功率(EOL)1000W，卫星尺寸3.4m×2.0m×5.5m，三轴稳定，天底指向，设计寿命7.5年，遥测与控制采用S频段。卫星播发3个导航信号，即L1频段(中心频率1575.42MHz)C/A码民用信号，L1和L2频段(中心频率1227.6MHz)的P(Y)码军用信号，L1频段信号用户接收功率-154.9dBW，L2频段信号用户接收功率-159.3dBW，用户测距误差6m，民用定位精度100m(SA)，无SA时25m。星上载有2部铷钟和2部铯钟，用于产生时间与频率基准。GPS-2A卫星见图6。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa8.jpg" border="0"></center>　　与GPS-2相比，GPS-2A卫星的主要改进包括3个方面：　　1) 卫星太阳电池功率从710W增加至1000W，同时增加了信号功率，使用用户更易于接收到GPS导航信号。　　2) 增加星上自主处理功能和星钟精度有所提高，可以在地面站不能向卫星发射信号和更新导航信息数据时，卫星可继续自主播发导航信息，最长时间达180天。在此期间导航精度随时间越来越低，但控制在可接受的范围内。　　3) 后期的GPS-2A卫星在天线阵列的边缘布设了由32块角反射棱镜组成的激光反射阵列，用于星地测距，提高卫星的测距和定轨精度。　　GPS-2A卫星共发射19颗，目前在轨11颗，其它卫星均已退役。11颗在轨卫星平均工作时间长达16.59年，最长的达到19.38年，远远超过了其7.5年的设计寿命。　　高可靠、长寿命是GPS-2A卫星最重要的特征。在GPS现代化计划不断拖延的情况下，GPS-2A对于GPS空间段星座的维持，保证GPS系统的稳定运行起着至关重要的作用，也是美国空军在面对GAO(美国总审计署)等对能否保证GPS系统稳定运行不断提出质疑的条件下，对保证GPS系统服务充满信号的重要基础。　　1.7GPS Block-2R卫星（有效载荷和能力的分析）　　GPS-2R卫星是美国GPS系统现代化前的最后一个卫星型号，其重要变化是增加了星间链路，增强了自主导航能力。　　GPS-2R卫星各分系统配置解剖图见图7。从图中可以发现固体远地点发动机、姿轨控系统、天线系统及有效载荷（尤其是星钟）的安装位置。　　星体尺寸：中心本体是一个边长约为1.8m的立方体，两块太阳电池帆板跨度约9m　　重量：起飞重量2016kg，在轨重量1066.5kg，装填固体发动机燃料约950kg。　　姿轨控系统：三轴稳定、偏航控制、装有16台推力器及若干推进剂贮罐。　　推进系统：固体远地点发动机，约占卫星总重的一半。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa9.jpg" border="0"></center>　　有效载荷：具体细节见图7，各单元功能如表3所示。有效载荷从星钟产生时间与频率基准到发往用户的全系统链路及其4个子系统（任务数据单元、时间基准装星和L频段子系统）配置设备如图8所示。图9示出了GPS-2R整个有效载荷安装在两块面板上的实物图。图10和图11是铯钟与铷钟谐振器工作原理。表3列出了第一、二代GPS所用星钟的技术指标。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa10.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa11.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa12.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa13.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa14.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa15.jpg" border="0"></center>　　GPS-2R与GPS-2/2A等型号卫星比较，其最大改进是增加了两大功能，从而使GPS-2R的能力有了巨大飞跃。一是增加了时间保持系统（TKS），二是自主导航能力。　　星钟　　星钟或时间基准装星（AFS）是整个有效载荷的心脏，它提供确保GPS导航精度所需的精确时间。GPS-2R装有2台铷钟和1台铯钟。GPS系统对星钟的关键需求是与相对应的GPS时间保持6ns精确度。为达到这一要求，设计者们将2台铷钟和一台铯钟集成到有效载荷中的时间保持系统（TKS）内，而且3台星钟之间互为备份，以确保这一关键设备不会因1台失效而导致全系统失灵。　　任务数据单元　　任务数据单元（MDL）是整个有效载荷的大脑。