美高梅mgm平台GPS即将更新换代,GPS技术的三大趋势

[据美国科学网站8月25日报道]
依赖于美国位于地球2万公里轨道的导航卫星24小时发射的信号,目前有将近2千万人经常用到全球定位系统(gps)。尤其是在阿富汗和伊拉克战争期间,GPS被证明是必不可少的。
每天,运输公司要跟踪交货的卡车,而运输司机通过手持的GPS接收器来穿越荒野。摩托罗拉公司和其它的公司正在制造适合GPS芯片的移动电话。有一家公司甚至正在设计一种微型可移植GPS传感器。美国政府已经开始研究下一代卫星导航技术——GPS
III。目前正在使用的是第二代GPS系统。第三代GPS的目标是获得更好的准确性和可靠性。很快美国空军将发布将近2年开发期价值2500万元美元的合同。GPS
III的首次发射可能在2010年初进行。数十亿美元项目的竞争者包括波音和洛马与光谱航天美高梅mgm平台,公司的联合体。
斯坦福大学GPS实验室主任Per
Enge说,GPS技术近期有三大趋势。第一个大趋势就是频率分集,实际上已经正在第二代GPS系统周期替换老化卫星过程中进行。完成以后,现代化的卫星星座将为民用用户提供三种新的定位信号。而且,为美国军队提供的另外两个高功率信号能更好地抗干扰。第二个大趋势就是克服射频干扰。GPS广播的功率特别低,相当于5个灯泡的功率。如果被接收信号的功率是10到16瓦,那很容易就会被周围的射频器信号淹没。GPS接收器通过把接收到的测距码与储存在本地的复制码的相位进行匹配来穿透噪声。当波的相位正好一致时,接收器就能够以定时信号作为精确的参考,因此就可以准确的定位。第三个大趋势就是,安装保证定位误差小于某一个特定值的综合机械系统。采用微分GPS技术,系统将获得来自地球同步轨道通信卫星的最新误差校正信息。修正数据来自于地面参考接收器。过去GPS的误差为2米,现在就更小了。

GPS Capability Will Improve with Launching More New Satellite
Models韩世杰GPS星座的更新换代将从2005年3月份发射第一枚ⅡR-M型卫星开始。与此同时,GPS接收机也在更新。如果美国和欧盟能够按照签订的协议走下去,使欧洲的伽利略导航卫星与GPS具有一定互操作性,全球卫星导航系统将会向前迈出一大步美国GPS的更新主要是通过新的卫星发射更换已经”超期服役”的卫星。技术上的进步使新卫星具有更高的精度、完整性和安全性以及更好的抗干扰性能。GPS的状况与变化目前,在轨道上运行且能工作的GPS卫星已达到29颗,是GPS发展以来最多的。而2004年10月初发射的一颗洛克希德·马丁公司制造的ⅡR-13卫星使这个数目增加到了30颗。与GPS星座以新换旧的同时,GPS接收机也在更新换代。例如,军用GPS手持接收机一贯比较笨重,而且只有文本显示,这些一直落后于民用手持接收机。但随着罗克韦尔·柯林斯公司制造的”防务先进GPS接收机”于2004年7月的首次交付,美国军用手持GPS接收机也已开始更新换代。DAGR接收机的体积和重量只有原先PLGR接收机的一半,而且具有四色调的黑白图形屏幕来显示地图和照片。DAGR摒弃了PLGR昂贵而笨重的二氧化硫锂电池,而是采用四节普通的5号电池。单是电池上节省的钱就超出了购买DAGR的费用。现在轨道上运行时间最长的GPS卫星已有14年的寿命,但其设计寿命只有7年。寿命长固然很好,但也会产生不利影响,即推迟了改进型卫星的发射。2007年底前,预计有12颗卫星将发生故障,因此美国估计在这一期间每年将发射4颗新卫星。GPS卫星易产生故障的部件包括原子钟、反作用轮,其太阳能电池板的性能也易降低。第一颗高性能的卫星是洛克希德·马丁公司的ⅡR-M。ⅡR-M是在ⅡR基础上改进的卫星,能发射额外的民用和军用信号,用于精度和可靠性要求较高的服务。它还增加了”灵活功率”能力,以便在两个军用码,即P码与M码间分配发射功率。因采用了性能较好的原子钟,ⅡR型导航距离误差已从原有星座的3米下降到平均1.25米。所有的ⅡR型卫星都已造好,它们之中最后的8颗将改成ⅡR-M型。其修改将包括安装一块效率更高的天线板,并打开一些侧板,放入新的调制和发射电子装置。已为GPS分配了L波段中的3个频率,称为L1、L2和L5。其扩频编码频率围绕这三个中心频率,但它到达地球时的信号强度要比噪声低很多。