卫星定位系统第七.ppt

卫星定位系统第七￿￿￿￿Still￿waters￿run￿deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深￿￿￿￿Where￿there￿is￿life,￿there￿is￿hope有生命必有希望有生命必有希望GPS系统具有定位精度高，能连续实时地给出用户的三维位置和速度数据，全球覆盖，全天候工作等许多特点，为军民用户的导航定位提供了非常方便的手段虽然GPS系统的军用P码是保密的，但利用C/A码定位也可获得较高的定位精度美国政府为其本国的利益，于1990年3月17日采用了选择可用性(SA)措施，即对第二批正式投入工作的卫星加上频率抖动和卫星星历数据偏量，使C/A码的精度降低为100m左右因此，对于一些要求更高的应用场合，精度就显得不够了，所以，进一步提高GPS的精度，对军事和民用来说都具有重大的意义为此，自SA宣布之后，世界各国的GPS用户为解决高精度定位问题，非常重视差分GPS技术的研究7.1 概述导航系统的性能通常指精度、可用性、完好性和可靠性/服务连续性GPS的导航性能概括如下1)精度 GPS提供两类定位服务：精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)PPS向美国及其盟国军方特许用户提供，观测的水平和垂直误差分别约12m (95%)和18m(95%)；SPS向民间用户提供，水平精度达到100m (95%)，垂直精度达到156m (95%)。

 2)可用性 GPS工作星座由24个卫星组成至少N个健康卫星的概率P如表7-1所示: 由上表可以看出，GPS可用性水平不足以以0.999或更好的概率提供全世界范围每天24h的GPS导航性能 3)完好性 GPS主控站宣布一个卫星异常所用的标准是测距误差超过12m(P码)卫星完好性的度量是一个被视为健康卫星的测距误差不超过12m的概率，根据经验数据，这一概率至少为0.9998当影响测距误差的异常现象被在世界范围的GPS监测网的任一站检测出来以后，上装一个电文宣布该卫星"不健康"状态从卫星异常发生到将卫星置于不健康状态可能达数小时或更长 4)可靠性 据Aerospace Corporation编辑的数据，在给定时间，一个正常和健康的给定卫星在其后1h间隔内不显示超过100m的距离误差的概率约为0.99992那么，假若在1h间隔开始人们选择12个都是正常和健康的特别卫星，则在1h间隔内12个中没有一个显示超过100m测距误差的概率约为（0.99992）12=0.999 尽管GPS是当代最先进的导航定位系统，但是它提供的导航能力仍然不能完全满足许多应用尤其是某些特殊民间用户的需要。

所以GPS需要增强其导航性能特别是，航空应用的精密进场和非精密进场要求增强GPS的性能，航海和陆地应用的诸多方面也要求增强GPS的性能 许多技术可以用来增强GPS，如RAIM (接收机自主完好性监测)，局部和广域技术，完好性监测和地球静止卫星(GEO)测距RAIM是一种机载接收机用多余的伪距测量进行完好性监测的算法技术局部和广域技术是指局部和广域差分技术，主要用以提高导航精度；完好性监测是通过地面完好性监测部分估计GPS卫星的完好性，完好性信息将作为GPS式样的导航电文从地球静止卫星向用户广播地球静止卫星还发射GPS式样的测距信号，因而提供附加的伪距源，这就是常说的地球静止卫星测距一般所谓的广域增强系统实际上是广域差分技术、完好性监测和地球静止卫星测距三者的组合就是说广域增强系统具有三种功能，即GEO测距功能、完好性监测功能和广域差分功能测距功能就是GEO卫星发射类似于GPS的信号，这样增加了用户可用的导航卫星数，因而增强卫星的导航可用性广播完好性信息功能将增加GPS/GEO导航服务的可用性 广域差分功能将增强GPS/GEO的导航服务性能(主要是精度)。

一个广域增强系统包括三部分：空间部分、地面部分和用户部分空间部分由携带导航转发器的地球静止卫星组成，地面部分由若干参考站和主站组成参考站采集GPS/GEO的距离和/或相位数据传送至主站，在那里计算GPS差分改正数，利用参考站的测量残差确定GPS/GEO的完好性 GEO卫星携带的导航转发器向用户广播地面参考站得到的卫星改正数据和完好性信息，并发射GPS测距信号和导航电文，犹如一个附加的GPS卫星地面部分还包括GEO的跟踪站、主控站和数据发送站 用户部分是用户接收机，这种接收机既能接收GEO发射的信号，也能接收GPS信号，与普通的GPS接收机具有兼容性 差分技术很早就被人们所应用，它实际上是在一个测站对两个目标的观测量，两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差，其目的在于消除公共项，包括公共误差参数 GPS定位误差可分为3大类: 1)对每一个用户接收机所公有的，即卫星钟误差、星历误差、电离层误差和对流层误差 2)不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差 3)各用户接收机所固有的误差，即内部噪声、通道延迟和多路径效应。