它是星历计算、数据加密、导航信息生成、P码和C/A码生成、有效载荷健康状况监测和星钟误差校正等所有任务功能的集成单元。它采用工作在16MHz频段的MI（-STD1750A抗辐射加固中央处理器，软件由ADAHOL写入25000行代码。与前几种GPS型号软件相比，该软件极其庞大和复杂，能自主完成以前必须由地面控制段完成的180天自主导航功能，还可以作为以前要由处理器处理的各种硬件与软件的接口。　　L频段系统　　L频段系统由3台编号为L1、L2和L3频率的发射机组合而成。其中L1和L2频率用于GPS导航任务，L3频率用于核爆炸探测系统。L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz，L3为1381.05MHz。GPS-2R的L频段系统包括如下10个单元组件：　　（1）L1/L2频率合成器；　　（2）L1调制器/中功率放大器（MOD/IPA）；　　（3）L2 MOD/IPA；　　（4）L1 大功率行波管放大器（L1HPA）；　　（5）L2HPA；　　（6）L1/L2 dc/dc变换器；　　（7）L3频率合成器/MOD/IPA/变换器；　　（8）L3 HPA；　　（9）L3 天文带宽抑制滤波器；　　（10）3台发射机共用天线互扰消除装置。　　图11为GPS-1和GPS-2上所用的伪随机噪声码生成装置配置图，图12示出了GPS-2R卫星L频段系统的工程研发模样图。图13示出了L频段系统如何采取冗余措施的框图。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa16.jpg" border="0"></center>　　L频段天线　　L频段卫星天线设计用于向地球及其周边空城上的海陆空天用户发射经过合成处理的L1、L2信号。该天线系统是一种宽带、固定波束天线，以L1、L3和L3频率提供全球覆盖，天线始终指向地球，从GPS卫星高度的视角为27.7度，指向误差控制在小于±0.015度以内，因此，具有足够增益、视角大于28度的固定波束天线可GPS卫星的要求。图14示出了GPS-2R卫星天线阵；表5列出了GPS-1、2/2A和2R三种卫星型号天线设计技术性能指标比较。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa17.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa18.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa19.jpg" border="0"></center>　　星间链路GPS-2R卫星的重大改进是增加了星间链路，以提供各卫星之间的通信和测距。为此，每颗GPS一级卫星上都装有一个用于星间链路通信与测距功能的互联转发器数据单元（CTDU）。它有双重功能，一是为星上自主导航和在2R卫星间交换自主导航状态矢量数据；二是限于导航数据生成（NDS）系统的数据交换。自主导航负责向用户接收和提供星上计算的导航参数，自主导航状态矢量信息包括开普勒轨道参数和星钟状态数据两部分。由于GPS星座系统中目前仍在轨工作的GPS-2A卫星设有星间链路功能，因此现有GPS星座只是提供了一种能在没有地面控制段参与的180天期间保持自主导航的能力，在轨期间的用户测距误差（URE）仍能保持小于6m。图15~16示出了GPS-2R星间链路互联转发器数据单元外观图及其顶层功能方框图。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa20.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa21.jpg" border="0"></center>　　自主导航　　在GPS-2R之前所有型号卫星都没有自主导航功能，所有卫星广播的导航信息都由地面控制段同上行注入站每天注入一次。在这些导航信息中包含的星钟与星历参数都是基于控制段的当时估算进行预报的，而GPS-2R卫星的重大改进就是能够在星上自动预估星钟与星历参数，并生成导航信息。这种能力叫作自主导航或自动导航（AutoNav），其方框图如图17所示。美国开发自主导航能力的主要动机有如下四方面：　　一是提高GPS系统的生存能力。美国认为地面控制段是GPS系统中的薄弱环节，一旦遭到攻击将使整个系统瘫痪。自主导航能保障GPS在失去地面支持的条件下，自主运行180天，且能满足导航精度要求；这种能力还允许任一地面监控站永久损失而不影响正常的导航功能。　　二是减少上行注入要求。上行注入站上只需发送很少数据。　　三是完好性。星间链路测距功能提供了一种能与其星钟和星历参数比对的独立参考基准。