GPS接收机之所以能探测出这些微弱的信号是因为它们知道代码,从而可获得额外的处理增益。目前民用信号仅放在L1上,而军用的”P码”信号则放在L1和L2上。无线电波在电离层中的传播速度不同是GPS主要的误差源,监听多个频率有助于减小这种误差。民用码的长度为1023比特,而且每秒重复1000次,而P码是伪随机的,而且更长,可给出更高的处理增益,但需要用知道这个码的军用接收机。ⅡR-M卫星将在L2上增加民用码,以得到更好的电离层修正。它还在L1和L2上增加了新的军用”M码”的发展型。M码与中心频率的距离要比P码远,因此可比民用码强20分贝,而不干涉民用码。灵活功率选择可使输出功率在P码与M码间改变。波音公司制造的ⅡF卫星将是第一种采用L5频率,即第三个民用信号的卫星,ⅡF的M码将是工作型的M码,它是基于对ⅡR-M所用的M码发展型的试验基础上形成的。ⅡF卫星的首次发射定在2006年夏季。波音公司总共将制造12颗ⅡF卫星。GPSⅢ卫星2004年1月美国GPS联合项目办公室同波音公司和洛克希德·马丁公司分别签订了2000万美元的两年合同,研究对GPSⅢ的要求,设计候选结构,并检验寿命期费用。GPSⅢ的A阶段合同将在2005年5月至6月间随对系统要求的评审而结束。这些评审将导致在下一阶段即B阶段提出设计,并研究风险更大的一些问题。B阶段的招标书预计将在2005年11月发出,其合同定于2006年中签订。这样的进度不算快。因为第一颗GPSⅢ卫星要到2012年~2013年才准备发射。GPSⅢ的特点为包括一个点波束,以增加大范围的M码的功率,提高抗干扰能力。ⅡR-M所用的灵活功率措施只能将信号强度增加几分贝,而点波束则能增加几十分贝。GPSⅢ星座还具有卫星交叉链路,将导航和定时更新值在数分钟内传遍系统,而不是现在需要几小时从地球上直接同每颗卫星进行联系。这种交叉链路还把有关导航完整性问题的信息中继给用户。目前的GPS星座具有UHF交叉数据链,但它们只能中继卫星上携带的核爆炸探测器的告警信号。保证导航完整性的要求实现起来较为复杂。美国的WAAS和欧洲的EGNOS系统都采用另外的卫星来检验和告警完整性,但GPSⅢ星座在其自己的星座中就有这种功能,而认证完整性是GPSⅢ最难解决的问题,当出现坏信号时,需要在5.2秒时间内通知用户。此外,交叉链路还用于为点波束指向及星座的保护。GPSⅢ的军用和民用用户都可获得较高的导航精度,其固有信号将具有优于1米的精度,即使在所有误差源都存在的情况下,民用用户也能获得1~3米的精度。GPSⅢ的设计人员试图在卫星中包括可从地面改进卫星采用软件和星上的数字信号处理设备的措施。其中天线将是一个技术关键,正在研究采用”灵巧天线”技术。另外,因为美国国防部不能控制系统的用户,因而可能会采取措施阻止战场区域GPS的民用,而不降低那些地方GPS的军用精度,和其他地方GPS的民用。为此,M码在频谱上被分成两部分,这样就可在局部地区对民用捕获码进行干扰而不影响M码。确定GPS干扰机的位置GPS很易受到敌方干扰,这对卫星和军用GPS接收机抗干扰能力提出了迫切的要求。
解决干扰问题还有另一种方法,即确定干扰机的位置并加以摧毁。虽然对干扰机进行测向是一项相当成熟的技术,但要对GPS干扰机进行测向则增加了新的难度。因为实施GPS干扰的信号很弱,接近背景噪声,因此普通的测向设备找不到它们。
鉴于GPS的重要性,且美国没有测定GPS干扰机位置的手段,故美国国会要求五角大楼发展一种能测定GPS干扰机的机载样机。一个称为LOCO
GPSI的项目应运而生。这个项目是美国海军航天和海战系统中心在SAIC公司的帮助下实施的,在1997年与2003年之间进行了三次试飞,它能探测出微弱的GPS干扰机并进行定位,总费用约2000万美元,其硬件则由Falcon公司制造。地球上的民用GPS捕获信号约为15分贝,弱于噪声背景,GPS接收机利用信号代码的知识把信号从噪声中寻找出来。接收机离不能捕获信号只有3~4分贝的裕量,军用信号则有较大的裕量。但无论在哪种情形下,干扰机只用比背景稍强的干扰就能破坏GPS接收机的接收。LOCO
GPSI系统安装在一个吊舱里,能自主工作。它还包括一个数据记录器和GPS/INS导航装置。其组合的接收机和DF处理机被调谐到对GPS的L1和L2频率具有高灵敏度。一个17.8厘米×17.8厘米的平板四元天线安装在吊舱的一侧,为接收机提供相位干涉信号。信号一旦高于某个门限值,接收机就能提取相位信息。LOCO
