GPS的现代化计划与第三信号L5

GPS的现代化计划与第三信号L5张玉册，梁开龙（海军大连舰艇学院海洋测绘系，辽宁大连116018）实施、发展前景以及给用户带来的影响。*后对GPS现代化计划作了评价。

概述1994年，GPS全面进入正式运行。该系统由21颗卫星组成，分布在6个平面轨道，还有3颗卫星一直处于热备份状态，总计24颗。GPS卫星总数实际上是变动的，在1998年就有27颗GPS卫星在轨道上运行。若将与赤道面倾角为55.的轨道面作为**个轨道面，则其他5个轨道面均以此为基础，彼此各以60.角度相交刚。

GPS卫星的核心是一个高质量的振荡器，它产生两个相关的波，即L频段的Ll（1.57542GHz）和L2（1.2276GHz）。GPS的信息是由相位调制技术加载在上述2个频段上发射的。这些信息包括所谓的C/A码（只在L1上）和P码或复合成Y码（在L1和L2上都有）。播发在载波L1上的信息，可以使用户在任何时刻获得GPS卫星的近似位置（广播星历）和GPS卫星在GPS时间框架中播发上述讯号的时间，GPS用户可以由此确定自己的位置。

所有GPS用户都可以收到C/A码，其设计的实时定位精度一般在30m左右，但在取消SA影响之前，只有100m左右。P码（Y码）只给军用，可以有高于C/A码10倍的精度。

GPS在下一世纪将继续作为军民两用的系统，为了更好地满足军事需要，扩展民用市场和应用的需求。美国政府决心对GPS系统的核心部分进行现代化改进1V.面向21世纪GPS的现代化发展计划GPS的现代化计划这一概念是1998年初由美国副总统戈尔提出来的。1999年9月，美国总统科技顾问在一次GPS国际讨论会上指出*GPS在下一世纪将继续作为军民两用的系统，既要更好地满足军事需要，也要继续扩展民用市场和应用的需求。美国政府决心对GPS系统的核心部分进行现代化，它主要包括：增加GPS两个新的民用频率，提高GPS卫星集成度，增强GPS无线电信号强度，改进导航电文，改善导航、定位精度，提高可靠性和强化GPS抗干扰能力“9.从今年的有关来看，GPS现代化的内容已经比较具体，经过会议保护（Protection）。米用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS的军用无线电讯号的强度。

用讯号。设计新的GPS卫星型号（F型），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1、L2、L5的精度，在GPS的F型卫星中增加2个新的民用频道，即在L2中增加C/A码（2005年），另增L5民用频道（2007年）和结束SA.具体地说，2003年以前，在L2频率上将要加载C/A码，在BlockF类型的GPS卫星上，将于2005年前加载第三频率L5.2.1SA政策的取消GPS的现代化计划从今年5月1日零点就开始了叫。由于SA政策的取消，GPS用户将可以获得小于10米的SPS精度服务。保守估计单点水平定位精度也可以达到22.5米。SA政策终止前后的单表1SA政策前后单点水平定位精度误差源误差电离层对流层延迟延迟星历差多路径用户距HDOP效应离差距离差总计SA政策终止前SA政策终止后点水平定位精度（m）比较如表1所示。

不需要增加设备的任何费用，SA政策的终止会给所有的GPS用户带来明显的利益。

2.2在L2频率上加载C/A码GPS的标准定位服务（SPS）主要是指，在和平时期为用户免费提供用于商业和科学领域的空间信号。**届由GPS联合执行委员会（IGEB）组织的大会于1997年召开。会议的主要议题是，讨论为广大的商业和民用用户提高服务质量而增加民用信号的必要性。*后，与会通过了这个议题，即在2003年前完成C/A码的加载。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于对电离层延迟的改正。

M码的使用为了成功地实现3P*s的目的，当遭到潜在的威胁时，军方必须拥有可选择地终断局部GPS信号的能力，而授权用户（AuthorizedUsers）能够正常使用。由于这个目的，以防卫为目的现代化计划强调了要提供新的军用码，被称作M码。M码能够使用已经存在L1和L2频率的无线电波段，而又能保持与载波L1和L2上的C/A码有明显不同的方面。另外，新的军用信号码的结构增加了密码的保密性能和优化了广播星历的传播。基于军用的信号需要高的信号强度，未来的卫星在进行传输M码的时候，其功率将可以根据需要设计为2158dBN，比现在存在的P（Y）码的功率（2138dBW）大20dBW.这些改进将会给美国及其盟国提供加强信号反干扰能力和为美国世界军事行动提供使用信号的安全性。