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa22.jpg" border="0"></center>　　四是精度。由于自主导航功能能够每小时4次更新星历与星钟参数，和现有的每天更新一次相比，将有助于改进导航精度。　　1.8GPS Block-2RM卫星（有效载荷和能力的分析）　　为满足增加信号和增加信号发射功率的要求，洛马公司对GPS-2R卫星进行了改进。卫星改进的主要内容如下：　　第1，采用洛马公司的专利技术对天线系统进行了重新设计，采用了新的天线布局；以适应增加新信号和提高发射功率的要求；　　第2，以宽带器件替换了原天线系统的L频段器件，以满足M码信号对带宽的要求；　　第3，采用了更大功率的功率放大器/转换器，采用了新的波形发生/调制/转换设备，优化了波形；　　第4，重新设计了L频段子系统，以三个多功能组件替换了原L1和L2频段的五个部件，可对波形发生器进行重新编程，实现了对不同信号的发射功率的重新分配。　　经此改进，L1和L2频段信号的发射功率分别提高了5db、6db。GPS-2RM卫星硬件的改进情况见图19。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa23.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa24.jpg" border="0"></center>　　GPS-2RM导航信号的变化　　增加新的导航信号是GPS系统现代化的重要组成部分，从上表可以看出，新增的信号包括L1和L2频段的M码军用信号和L2与L5频段的民用信号。增加新信号的目的有两个：其一，增强、提高GPS系统的导航战能力。其二，提供更高精度的民用导航信号，提高GPS系统的竞争力，占领全球民用导航市场。　　民用信号　　GPS现代化计划中，增加了L2和L5频段新的民用信号。L2频段的民用信号将与L1频段的民用信号基本相同，但L2频段信号比L1频段信号功率低2.3dB，而L5频段民用信号将比L1频段民用信号增加3.7dB，使民用用户可以采用双频接收机，实现电离层等误差修正，极大地提高民用导航精度。同时L2与L5频段民用信号增加了前身误差修正功能，提高了导航精度。L5频段信号将主要用于民用航空导航。GPS系统民用信号参数下下表。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa25.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa26.jpg" border="0"></center>　　军用M码信号　　1997年至1998年，由美国导航星全球定位系统联合计划办公室牵头开展了L1和L2频段新军用信号的设计研究。在全面考虑了若干完全不同的信号结构、信号调制方案和发送该信号的卫星等各方面的因素后，得出了如下结论：　　a　频率复用是完全可行的，L1和L2频段可同时播发C/A码、P(Y)码和M码军用信号，频段的中心供民用信号使用；　　b　新军用信号的调制将采用“分离频谱”(split spectrum)技术，该技术可使信号的大部分能量集中在分配给它的频段的边缘；　　c　偏置载波调制是最佳选择，通过与射频电路和卫星天线的结合，使新的军用M码信号具有明显的优势。1998年，导航星全球定位系统联合计划办公室成立了全球定位系统现代化信号设计专家组，进一步检验调制方案，同时进行M码信号其它组成部分的设计工作，包括信号的获取方法、新的数据信息格式和安全结构等。1999年8月，设计结果由联合计划办公室提交给全球定位系统独立审查小组（IRT）。独立审查小组批准了该设计，同时对该设计及其设计与评估过程给予了高度评价。　　按导航战和GPS现代化的要求，M码信号应当且必须具有比P(Y)码更强的抗干扰能力，这一点主要靠提高M码信号的发射功率实现，但不能对C/A码和P(Y)码接收机产生干扰。具有防止敌方使用GPS的能力，在提供更强的信号获取能力的同时，具有良好的排它性、可靠性和保密性、安全性。M码信号必须具有比P(Y)码更高的性能和更高的灵活性。　　与此同时，M码信号必须与L1和L2频段现有信号共存，不能对目前和未来的民用或军用用户设备构成干扰，也就是说，M码信号必须是简单的、低风险的。并具有尽可能高的功率效率。　　M码信号的特性　　在规定的范围内，M码的信号基本可以满足上述要求。M码信号采用BOC（二元偏置载波）调制方案，其子载波频率为10.23MHz，扩展码速率为5.115Mbits/s，表示为BOC(10.23, 5.115)（简写为BOC(10, 5)）调制。扩展码和数据调制为二元调制，信号只占用载波的一个相位积分信道。扩展码是由信号保护算法得出的伪随机位串，没有明显的结构和周期。通过用户设备可以直接获得M码导航信号。