GPSI不会找实际的GPS卫星,因为它们的信号很弱,没有GPS编码增益根本探测不到。LOCO
GPSI系统2001年的首次试飞是在一架F/A-18上进行的。然后设备实行了小型化,减小到5.62千克,功耗为90瓦,以便将来安装在无人机上。这种小型化的系统2003年8月在一架F/A-18试飞。以上两次试飞都是工程试飞。第三次也是最后一次试飞是作战试飞,于2003年9月在一架F/A-18上进行。在第三次试验中,LOCO
GPSI系统需在作战环境中找出相距很近的窄带干扰机,而且同时受到多个宽波段信号的影响,而每个信号都会降低测量其他信号相位的能力。LOCO
GPSI系统在实际作战中将安装在战术无人机上,可到达离干扰机很近的地方,以获得满意的定位精度。欧洲的伽利略卫星导航系统和EGNOS系统欧洲正在发展其自己的伽利略卫星导航系统。这是因为欧洲国家如在军事上依靠美国的GPS为军用机和导弹进行导航就会受制于人。另外,卫星导航还是一个利润很可观的产业。虽然美国的GPS是免费提供的,但从GPS设备销售和有关人员工资所得到的税收又源源不断地流向美国政府。因此美国和欧洲在卫星导航上既有合作的一面,也有互相竞争和冲突的一面。美国在2004年6月26日同欧盟签订了一个协议,这将使欧洲的伽利略导航卫星与GPS多少有点互操作性,如果欧美能按签订的协议走下去,将使全球卫星导航系统向前迈出一大步。以前的伽利略频率方案将其加密的”公共管制服务”直接放在美国计划的M码频率的顶部,而新方案则将PRS进一步移向边带,以避免冲突。美国和欧盟还同意从GPSⅢ和伽利略卫星开始,在L1频带上设一个公共的新的L1C民用频率。欧盟还同意不迫使航空公司和其他卫星导航用户在欧洲运行时必须采用伽利略卫星。GPS和伽利略两种卫星导航系统加在一起,有比GPS多一倍的卫星可供用户使用,从而提高了导航精度与信号的可靠性,使卫星导航更适合一些对安全要求很高的应用,如飞机的着陆与起飞。伽利略卫星导航系统进度由于欧洲各国政治观点的差异,已推迟了一年,很难满足原定的于2008年开始服务的目标,但其计划人员仍竭力想使这个系统在2010年以前开始服务。伽利略卫星导航系统的空间部分将由30颗重约700千克的小型卫星组成,设在地球上空24000千米的中低轨道上,轨道倾角为55°。其精度比目前的GPS稍高,特别是在城市区域和高纬度区域显得更加突出。而且GPS可提供完整性信号,但提供此信号可能要收费。伽利略项目的资金来源是,验证阶段的12亿欧元将由公共经费提供,而在其22亿的部署阶段,三分之二的经费将由私人投资。伽利略项目4颗验证卫星的预算原为6亿欧元,现在估计已达到11~12亿欧元,可能还会超支。有些人认为,让私人为伽利略的部署阶段投资也有问题,但德意志银行愿意为这个项目提供15~22亿欧元的贷款,足以涵盖私人的投资。而且这个项目很有吸引力,其风险也小于其他一些大型公私合作项目。伽利略项目还将从欧洲发展的EGNOS取得技术经验和用户市场,EGNOS将用作欧洲卫星导航网的先行者。EGNOS是一种广域增强系统,由ESA、EU和欧洲空管局联合出资发展的,用来增强GPS和俄罗斯GLONASS网所提供的基本信号,使其信号完整性和可用性达到与伽利略系统相同的等级。它与其他两个卫星导航重叠网,即美国的WAAS和日本的MSAS系统具有互操作性,而且性能也与它们相仿。EGNOS的精度对于一般应用,如汽车和手机的定位将是1~2米。对安全关键应用,如飞机着陆和海上导航的分辨率优于7.7米,而且对于空中导航,其可靠性等级达到10-7,用户可在6秒钟内得到出错的告警。这些能力已在试验装置的运行中得到了证实。系统目前正在进行试验运行,它采用来自三颗卫星(ESA的Artemis卫星和国际海事卫星组织的AOR和IOR卫星)应答机的实际信号。整个地面部分,除欧洲以外的3个可靠性和完整性监控站外,已全部安装好,正在做最后试验。顺便指出,美国选手阿姆斯特朗能第六次获得环法自行车赛的冠军,其中也有EGNOS的一份功劳。EGNOS的最初运行将从2004年年底开始,其用途将逐步增多,商业应用可在2005年年中提供,而安全要求很关键的飞机精密进近将在2006年年中当系统投入全性能运行状态时实现。

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