利用差分技术，第一类误差可完全消除，第二类误差大部分可消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三类误差则无法消除差分GPS系统可以广泛地用于军事导航、精密导弹制导、飞机精密进场引导、车辆导航、近海及港口精密导航、海洋资源勘探、大地测绘、港口及航道测量与维护等军民应用场合7.2差分GPS的主要类型 根据差分GES基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为4类，即位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分和载波相位差分其工作原理相同，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同7.2.1位置差分 从系统的构成和原理上讲，位置差分都是最简单的一种差分方式安装在参考站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出参考站的坐标由于存在着轨道误差、时钟误差、SA(选择可用性)影响、大气影响、多路径效应以及其他误差，解算出的坐标与参考站的已知坐标是不一样的，其误差为  参考站利用数据链将此修正量发送出去，由用户站接收并对其解算的用户站坐标进行修正，即考虑到修正量在t0时刻形成，而在tu时刻被用户利用，可能造成修正量的“老化”，加入附加的修正，有 这种差分方式的优点是计算方法简单，只需在解算的坐标中加修正量即可，能适用于一切GPS接收机，包括最简单的接收机。

缺点是必须严格保持参考站与用户观测同一组卫星如果有8颗可观测卫星，将组成70个组合，由于观测环境不同，特别是用户处于运动状态之中时，无法保证两站观测同一组卫星 位置差分法适用于用户与基准站距离在1000km以内的情况7.2.2 伪距差分 伪距差分是目前用途最广的一种差分技术，几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术在参考站上的接收机要求得到它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较，利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来修正测量的伪距最后，用户利用修正后的伪距求解出本身的位置 基准站的GPS接收机测量出全部卫星的伪距pi和收集全部卫星的星历文件(A，e，ω，Ω，i，t等)利用已采集的轨道根数可计算出各个卫星的地球坐标(X，Y，Z)i，同时，可采用各种方法精确求出基准站的地球坐标(X，Y，Z)a这样，利用每一时刻计算的卫星地球坐标和基准站的已知地球坐标反求出每一时刻到卫星基准站的真距Ri 这种差分的优点: 1)修正量是直接在WGS84坐标系上计算的，无须坐标变换，因而可保证精度。

2)这种方法能提供伪距修正量及其变化率，可以精确地考虑时间延迟的影响 3)它能提供所有卫星的修正量，用户可选用任意4颗卫星定位与位置差分相似，伪距差分能将两站绝大部分公共误差消除，但随用户到参考站距离的增加，系统误差将增大表7-2是差分GPS误差随用户至参考站距离变化的预算 虽然表7-2中的数值代表了一种特殊工作环境下的结果，但其变化趋势足以说明某些误差被DGPS彻底消除了，另一些误差不受距离变化的影响，更多的误差随距离增大而增大，其原因如下：由于卫星上的钟与GPS时间并非精确同步，故GPS信号中所含的卫星位置也无法与实际位置相一致如图7-1所示，若实际位置与GPS信号传播的位置之间所预想的斜距为d，当用户用基准站传输的误差δR校正其伪距测量值时，由于两者相距D，故δR≠ δR’由式(7-14)可见:1)用户离基准站的距离越大，用GPS差分法得到的位置精度越低2)如果把σ=dcosα理解为卫星的位置误差，可直接得到对卫星位置的精确测定与差分法定位精度的相关关系，即 |eu，b|≤D*σ/ρ 例 设卫星位置误差σ=100m，用户至基准站距离D =100km，伪距=20000km，则 |eu，b| ≤0.5m eu，b是用差分法无法再消除的用户斜距测量时存在的误差。