与前向误差控制技术相结合，M码的数据信息在内容、结构和位速率等方面提供相当大的灵活性，在不同的轨道平面、不同的卫星、甚至同一颗卫星上的不同载波上可以配置不同的数据信息，实现相当高的操作灵活性。　　在卫星的射频系统和天线设计可以满足要求时，一颗卫星即可以相同的载波频率发送两种不同的M码信号。因而可以实现同时发送一个小功率、宽覆盖信号和一个大功率、点波束信号，宽覆盖信号的功率为-158dBW，点波束信号的功率为-138dBW，使其具有更强的抗干扰能力。　　M码、C/A码及P(Y)码信号功率谱密度见图21。BOC(10,5)的自相关功能，严格地限制在24MHz的带宽内。其波形尖锐的形状能够实现高精度的码跟踪和良好的多路径解决方案。在白噪声中，M码信号测距系统的伪距离误差是Y码信号的大约三分之一，能够提供更优异的导航性能。M码信号的安全设计采用新一代加密技术，且用于BOC(10,5)调制的二进制码的顺序具有不可辨认的特性，使M码信号具有更高的安全性。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa27.jpg" border="0"></center>　　M码信号在美国GPS系统现代化计划中有相当重要的地位与作用。美国GPS系统现代化计划的目标是以提高导航战能力和提高民用导航精度，占领全球民用导航市场。军用M码信号是提高导航战能力最重要的措施之一，以点波束形式发射的M码信号可使导航信号的功率增加20dB，使M码军用信号具有比Y码更强的抗干扰能力，同时通过提高M码军用信号的发射功率还可增强C/A码和P（Y）码的接收机的抗干扰能力。　　由于不同轨道面、不同卫星，甚至同一颗卫星上以不同载波频率发射的M码信号的数据信息不同；由于BOC(10,5)调制的二进制码的顺序具有不可辨认的特性，并采用新的加密技术，使M码信号具有更高的安全性、保密性、可靠性和排它性。一方面，美国及其盟国获取、使用M码信号的能力得到了有效的保证；另一方面，可以限制、阻止和拒绝敌方使用GPS系统，这正是导航战的要求。　　与P(Y)码信号相比，M码信号具有更高的信号带宽和导航精度，其伪距测量误差只有P(Y)码的三分之一；新的导航信息格式具有极大的灵活性，可实现战时的重新调整；无需引导的信号直接获取能力等无一不使M码信号在GPS现代化计划中占有重要地位和作用。　　正是由于M码信号的重要性，为保证GPS系统的安全与优势，在美国与欧洲于2004年6月26日签署的《关于促进、提供和使用伽利略和GPS星基导航系统及其相关应用的协议》中，专门就GPS与伽利略系统的导航频率与导航信号签署了附件：《GPS与伽利略信号结构》，对L1频段采用BOC调制方式的GPS和伽利略信号导航参数（副载波频率和扩展码速率）进行了分配，其理由是“确保国家安全的相容性”。正如美国空军GPS联合计划办公室Brian C.Barker等人指出的那样“M码信号是今后十年军用GPS应用与发展的核心”。　　1.9GPS Block-2F卫星（有效载荷和能力的分析）　　1996年，美国空军将GPS-2F卫星的研制合同授与了波音公司。按照最初的计划，美国空军将最多采购33颗GPS-2F卫星，以保证GPS系统稳定、可靠地运行。GPS-2F卫星见图22。　　1999年1月25日，时任美国副总统的戈尔以文告的形式提出了GPS系统现代化的概念。此后，美国军方与波音公司发表的文章阐明了GPS系统现代化的内涵，即：一是保证，GPS现代化是为了更好地保证美国及其盟国能够更加有效地使用GPS，要发展新的军用信号，增强军用信号的保密能力，增强抗干扰能力，实现军用信号与民用信号的彻底分离；二是拒绝与阻止：这里包含两层含义，即拒绝与阻止敌方使用GPS，同时阻止敌方使用任何其它天基定位、导航与授时系统；如施加干扰等；三是保持，即保持美国在卫星导航领域的主导地位和技术优势，同时为战区外的民用用户提供有更精确、更安全的天基定位、导航与授时服务。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa28.jpg" border="0"></center>　　2002年3月13日，美国空军批准了波音公司的GPS-2F现代化计划，首颗现代化的GPS-2F卫星计划于2006年发射。与原计划中的GPS-2F卫星相比，现代化的GPS-2F卫星的主要变化是：1) 在L1与L2频段，增加与民用信号完全分离的新的M码军用信号；2) 在L2与L5频段增加新的民用信号L2C和L5C；3) 增加星上信号功率调整能力；4) 增加星上可重新编程能力；5) 卫星寿命调整为12年。　　2003年6月23日，波音公司的GPS-2F卫星通过了由美国空军组织的综合基线评审，从此，波音公司开始的GPS-2F卫星坎坷的研制历程。GPS现代化计划实施后，GPS-2F卫星的采购数量减少到12颗。　　