GPS现代化与全球卫星导航系统——卫星分区
测绘科学与环境生态2020-04-03 17:25
75.GPS现代化
众所周知，GPS空间段是卫星配置。卫星运行轨道距地公称高度2万公里以上。有L1（1575.42 MHz）、L2（1227.60 MHz）和L5（1176.42 MHz）三种载波。至少24颗GPS卫星确保24小时全球覆盖，但是在轨卫星多余24颗。空间有些备用卫星，冗余要谨慎，因其对GPS定位、导航和授时至关重要。它对全球金融交易、空中交通、自动取款机、手机和现代生活的正常运转也至关重要。这种危机程度需要持续的现代化。
虽有技术障碍，但GPS以惊人的速度布置，并于1995年7月17日达到完全运行能力（FOC）。目前，20世纪90年代初发射的卫星还存在于星座中。如果你想象现在使用古老的电脑，那么对系统进行重大改进计划也就不足为奇了。2000年，美国国会批准了GPS III计划。该项目包括新地面站、卫星、额外的民用和军用导航信号以及更好地可用性。这部分内容与GPS现代化的一些改变，其包括在全球导航卫星系统（GNSS）中，等等。
76.卫星分区
Block I、Block II /IIA 、Block IIR 以及 Block III 卫星
多年来，组成GPS星座的卫星分区改进，总结实例见图1所示。
图1 GPS现代化Block I
1978年，在范登堡空军基地成功发射11颗Block I卫星中的第一颗。1985年发射最后一次。发射失败一次，即Navstar 7号。1995年底，这些卫星都已退役。现在轨道没有Block I卫星。
由于卫星仅能独立运行3天，卫星经常需要控制部分操控。控制部分释放卫星多余动能，并保持联氨推进器的姿态。这些卫星相对于地球赤道面的倾角为63°，而后续GPS分区的倾角调整为55°。
卫星设计寿命为4.5年，但有些甚至服役9年。用7.25平方米的太阳能电池板供电，还有3块可充电的镍镉电池。在随后设计的卫星分区中，增加了服役时间，并降低了对控制段的依赖。然而，Block I的某些特征被延续到后续GPS卫星分区中。他们携带核爆探测传感器，未来的GPS卫星分区中，这一特色仍将继续。
很明显，原子频率标准（即时钟）开始就是系统正常运行所必要的。因此，Block I卫星上有铯和铷频率标准，这是未来GPS卫星的共同特点。最初三颗Block I卫星携带了三部铷原子钟。不幸的是，其在太空服役约一年之后就停止了工作。通过增加设备，保持飞行期间频标恒温，改进了三部铷频标，并在该区的后续卫星增加了一部铯频标。
Block II
Block II卫星的重量约为Block I卫星的两倍。第一颗于1989年发射。Block II卫星寿命通常超过设计的7.3年。2007年，历时17年，最后一颗卫星退役。它可以脱离地面控制部分自主运行长达14天。与Block I期间不同，控制部分向Block II卫星加密上传信息。Block II卫星信号被周期性地人为故意中断。具体来说，实施选择性可用性(SA)使得星载时钟被故意抖动。
Block IIA
Block IIA是Block II卫星的升级版。1990年，发射19颗Block IIA卫星中的第一颗。目前，虽然Block II卫星没有工作，但其一些仍然运行良好。有6颗Block IIA卫星正在轨运行。现在，这是幸存在轨运行最古老的GPS卫星。
为了抵抗宇宙射线，它们是抗辐射加固的，用于实施SA，反欺骗(AS)能力以及星载动量卸载。这种情况一直持续到2000年5月2日。与Block II相比，Block IIA卫星可以存储更久的导航电文，因此，脱离地面控制部分，可以运行6个月。然而，如果真要这样，其播发的星历和时钟校正将会降低。
两颗Block IIA卫星，即SVN 35（PRN 05）和SVN 36 (PRN 06)，装配了激光后向反射阵列（Laser Retro-reflector Arrays，LRA）。1994年第二次发射，至今仍在服役。向后反射镜有助于卫星激光测距（SLR）)。这种测距可为GPS轨道提供有价值的独立验证。
和Block II一样，Block IIA卫星也装配两台铷钟和两台铯钟。它们的设计寿命预计为7.3年。大多数情况下，实际服务明显超过设计时间，但Block IIA卫星也会磨损。
Block IIR
1997年1月，第一次发射下一代Block IIR卫星失败。随后，1997年7月发射成功。12颗Block IIR卫星正在轨运行。Block IIA和Block IIR卫星之间有些差别。Block IIR卫星的设计寿命为7.8年，通过卫星间交联测距来确定其位置，称之为自主导航（AutoNav）。其是通过面板上可重新编程处理器来进行飞行修正。
这种模式下，他们可以工作长达6个月，仍保持精度不衰减。控制部分也能在卫星飞行时改变软件设置，提前60天通知卫星进入新轨道。不同于以前卫星的是其配备三种铷频标。有些Block IIR卫星也有改进的天线面板，提升信号功率。比之前的卫星抗辐射能力更强，且成本比Block II卫星降低三分之一左右。