2.4电离层的改正由表1可以看出，在取消SA政策之后，构成GPS定位误差的*大部分之一是电离层的距离误差。由于目前军事上的PPS服务（美国和其他特许用户）可以同时运用两种信号和频率，通过对L1和L2的伪距测量结果进行线性数学估计，军用用户几乎可以从L1测量结果中去除所有的电离层的距离误差。同时，民用用户也可以利用新增加的C/A码和其他频率信号进行电离层的距离误差改正。

2.5控制部分的性能提高地面控制部分的性能提高是整个21世纪GPS现代化计划非常重要的组成部分。很多改进的措施已正在进行当中，主要包括以下几个方面：用数字化的接收机和性能更优越的计算机来配备地面监控站和天线；用发送式结构来取代目前主控站（MCS）的计算机；增加改进精度初始化、空军控制网络融合；在范登堡（Vandenberg）空军基地完成能行使全部使命的可选择性主控站（AMCS）的建设；增加F的指挥控制能力；主控站（MCS）用单个的个卫星上。

另外，现在取消SA政策之后，一旦电离层误差得到了改正（通过双频等手段），星历误差和钟差将是位置误差中占有*大比例的部分。就目前的星座来说，星历误差和钟差所引起的距离误差分别为1.8米1.4米。一种技术改进精度初始化（A），表2A对误差的影响误差源误差电离层对流层钟差多路径用户距HDOP延迟延迟星历差效应离差距离差总计未使用A而用多信号利用A将有望降低距离误差至大约1.25米。如表2所示。2.6第三个民用信号L5的提出美国副总统戈尔于1998年宣布，要加载第二个民用信号（C/A码）到1227.6MHz频率载波（L2）上，同时也决定，为‘生命安全’（safety-of-life）而设计的第三个民用信号L5将在2005年正式开始播送。在GPS联合执行委员会精心组织下，经过了严格的研究论证，*后确定L5的频率为1176.45MHz，这个频率被包括在航空航天无线电导航服务（ARNS）的频谱之中。ARNS主要目的是可以应用这个信号进行航空的‘生命安全’保障。

第三信号L5的特点3.1信号L5组成L5信号的基本结构与L1信号相似，即载波用随机噪声码进行二进制相调制和预先加载数据流。

但是相似点仅此而已。与L1和L2信号比较而言，L5信号有其特有的组成和优点，即L5信号由两部分组成，一个是预先加载导航数据流，另一个是不加载导航数据流。其信号和数据的结构可以从得到*好的描述：通过上图可以看出，信号的两个组成部分一正弦分量（XI）和余弦分量（XQ），有相同的*小接收功率（2157dBG）。每一个部分都被结构不同，但同步的L5码进行调制。在对信号的处理过程中，用100字符每秒（sps）速率的字符流对正弦分量进行进一步的调制。而用另一个码对余弦分量进行调制，这样就形成了无数据的余弦分量组成部分。即正弦分量带有数据字符流而余弦分量不带有数据字符流。通过使每一个组成部分之间相互独立，几乎正交的伪随机噪声码（主要指I码和D码）就能很好地防止其他信号的跟踪干扰。

正弦分量中的100sps速率字符流载有导航信息数据。导航数据以50bps的速率产生，这个速率与L1/L2导航数据一样。然而，为了提高可靠性，L5的数据流用一个前置误差改正（FEC）码进行编码。这种编码方式使得接收机能够对由于噪声或干扰引起的误差进行改正，能够从微弱的信号中准确提取导航信息。

3.2中心频率和信号强度早在1998年，美国航空航天技术委员会（RT-CA）就同意GPS联合执行委员会对信号L5的中心频率（1176.45MHz）以及*小带宽（20MHz）的选择。上海：同济大学，1998（7）。

刘卫华。网上房地产信息发布系统的设计与实现。测绘信息与工程，1999，（3）。

赵霈生。eb-GIS的设计与实现。中国图像图形学报，2000，（1）。

（上接第25页）5结束语通过以上的讨论可知，GPS现代化的内容非常具体，GPS上的L5信号的设计已经完成。从已经实践的结果来看，GPS现代化计划的实施，尤其是运用L5信号，将使GPS的定位精度产生质的飞跃。同时，就美国新的GPS计划而言，美国有能力在认为必要时实行区域性GPS信号封锁，所以在积极运用GPS现代化新的成果的同时，我们必须努力大力发展我们自己的定位系统和其他可以利用的定位系统。