2010年5月28日，首颗GPS-2F卫星发射成功，并于2010年8月27日投入运行服务。　　GPS-2F卫星由波音公司领导的团队合作开发，在GPS现代化计划中起着承上启下的作用。美国空军共采购了12颗GPS-2F卫星，在经历了一系列的拖延之后，2007年9月波音公司完成了第1颗GPS-2F卫星硬件的全部组装工作。GPS-2F卫星分解图见图23。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa29.jpg" border="0"></center>　　GPS-2F卫星采用模块化设计，质量1672kg，三轴稳定姿态控制，设计寿命12年，有效载荷功率是GPS-2R卫星的2倍，达到2440kW。在GPS-2RM卫星L1C/A、L1P(Y)、L1M、L2C/A、L2P(Y)、L2M导航信号的基础上，GPS-2F卫星增加了L5频段的第3个民用信号，中心频率为1176.45MHz。主要为民用航空领域提供高精度的导航服务。同时，GPS-2F卫星实现了导航信号功率可调的目标，使之具有更强的抗干扰能力和阻止敌方使GPS信号的能力。　　GPS-2F卫星星钟　　GPS-2F采用由美国海军研究试验室开发的数字化星钟技术，提高了星钟的稳定性，使GPS-2F星钟系统的日误差达到8ns。GPS-2F卫星的星钟系统由1部铯钟和2部铷钟组成，铯钟由Datum-Beverly公司研制，铷钟由Perekin Elmer公司研制。GPS-2F卫星铷钟与铯钟的技术指标见表7。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa30.jpg" border="0"></center>　　GPS-2F卫星采用的铯钟由Datum-Beerly(以前的FTS)公司在其开发的商用数字化原子钟的基础上研制。数字化铯钟技术的开发由GPS联合计划办公室与海军研究试验室发起，并进行了可用于空间的原子钟数字化技术应用的原型验证。随后，波音公司接手了该项目，波音公司相信新的数字化铯钟将满足GPS-2F卫星的要求。这是在GPS不断的支持下进行研究与开发，将商用技术应用于航天领域的成功范例。GPS卫星星钟的发展过程见表1。　　Perkin Elmer公司和海军研究试验室联合发展了先进的数字化铷钟技术。该计划采用经空间验证的铷钟技术和数字化星钟技术，并按下述方式进行： 　　(a) 采用先进技术逐步改进物理部分，包括已经应用于战术铷钟或在GPS-2R和实施现代化改进前GPS-2F星钟研制中积累的经验；　　(b) 采用先进的6.8GHz信号源，彻底改进星钟的电子部分，直接实现数字信号的合成，数字伺服回路和微处理器监测及重要星钟参数的控制。　　最终希望星钟的稳定性达到原GPS-2F星钟的2倍。新的星钟也将更便于生产、检查、试验与校正。同时，新的铷钟将具有较小的老化系数和较低的环境敏感度(特别是对温度)，从而降低技术风险，提高GPS-2F星钟的整体性能。　　GPS-2F卫星太阳电池　　为满足GPS-2F增加导航信号和增加信号功率的要求，GPS-2F卫星采用了新的太阳电池。该太阳电池由ABEL公司研制，电池阵总质量54.93kg，寿命末期仍可提供2610W的功率，设计在轨工作寿命12年，并可在地面存贮8年。　　GPS-2F卫星太阳电池采用碳纤维双翼结构，每个太阳电池翼由三块太阳电池板组成，收缩状态频率>35Hz，展开状态频率>0.28Hz，重量121磅，GalmP/GaAs/Ge或硅光电池。　　为了降低研制风险，GPS-2F卫星太阳电池采用成熟技术，简单、易于修改的接口与经飞行验证的部件和程序；使太阳的交付时间缩短为11~16个月，并改进了太阳电池的装配程序。　　L5C信号与信号功率可调　　L5C是GPS系统播发的第三个民用导航信号，中心频率1176.45 MHz，带宽24MHz，码速率10.23Mcps，主要用于民用航空导航。与L1和L2频段的民用信号相比，L5C信号信号具有更高的可用性和完好性。此外，美国GPS广域增强系统(WAAS)也将引入L5C信号。因此，L5C信号的引入将为民用航空用户提供更可靠、更安全、更高精度的服务。　　信号功率可调是GPS系统提高抗干扰能力的一项重要措施。随着GPS信号干扰技术的不断发展，GPS信号干扰已经对GPS服务的使用，特别是军用信号的使用构成了严重威胁，解决军用信号抗干扰问题，提升导航战能力就成为了GPS现代化的核心。为此，美国首先在GPS-2RM卫星开始增加了新的M码军用信号，实现了GPS军用信号与民用信号的完全分离；又在GPS-2F卫星中实现了信号功率可调，使M码军用信号最大功率达到-147dBW，远高于P(Y)码军用信号-158dBW，进一步提高了军用信号的抗干扰能力。