卫星导航定位系统的前世今生（二）GPS

dmhang

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二、GPS

　　20世纪60年代初，美国国防部（DoD）、交通部（DoT）和国家航天局（NASA）给出了三维卫星定位系统的特性需求：1、全球覆盖；2、连续、全天候工作；3、高动态；4、高精度。显然，上述特性中除了全球覆盖之外，其他的特性需求都不是Transit所能达到的。于是，美国海军开始致力于具有上述特性的系统的研究。在约翰霍普金斯大学APL实验室的科学家们考虑如何改进Transit系统的同时，美国海军研究实验室（NRL，NavyResearchLaboratory）于1967年进行了一项称为Timation的计划，该计划通过在Timation卫星上搭载高稳定时钟，以获得高精度的时间传输，该计划解决了GPS系统所依赖的高精度时间的问题。于此同时，美国空军也在进行相关的研究工作，并于1972年在Yuma试验场利用两颗地面上的伪卫星进行了两个GPS原型接收机的飞行测试。

　　1969年，美国国防部长办公室（OSD）建立了国防导航卫星系统（DNSS，DefenseNavigationSatelliteSystem）方案，计划联合各军种的相关研制工作以形成一个单独的可联合使用的系统。OSD还建立了导航卫星执行调控小组，以便确定DNSS成功的可能性并对其开发制定规划。位于加州的GPS联合计划办公室（JPO，JointPlanningOffice）基于这些工作制定了NAVSTARGPS计划，并一直负责GPS系统的卫星管理以及地面控制设备和接收机的研制生产。

　　NAVSTARGPS计划的第一颗Block-IGPS试验卫星于1978年发射升空，至1985年，共有超过10颗的Block-IGPS试验卫星升空，以验证整个GPS系统的概念。现代的Block-II卫星的发射于1989年2月14日开始，历时五年，于1994年1月17日完成了完整的24颗卫星的星座的分布。NAVSTARGPSJPO于1995年4月宣布GPS系统已具有完整的运行能力。

　　GPS计划在建立之初，是以军方应用为主要需求，后来设计为可民用是受到一件突发事件的影响。1983年，韩国航空公司的民用航班KAL007在飞入禁飞区后被苏联击落，机上269人全部丧生。受此事影响，时任美国总统的RonaldReagan宣布，GPS系统建成后将开放民用。尽管如此，在最初的GPS系统设计中，提供给民用的精度仍然大大低于军用精度。

　　GPS是一个单向发射的码分多址的扩频系统，通过不同的伪随机码来区分不同的卫星所发射的信号。接收机通过测量多颗卫星到本地的距离来进行定位。至少需要同时接收到3颗卫星信号才可进行2D定位，而至少收到4颗卫星信号才能进行3D定位。定位的精度和接收机测量得到的卫星到本地的距离（由于该测量得到的距离含接收机钟差等误差，称为伪距）紧密相关。系统有两种PRN码，分别为码片速率为1.023MHz的C/A码用于捕获和粗略定位，以及码片速率为10.23MHz的P码用于精确定位。其中，C/A码的内容公开，可用于民用接收机，而P码则被加密为P(Y)码，仅供具有解码密钥的军用接收机使用。由于C/A码的码片宽度是P(Y)码的10倍，仅使用C/A码的接收机精度自然低于能够使用P(Y)码的军用接收机。接收机的跟踪环路误差一般为码片长度的1/100，对于C/A码而言，其测距误差约为3米，而对于P(Y)码而言，其测距误差仅为0.3米。

　　除了码片宽度外，GPS系统的载波设计也使得民用接收机无法使用双频技术。GPS信号通过两个L频段发送，分别为L1（1575.42MHz）和L2（1227.60MHz）。其中L1载波上调制有C/A码和P(Y)码，而L2载波上则仅调制有P(Y)码。因此，对于民用接收机而言，只能使用L1载波，而无法同时使用L2载波，从而无法消除电离层误差来提高精度。而电离层效应对最终的测量伪距可以造成5米的误差。

　　为了进一步降低民用接收机的精度，GPS系统在初期还依据SA（Selectivity Availability）政策人为的对C/A码信号加入了扰动，使得民用接收机的测距精度降低到30米以上。在1990年的海湾战争中，由于军用接收机的短缺，大量美军及其友军的士兵使用民用GPS接收机进行定位，这凸显了SA政策带来的问题。于是，1996年时任总统的Bill Clinton发布了一条法令，从而令SA政策于2000年5月2日开始暂停，这也直接的带动了民用GPS市场如火如荼的发展。由于SA只是暂停，而非废止，理论上来说，美国军方还是可以随时重启SA，降低民用GPS的精度。

　　作为一个20世纪80年代开始建设的系统，GPS取得了巨大的成功，已经成为目前唯一的一个全球覆盖、全天候、高精度、高动态的导航定位系统，并被全世界广泛使用。同时，GPS也在进行着不断的更新升级，以保持在卫星导航定位系统中的领先地位。1998年，时任美国副总统AlGore宣布了一项旨在进行GPS系统升级的计划，并在2000年通过国会批准。该计划称为GPS现代化，目的在于提高GPS系统的精度和可用性，包括增加3个民用信号（L2C、L5和L1C）和一个军用码（M码），以及一个新的控制端（GPS OCX）、新的地面站和新的卫星。2005年，第一个GPS现代化卫星发射升空，并开始发射L2C信号。截至2008年底，在空间运行的GPS卫星共有31颗，其发射的信号如下表所示：

　　PRN型号运行时间民用信号军用信号

　　9BlockIIAJul.20,1993L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　31BlockIIR-MOct.13,2006L1C/A,L2CL1P(Y),L1M,L2P(Y),L2M

　　8BlockIIADec.18,1997L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　7BlockIIR-MMar.15,2008L1C/A,L2CL1P(Y),L1M,L2P(Y),L2M

　　25BlockIIAMar.24,1992L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　27BlockIIASep.30,1992L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　16BlockIIRFeb.18,2003L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　30BlockIIAOct.01,1996L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　28BlockIIRAug.17,2000L1C/AL1P(Y),L2P(Y)

　　12BlockIIR-MDec.13,2006L1C/A,L2CL1P(Y),L1M,L2P(Y),L2M

　　5BlockIIASep.28, 1993L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　6Block IIAMar. 28, 1994L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　3Block IIAApr. 09, 1996L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　19Block IIRApr. 05, 2004L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　17Block IIR-MNov. 13, 2005L1 C/A, L2CL1 P(Y), L1M, L2 P(Y), L2M

　　29Block IIR-MJan. 02, 2008L1 C/A, L2CL1 P(Y), L1M, L2 P(Y), L2M

　　2Block IIRNov. 22, 2004L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　11Block IIRJan. 03, 2000L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　21Block IIRApr. 12, 2003L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　4Block IIANov. 22, 1993L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　24Block IIAAug. 30, 1991L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　20Block IIRJun. 01, 2000L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　22Block IIRJan. 12, 2004L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　10Block IIAAug. 15, 1996L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　18Block IIRFeb. 15, 2001L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　32Block IIADec. 12, 1990L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　14Block IIRDec. 10, 2000L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　15Block IIR-MOct. 31, 2007L1 C/A, L2CL1 P(Y), L1M, L2 P(Y), L2M

　　13Block IIRJan. 31, 1998L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　23Block IIRJul. 09, 2004L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

　　26Block IIAJul. 23, 1992L1 C/AL1 P(Y), L2 P(Y)

yulu2007

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eric_long

额，这个好像到处都是吧

xiongmaodaxia

天下文章一大抄……[em01]