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GPS系统现状与未来发展

发布日期:2008年04月28日字体: 【大】【中】【小】

刘春保

  一、美国GPS系统现状

  1. GPS星座现状

  二十世纪七、八十年代,美国和原苏联先后发展各自的全球导航卫星系统GPS和GLONASS。截止到2007年3月,美国的GPS系统共发射卫星55颗,发射失败2次,其中GPS-1卫星11颗,GPS-2卫星9颗,GPS-2A卫星19颗,GPS-2R卫星13颗,GPS-2RM卫星3颗。目前GPS-1与GPS-2卫星已经全部退出服务,在轨运行、并提供导航服务的卫星30颗,其中GPS-2A卫星15颗,GPS-2R卫星12颗,GPS-2RM卫星3颗,在轨运行情况见表1。

表1 GPS系统星座现状(截止时间2007年3月底)

轨道面

序号

卫星型号

发射时间

服务时间

工作时间/

A

1

GPS -2A

19930626

19930720

163.7

2

GPS-2RM

20060925

20061013

5.6

3

GPS -2A

19971106

19971218

111.5

4

GPS -2A

19920909

19920930

173.6

5

GPS -2A

19920223

19920324

177.7

 

 

 

 

 

续 表

轨道面

序号

卫星型号

发射时间

服务时间

工作时间/

B

1

GPS-2R

20030129

20030218

49.2

2

GPS -2A

19960912

19961001

125.2

3

GPS-2R

20000716

20000817

79.5

4

GPS -2A

19930830

19930928

161.5

5

GPS-2RM

20061117

20061213

3.6

 

 

 

 

 

C

1

GPS -2A

19940310

19950328

155.5

2

GPS -2A

19960328

19960409

130.4

3

GPS-2R

20040320

20040405

35.8

4

GPS-2RM

20050926

20051113

15.4

5

GPS -2A

19930513

19930612

165.2

D

1

GPS-2R

20041106

20041122

28.3

2

GPS-2R

19991007

20000103

87.0

3

GPS-2R

20030331

20030412

47.5

4

GPS -2A

19931026

19931122

160.4

6

GPS -2A

19910704

19910830

186.9

E

1

GPS-2R

20000511

20000601

82.0

2

GPS-2R

20031221

20040112

38.7

3

GPS -2A

19960716

19960815

127.6

4

GPS-2R

20010130

20010215

73.4

 

 

 

 

 

F

1

GPS-2R

20001110

20001210

75.7

2

GPS -2A

19920707

19920723

176.2

3

GPS-2R

19970723

19980131

110.0

4

GPS-2R

20040623

20040723

32.7

5

GPS -2A

19921218

19930105

169.8

6

GPS -2A

19921122

19921211

171.5

  目前正在提供导航、定位与授时服务的15颗GPS-2A卫星均处于超期服役状态。GPS-2A卫星设计寿命7.5年,即90个月,而在轨服役的15颗GPS-2A卫星中,服役时间最短的也已经达到111.5个月,服役时间最长的已经达到186.9个月,超过设计寿命的2倍。上述情况的出现,一方面说明GPS-2A卫星的设计非常成功,在GPS现代化计划严重拖延的情况下,保证了GPS星座与服务的稳定。另一方面,我们也应看到,GPS星座大量卫星超期服役也是一种隐患,对GPS星座与服务的稳定构成潜在的威胁。

  2. GPS-2RM卫星

  GPS-2RM卫星是第1个经现代化改进的GPS卫星。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,改进的主要内容如下:

  (1)采用洛马公司的专利技术对天线系统进行了重新设计,采用了新的布局,以适应增加新信号和提高发射功率的要求;

  (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;

  (3)采用了更大功率的功率放大器/转换器和新的波形发生/调制/转换设备,优化了波形;

  (4)重新设计了L频段子系统,以3个多功能组件替换了原L1和L2频段的5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1。

图1 GPS-2RM卫星L频段板的改进

  目前,GPS-2RM卫星已经开始发送L1和L2频段的新的民用信号和M码军用信号,洛马公司正在利用自己的新型地面设备对GPS新信号进行试验、测试与验证,这将有利于尽快实施GPS地面段的现代化改造,有利于新的导航信号尽快投入使用。

  GPS-2RM卫星的采购数量为8颗,除已经发射的3颗GPS-2RM卫星外,今后2~3年内,还将发射5颗GPS-2RM卫星。

  二、GPS系统的未来发展

  1. GPS-2F卫星

  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。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,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,新的太阳电池板仍可提供超过2610W的功率。

  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。10月,波音公司交付了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,采购数量由原来的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-2F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。

  2. GPS-3卫星

  GPS-3卫星是美国GPS现代化计划中的最后一个型号,代表着GPS现代化计划的最高水平。在GPS-2F卫星的基础上,GPS-3增大了抗干扰功率,提高了安全性,导航、定位与授时服务的精度,可控的完好性,并在L1频段提供第4个导航信号,即L1C。按计划,第1颗GPS-3卫星将于2013年发射,整个星座计划于2017~2018年部署完成。按照美国与欧盟签署的协议,L1C民用信号采用BOC(1,1)调制方案,中心频率1575.42MHz。在经改进的地面段和用户设备支持下,GPS-3为低成本GPS接收机用户提供水平精度2.5m,垂直精度4.5m,授时精度5.7ns的导航、定位与授时服务;为高成本GPS接收机用户提供水平精度0.5m,垂直精度1.1m,授时精度1.3ns的导航、定位与授时服务。

  2004年1月,美国空军分别授予洛马公司、波音公司领导的团队价值2000万美元的合同,开展GPS-3需求定义研究,也称为阶段A。内容包括评估任务要求、需求,并评估提出的创新结构。美国空军原计划于2005年底前完成阶段A,进入阶段B风险降低/详细设计阶段,但计划发生了拖延。到2006年底及2007年初洛马公司和波音公司才分别完成了GPS-3的需求定义审查。同时,美国空军又分别授予洛马公司和波音公司一个价值5000万美元的成本+固定费用合同,开展阶段B风险降低/系统设计工作。该合同包括了于2007年3月进行、2007年6月完成的GPS-3系统设计评审。

  因此,2007年对GPS-3的发展将是非常重要的。如果该合同按时完成,美国空军有可能在2007年中确定GPS-3的主承包商,开始GPS-3卫星的工程研制工作,并有可能将第1颗GPS-3卫星的发射时间从2013年提前到2011年,这对不断拖延的GPS现代化计划是一个巨大的利好消息。

  随着GPS-3卫星定义审查阶段的完成,地面控制段改造计划的实施,GPS现代化计划有可能走上迅速发展的快车道。欧洲伽利略系统的建设、俄罗斯GLONASS系统的恢复也将在今后几年完成,在未来的全球导航卫星市场中,GPS是否依然是一家独大,还是呈现三大系统激烈竞争的格局,值得我们拭目以待。

  摘自《卫星应用简报》

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