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa31.jpg" border="0"></center>　　GPS-2F卫星研制挫折不断　　GPS-2F卫星的研制发生了严重的拖延。按计划，应于2006年发射首颗GPS-2F卫星推迟到2010年，拖延了近4年，经费超支超过9亿美元。　　GPS-2F卫星没有采用GPS-2RM卫星采用的现场可编程门阵列技术，而选择了专用集成电路(ASIC)。波音公司设想将M码相关功能全部功能融入到一个ASIC芯片中，因而在ASIC芯片设计的优化中耗费了大量时间。最终，波音公司不得不为GPS-2F卫星的军用M码信号设计了两个ASIC芯片，因而增加了芯片间接口的复杂性。此后，因GPS-2F和GPS-2RM卫星的M码之间存在不协调的问题，GPS-2F的设计不得不进行修改，从而进一步拖延了GPS-2F卫星的进度。　　2009年3月在进行首颗GPS-2F卫星最后的热真空试验的数据审查时，发现该卫星的L2发射机部件设计余量不足，不能在整个设计寿命期间以要求的最大功率工作，这一问题影响到L2频段的所有信号。问题发生后，波音与ITT公司的技术人员设计了多个解决方案，最终解决了该问题。然而，该问题的出现使GPS-2F卫星的首次发射再次延期。　　2009年5月，GPS联队总工程师大卫格达斯坦中校表示，3月24日发射的首颗载有L5频段演示有效载荷的GPS-2RM卫星正在进行测试。测试结果表明该卫星伪距误差比预期要大，这表明该卫星的L1和L2频段信号存在问题。研究表明，该卫星的信号畸变是永久性的，造成该问题的主要原因是L5频段演示载荷。目前，该卫星仍在进行测试，尚未投入正常的运行服务。该问题的出现使GPS-2F卫星的首次发射再次推迟。　　虽然，GPS系统的发展采取了循序渐进的策略，但航天高技术所固有的特性决定了GPS系统的发展不会一帆风顺。按照兰德公司的分析，造成GPS-2F计划拖延的原因是承包商能力不足与国家安全局低估了GPS现代化的复杂性。同时，对于GPS-2F还存在承包商缺乏相关领域的知识与经验和承包商项目基础的稳定性不足等。波音公司均是全球经验最丰富、技术实力最强大的航天器开发商之一，且在GPS卫星研制方面积累了丰富的经验，但在GPS-2F卫星的研制过程中仍遇到了众多的问题，造成了计划的严重拖延与经费超支。　　目前，GPS星座老化十分严重，11颗GPS-2A卫星处于严重的超期服役状态，美国总审计署对此表示了极大的担忧。首颗GPS-2F卫星的成功发射，有助于改善GPS星座的状态，提升GPS系统的性能，增强GPS系统的竞争能力。　　在美国GPS现代化计划中，GPS-2F卫星占有重要的位置，是向GPS-3过渡的最后型号。最初美国空军计划采购多达33颗GPS-2F卫星，在GPS-3卫星投入服务前保证GPS系统的服务。　　2006年7月6日，美国空军与波音公司又签署了一份增购3颗GPS-2F卫星的订货合同，使GPS-2F卫星的订货数量达到了12颗。同时，第1颗GPS-2F卫星的发射也推迟到2009年。　　GPS-2F是美国GPS现代化计划非常重要的组成部分，与GPS-2RM相比，GPS-2F增加了L5频段的民用信号，中心频率为1176.45MHz。这是一个高精度的导航信号，主要用于民用航空领域。星上采用了更加先进的原子钟和太阳电池板。GPS-2F的星钟系统由4部铯钟、铷钟组成，并采用美国海军研究实验室开发的数字化星钟技术，进一步提高了星钟系统的稳定性，使GPS-2F星钟系统的误差达到每天8ns的等级。同时，为满足增加导航信号和增加信号功率的要求，GPS-2F卫星采用ABLE公司开发的新型太阳电池板，该电池板重约54.93kg(121磅)，设计在轨工作寿命为12年，并且可以在地面贮存8年。即使在寿命末期，该电池板仍能够提供超过2610W的功率。有消息称，经现代化改进的GPS-2F的寿命由15年缩短到10~12年，ABLE公司开发的新型太阳电池板12年的在轨工作寿命也证明了这一点。　　随着GPS现代化计划的进展，以及GPS系统政策等相关因素的变化，美国空军已在不断地调整GPS卫星的采购计划。按目前的计划，GPS-IIRM的采购数量为8颗，除已经于2005年9月25日和2006年9月25日发射的2颗GPS-IIRM卫星外，今后2~3年内，还将采购、发射6颗GPS-IIRM卫星。　　2006年2月，波音公司宣布成功地完成了第1颗GPS-2F卫星的电磁兼容性试验与干扰试验,2006年10月，波音公司首次交付了GPS-2F卫星的陀螺套件，完成了首个导航数据单元的最终验收试验及软件认证。　　2005年以来，GPS-2F卫星的现代化计划遇到了计划和技术上的一系列问题[3]。GPS-2F卫星的采购数量也由原来的33颗减少到16颗，目前已经签订采购合同的有12颗，第1颗GPS-IIF卫星可能要推迟到2009年发射。