局域差分GPS所谓局域差分GPS是在地球上已知点(准确己知其三维坐标)上设置一部GPS接收机，GPS接收机有对该点的三维位置坐标指示值因为GPS系统有误差，这个指示值与真实坐标值有差异这个差异是因为对卫星的距离测量不准引起的，因此可由这个差异反算出对各颗在GPS接收机视界内的卫星的测距误差再把这些测距误差作为校正数据，并通过通信链路广播出去，附近的用户GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，从通信链路接收来自基准GPS接收机的误差数据，用来校正自己的；因测量数据，从而达到提高自己的定位精度的目的 局域增强依据的是，在同一地区、同一时间内，GPS缓慢变化的系统误差(包括卫星钟误差、星历误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差)和SA对定位精度的影响是相同或相近的，因此经差分处理后会显著地消除它们，从而改善系统精度局域差分GPS有两种基本工作方式，一种是位置差分，另一种是伪距差分 局域差分GPS系统包括一个基准接收机、一个广播台，两者一起构成差分台；用户则有相应的广播信号接收机和GPS用户接收机为了保证系统的完善性；差分台还要配置监视器；监视GPS卫星、基准接收机的工作和广播发射机的工作。

这样一套系统在空用中叫局域扩展系统(LAAS) 局域差分GPS只能覆盖不大的区域，如果整个陆上空域都要用局域扩展系统覆盖起来，那么需要的局域扩展系统太多，为此，产生了广域差分GPS广域增强系统是在大范围内比较稀疏地布设一些监测站，对GPS系统的误差、完善性和电离层延时进行监测，然后把监测结果借助数据通信网实时地传送到地面上的主站，主站利用这些数据对系统的各种误差因素进行解算，再把解算结果上传至专门设置的静地卫星，以通过卫星通信链路播发至这个大范围内的各用户，用户利用它对自己的解算数据进行修正，使大范围内都能达到飞机I类着陆所要求的精度 广域增强不是广播距各卫星的距离修正值，而是广播卫星星历的误差矢量(Δt， Δx， Δy， Δz)和速率误差矢量（ Δx， Δy， Δz，)因此克服了局域增强只在小范围内起作用的缺点不过电离层修正仍与用户所在的位置有关，为此要根据各基准站所收集到的电离层传播延迟数据，形成大范围内的修正数据格网图，这个图和星历误差矢量一起广播使用当然实际上这种广域增强不仅空用，其他海陆用户也可以利用 广域增强系统的静地卫星用与GPS相同的频率与扩频码播发信号给用户，因此用户为利用广域增强信号，不需要另有台差分修正信号接收机，基本上只要用原GPS接收机作一些软件修改即可，这就保证了广域增强系统的用户可接受性。

 广域差分是伪距差分在空域上的扩展，旨在消除用户至参考站距离对差分工作的影响广域差分GPS由一些主站、许多本地监测站和向用户广播WAAS(广域系统)信号的地球静止(GEO)卫星组成 广域差分GPS各部分之间的信息流通关系可归纳如下: 1)位置精确已知的本地监测站收集数据，其中包括对GPS卫星的观测量、对GEO卫星的观测量、大气观测量等，经合理性检验之后，由平面通信网传送至主站； 2)主站将确定电离层校正值、卫星轨道、卫星矢量误差和卫星的完善性在主站中这些导出数据还要与由本地监测站发来的数据一起经过独立的验证之后，才变为WAAS的广播电文，上行注入GEO卫星； 3)GEO卫星将WAAS电文广播给用户； 4)用户利用所接收到的WAAS电文以提高其定位精度、完善性、可用性和连续性 广域差分GPS不像局域差分那样，广播的是伪距误差这样的标量而提供的是卫星实际星历与广播星历之间的矢量误差，即由三维位置误差和时间所组成的矢量，因此差分效果不受用户距监测站距离的影响但电离层传播修正量是随用户位置不同而不同的，为此WAAS系统把其覆盖区划成一个个方格，GEO广播的是在格子节点(美国一共929个)上垂直方向的实时电离层传播修正量，而用户则要根据自己的位置选择适当的节点再乘以一定的倾斜系数以完成修正。

WAAS系统的功能主要有三个：提高整个覆盖范围的定位精度，使之达到7.6cm (95%)，即I类精密进场的要求；提高完善性，使对每次进场提供危险误导信息的概率降至4×10-8，报警时间达5.2s；可用性提高到0.999这是因为WAAS的GEO卫星也发射类似GPS的伪距测量信号，由于GEO卫星是不怎么运动的，其效果相当于3颗GPS卫星现在看来，WAAS最主要的作用是提高完善性，包括在航路导航阶段的完善性 WAAS之所以用GEO卫星广播差分电文，原因之一是可以把其信号做得与GPS卫星相类似，这样用户不需要像局域差分时那样，还要有差分数据接收机，而只需对GPS接收机作最小的硬件修改，主要改软件即可同时接收WAAS与GPS信号，这就提高了WAAS的用户可接受性 实现广域差分的方式有很多种，这不仅取决于工作空域大小，还与用户的性质有关，但基本上都包括了对主要误差源的附加修正 FAA (联邦航空局)在其1994年的一项计划中列出了卫星导航系统将支持未来NAS(National Airspace System)的飞行安全性、有效性、增加机场和空域能力等一系列要求，正在着手推行WAAS和LAAS(局域系统)方案。