尽管Block IIA与Block IIR卫星存在差异，但在某些方面非常相似。它们都播发相同的基本GPS信号，其已经存在很久了。频率以L1和L2为中心。调制在L1载波的粗/易捕获码或C/A码，码芯片速率为1.023 ×1,000,000片/每秒。码长度为1023个芯片，每毫秒重复一次。实际上，C/A码有32种不同的编码序列，足够星座中每颗卫星拥有自己独立的编码。调制在L1和L2上的精码或P码码芯片速率是C/A码芯片速率的10倍，即10.23×1,000,000片/每秒。在P码重复之前，其长度约有一周，大约6万亿（trillion）码芯片。如果此码经过加密，则称为P(Y)码，或简称为Y码。
9颗Block IIR卫星携带遇险警报卫星系统（Distress Alerting Satellite System，DASS）中继器。DASS中继器用于传达紧急信标的遇险信号，其是2009年完成的卫星搜索和救援概念的部分验证。其余12颗Block IIR卫星也将携带中继器。
Block IIR-M
目前星座，有7颗Block IIR-M卫星在轨运行。发射前，这些Block IIR卫星进行了修改。升级了这些卫星，使其能发射两种新码：新的军事码（M码）和新的民用码（L2C码）。也增加新的载波（L5）。L2载波广播L2C码，L1和L2载波同时广播M码。L2C码有助于电离层延迟的校正，M码通过改变功率能力来提高军事抗干扰能力。其中一颗Block IIR-M卫星，SVN 49，发射L1、L2和L5信号。L5频率应用于生命安全。2005年夏发射第一颗Block IIR-M卫星，最后一颗于2009年夏发射。
Block IIF
2010年夏，发射第一颗Block IIF卫星。截至2014年，在轨Block IIF卫星共7颗，计划发射33颗。2014年8月1日，发射GPS Block IIF-7卫星。它们的设计寿命是12至15年。Block IIF卫星面板携带更快的处理器和更大的内存。他们播发以前提到的所有信号，还有新的L5载波。Block IIR-M卫星验证了过一信号。所有Block IIF卫星均可使用。L5信号属于航空无线电导航服务频率（Aeronautical Radio Navigation Services，ARNS），可用于航空服务。Block IIF卫星改进的铷频标降低了白噪声水平。Block IIF卫星的运载火箭可将其直接送入预定轨道，不需要远地点反冲发动机，其是前期卫星所必须的。所有Block IIF卫星都携带DASS中继器。
随着Block IIA卫星老化，它们将被Block IIF卫星所取代。他们的星载导航数据单元支持创建新的导航电文，其具有改进的广播星历和时钟改正。与Block IIR卫星一样，Block IIF卫星也可以在轨重新编程（AutoNav）。
Block III
由于Block IIR卫星将退出服务，Block III卫星将取代之。目前为止，在轨还没有Block III卫星。这个分区将分三个增量部署。第一个被称为Block IIIA，能抵抗敌方的干扰。接下来的两个增量是Block IIIB和Block IIIC。计划为Block IIIB卫星播发更高功率的信号。Block IIIB和Block IIIC卫星也将携带遇险报警卫星系统(DASS)中继器。
当整个GPS星座面板都携带DASS中继器时，卫星搜索和救援将覆盖全球，地球上任何地方都可收到至少四颗携带DASS中继器的卫星。该系统将增强国际全球卫星搜救系统（Cospas-Sarsat）与卫星辅助搜救(SAR)系统，并将与俄罗斯(SAR/GLONASS)和欧洲(SAR/Galileo)系统进行互操作。
Block III卫星将具有交叉链路能力，支持星间的测距和传输、遥测、跟踪和控制能力。Block IIIB卫星将有两至四个方向的交联天线。这意味着它们可以从一个地面站进行更新，而不是要求每个卫星都在一个地面天线的范围内进行更新。交联天线、高速上传和下载天线可将上传频率从一次/12小时提高到一次/15分钟。
每颗Block III卫星将配备三部增强的铷频标（原子钟），第四个插槽将用于新时钟，即氢脉泽。
从2010年开始，所有Block III卫星将配备星载激光回复反射器阵列（LRA），又名反反射器。这一有效载荷将为卫星激光跟踪提供数据，从中可以辨别钟误差和星历误差。俄罗斯（GLONASS）和欧盟（Galileo）系统计划采取类似LRA措施。
还计划，这些卫星在L1载波上播发一种新的民用信号，称之为L1C。通过国际合作设计该信号，最大限度地与Galileo的开放服务信号和日本的准天顶卫星系统(QZSS)进行互操作。
从较早分区可获得的码（即，M码，L5，P码和C/A码）将从Block III卫星以更大的功率播发。M码广播将变为引人关注的方式。它将继续以广角辐射来覆盖全球，就像Block IIR-M卫星一样，但Block IIIC M码也将由一个相当大可展开的高增益天线产生定向点波束。与广角辐射M码（158 dBW）相比，点波束功率将增大到约100倍多（138 dBW）。在直径数百公里区域，它将具有抗干扰能力。双天线的副作用是GPS卫星看起来就像两个GPS卫星占据相同位置，与其在点波束内部。虽然在Block IIR-M卫星上可以获得全球M码信号，但在Block III卫星部署之前，点波束天线不能使用，见图2所示。
图2 点波束天线举报/反馈
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