美国空军宣称，M码专用集成电路设计的复杂性、用于装配、集成与测试工作的力度及负责导航有效载荷承包商产品交付的延期是造成GPS-2F现代化计划拖延的主要原因。　　1.10GPS Block-3卫星（有效载荷和能力的分析）　　2008年5月15日，美国空军授予洛马公司价值14.64亿美元的合同，研制、生产8颗GPS-3A卫星，标志着GPS-3计划正式进入工程实施阶段。洛马公司领导的团队由洛马公司、ITT公司和通用动力公司组成，分别承担卫星、有效载荷等的研制任务。2004年12月8日，美国总统布什发布了美国新的天基定位、导航与授时系统政策，确定了美国天基定位、导航与授时系统发展的6大目标，即：　　1) 提供不间断的定位、导航和授时服务的可用性；　　2) 满足国家安全、国土安全、经济安全、民用需求和科学与商业需求的增长；　　3) 保持卓越的军用天基定位、导航和授时服务；　　4) 连续地提供优于或与国外民用天基定位、导航和授时服务及其增强系统相比有竞争力的民用服务；　　5) 保持其国际公认的定位、导航和授时服务的基础性地位；　　6) 提高美国在天基定位、导航和授时服务应用领域的技术领先优势。　　在俄罗斯GLONASS系统不断恢复，欧洲伽利略系统彻底解决了投资问题，系统建设加快进行的情况下，美国独霸或垄断全球导航卫星系统和市场的局面将不复存在，美国不得不退而求其次，希望借助技术壁垒和先发优势，保持美国在导航卫星系统及应用领域的领导地位，即实现如下三个目标。　　第一，卓越的导航战能力。这是美国GPS现代化计划的核心，即保持卓越的军用天基定位、导航与授时服务，实现对敌方使用天基定位、导航与授时系统拒绝与阻断能力；　　第二，成为全球民用导航卫星市场的领导者。提供领先的或有竞争力的民用导航服务，引领民用导航服务的发展，借助先发优势，巩固、加强GPS民用服务在全球民用导航服务市场的基础性地位。　　第三，成为全球导航卫星领域的标准制订者。以美国在导航、定位与授时领域的技术优势和先发优势为基础，使美国成为全球导航卫星领域的标准制订者，使美国成为全球导航卫星系统发展的最大受益者。美国与欧盟、俄罗斯达成的关于兼容性与互操作性的协议，正是美国以兼容性和互操作性为切入点，实现其成为标准制订者目标的重要步骤。　　因此，GPS-3计划就是要实现使美国具有卓越的导航战能力、成为全球导航导航卫星市场的领导者和全球导航卫星领域标准制订者的目标，在导航卫星领域迅速发展的今天使美国成为最大的受益者。GPS-3计划完成后，美国GPS系统将提供水平0.5m、垂直1.2m的定位与导航精度，授时精度将达到1.3ns，具有灵活的信号功率分配能力，并提供高达20dB的区域增强能力，星-星与星-地间通信能力达到100Mbit/s。　　GPS-3A将采用洛马公司的A2100M平台，A2100平台系列具有非常高的可靠性，经历了严酷的空间环境的考验，采用A2100系列平台卫星多达数十颗，累计飞行时间已经超过了200年，表现出极高的可靠性。图25为采用A2100平台的格鲁达-1(Garuda 1)卫星。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa32.jpg" border="0"></center>　　A2100M平台是洛马公司发展的三轴稳定静止轨道卫星平台，可提供Ka、C、UHF、L、S频段的通信与广播服务。A2100M平台为符合美国军用标准的军用卫星平台，已经广泛地为美国新一代军事航天系统采用，如天基红外系统(SBIRS-GEO)、移动用户目标系统(MUOS)、先进极高频系统(AEHF)等均采用A2100M平台。同时A2100平台采用模块化设计方法，简化了平台结构，增加了在轨可行性，同时也降低了平台的重量和成本，也为未来GPS-3B、GPS-3C卫星的发展奠定了基础。　　A2100是一个平台系列，从最小的A2100A，到最大的军用A2100M，其能力有较大的变化。最大电源功率达到15kW，即使是最小的A2100A电源功率也达到了4kW，设计寿命达到15年。由于采用模块化设计方法，平台的组成及其灵活性、可扩展性大大增强，采用A2100系列平台卫星的入轨质量均超过2000kg，采用军用A2100M平台的卫星甚至超过了6500kg，完全可以满足GPS-3卫星发展的要求。　　选择A2100M做为GPS-3A卫星的开发平台即符合GPS系统发展的一贯原则，即在继承基础上发展的原则，同时也将大大降低GPS-3A卫星的开发风险和成本。　　A2100系列是一个成熟的卫星平台系列，采用A2100系列平台卫星的累计飞行时间已经超过了200年，经过了充分的空间飞行验证，具有很高的可靠性。因此，选择A2100平台将大大降低GPS-3A卫星的开发风险。同时，由于A2100系列采取模块化的设计方法，从而在平台配置、功能选择等方面具有足够的适应性与灵活性，并可大大缩短卫星的研制周期(A2100平台在接受订单后18个月即可交付)，从而降低卫星的研发成本。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa33.jpg" border="0"></center>　　GPS-3是美国GPS现代化计划的最后阶段，也是实现2004年发布的美国天基PNT策略重要的环节。　　2007年初，洛马与波音公司分别完成了GPS-3卫星需求定义研究，但是为进一步降低GPS-3发展过程中的风险，增强GPS卫星系统设计的可靠性，验证相关技术的成熟度，美国空军分别授予洛马与波音公司价值5000万美元的合同，开展GPS-3风险降低与系统设计工作，最终于2008年5月将GPS-3A合同授予了洛马公司。　　2009年3月，洛马公司及其领导的团队通过了空军GPS-3A初步设计审查(PDR)71个项目中的61个，主要包括L频段信号发送设备、天线、太阳电池阵、功率调节单元、姿态控制单元与跟踪、遥测与指挥单元等，表明GPS-3A卫星的研制工作进展顺利。　　GPS-3计划分三个阶段实施，按卫星划分即为GPS-3A、GPS-3B和GPS-3C，共包括GPS-3A卫星8颗，GPS-3B卫星8颗，GPS-3C卫星16颗。　　GPS-3的发展秉承GPS卫星发展的一贯宗旨，即在继承中发展，在发展中继承的原则，循序渐进，在保证系统目标实现的同时，最大程度地降低系统发展的风险(GPS-3发展路线图见图3)。　　按计划，在GPS-2F卫星全部能力的基础上，GPS-3A卫星将增强军用M码信号对地球的覆盖，在L1频段增加与伽利略系统完全兼容、并具有互操作性的L1C民用信号，且GPS-3A卫星所采用的洛马公司的A2100平台将作为GPS-3C发展的基础。同时，特别值得关注的是GPS-3A卫星将开展GPS星间链路的演示与验证工作，为GPS星间链路的建立奠定基础。　　与GPS卫星已经具有的星间链路不同，GPS-3卫星星间链路采用Ka频段(原为UHF频段)，星间链路的信号播发方式也由广播式改为点对点的传输，大大提高了安全性。星-星与星-地间的通信能力也提高到100Mbit/s。　　除具备GPS-3A的全部能力外，GPS-3B卫星将增加星间链路能力，从而提高GPS系统导航服务的精度、完好性，以及导航战所要求的指挥与控制能力。此外，GPS-3B还将采用高速上、下行链路天线，并增加搜索与救援功能，为国际搜索与救援服务提供支持。同时，GPS-3B将开展导航战点波束能力的在轨演示与验证工作，为GPS系统最终具有点波束能力进行最后的验证与确认工作。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa34.jpg" border="0"></center>　　除具备GPS-3B的全部能力外，GPS-3C卫星将实现支持导航战的点波束能力，具有灵活的载荷配置能力，完好性监测能力，并增加空间环境探测有效载荷。　　继承与发展－GPS发展的永恒主题　　从GPS现代化计划的发展过程中，我们既可以清晰地看到GPS卫星继承-发展的脉胳。　　第一步，在GPS-2R的基础上，GPS-2RM只增加了L2频段的L2C民用信号和L1与L2频段的2个M码军用信号，并增加了信号功率，增强抗干扰能力。　　第二步，GPS-2F在GPS-2RM的基础上，在L5频段增加第3个民用信号L5C。　　第三步，GPS-3A在GPS-2F的基础上，增强军用M码信号的覆盖，增加L1C民用信号，并开展星间链路的试验与验证。　　第四步，GPS-3B在GPS-3A的基础上，增加星间链路能力，采用高速上、下行天线，增加搜索与救援服务能力，并开展点波束能力的在轨验证工作。　　第五步，在GPS-3B的基础上，增加导航战点波束能力，增加完好性监测能力，实现有效载荷的灵活配置，并增加空间环境探测有效载荷。　　从上面五个步骤不难发现，GPS现代化发展的策略—在继承中发展，发展中继承，循序渐进，稳步提高。不论是GPS-2R、GPS-2F卫星的现代化，还是GPS-3卫星的发展都不可能脱离GPS卫星的原有基础，因此继承构成了GPS卫星发展的基础。同时，我们不难发现循序渐进的策略有效地降低了GPS系统的发展风险，提高了GPS卫星的可靠性，这也是GPS系统能够获得巨大成功的重要基础。<center><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa35.jpg" border="0"><img src="http://www.taikongmedia.com/Item/images/usa36.jpg" border="0"></center>

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