WAAS用来改善GPS SPS信号的完善性、可用性和精度，通过卫星广播对飞机的基本GPS SPS 修正信号，支持从航路直到Cat.I的所有飞行阶段的基本导航方式  LAAS也能改善GPS SPS信号的能力，支持Cat.I到Cat.III的精密进场，它的修正信号是通过在飞机视线内的地面参考站发布的，作用距离通常不超过80km1995年FAA完成了用DGPS进行Cat.III b自动着陆可行性的飞行测试，Boeing公司进行了它自己的类似实验，采用B -757飞机和分别由Collins/DASA，Honeywell/Pelorus，Littzon/hilcox提供的设备，其中Collins/DASA开发的系统于1996年3月在西安咸阳机场进行了演示 WAAS在(TAA Terminal Arrival Areas)那里的定义是，以GPS为基础的导航增强系统，它包括了GEO，WRS(广域基准站)，WMS(广域主控站)和GES(地面地球站)，但具体的布置可能不同 表7-3是几种系统的配置其中AAAS是亚-澳增强系统，它的工作过程是：WRS收集对所有可见的GPS和GEO的测量数据，按联合软件处理和汇总并发往各国的WMS；每个国家的WMS制作和编辑包括卫星完善性电文、差分修正及电离层延迟信息的用户数据电文，送到GES；经交叉检验、综合，连同GPS信号一起上行到所有GEO。

 广域差分GPS网能同时在几个基准站对卫星进行观测，这些基准站的地心坐标精确已知，同时可以利用观测数据实时监测卫星轨道误差，即沿轨道方向(ATK)、垂直轨道方向(XTK)和沿径向(RAD)的误差分量同时，可以进行定轨，实时计算出卫星轨道的ATK，XTK和RAD的修正量这样能把轨道精度改进到2.6m由此可将离基准站300km的用户，由星历数据引起的差分误差减小到0.7m以下 利用来自4个或更多基准站的观测数据，可以完成对每颗卫星的位置和时间的最小二乘法求解通过从基准站到卫星（xi，yi，zi）的矢径关系，可以求解出卫星ATK，XTK，RAD和时钟误差分量时钟误差包括卫星星历数据中的时钟偏移和由SA引入的误差，由剩余的卫星时钟SA和径向位置误差将引起0.3m的距离误差 综上分析，在600km范围内，采用广域差分GPS，使定位精度提高了近4倍7.2.4相位平滑伪距差分 GPS接收机除了可以提供伪距测量外，稍加改进还可提供载波相位测量由于载波相位的测量精度比码相位的测量精度高2个数量级，因此，如果能获得载波整周数，就可以获得近乎无噪声的伪距测量。

载波整周数(或称整周模糊数)的求解很困难，是目前正在研究的课题但要获得载波多普勒频率却是比较方便的，而实际上，载频多普勒计数测量反映了载波相位变化信息，亦即反映了伪距的变化率，利用这一信息来辅助码伪距测量可以获得比单独采用码伪距测量更高的精度7.2.5载波相位差分 载波相位差分技术又称为RTK技术(Real Time kinematic)，是建立在实时处理两个测点的载波相位基础上的与伪距差分原理相同，由参考站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户用户接收GPS卫星的载波相位与来自参考站的载波相位，组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米数量级的定位结果7.3 差分GPS的误差分析 差分GPS的主要优点是可以消除或减小系统性误差，而对随机性误差则没有什么作用但由误差理论知道，系统误差具有累积性影响；而偶然误差具有随机性，通过增加观测次数(静态)或跟踪观测时间(动态)，可大大减弱偶然误差的影响，提高测量结果精度 差分校正的残余误差将影响差分G自导航解的精度，其关系式为: 差分GPS误差=(残余的偏差+噪声)PDOP 式中PDOP的典型值为2.6，可以小到1(最佳卫星几何关系)。

卫星在轨运动，PDOP不断发生着变化限制差分GPS精度的因素有以下几个 1)星历不确定性：星历误差不能由差分校正完全消除，剩余误差是用户与参考站之间距离的函数； 2)电离层延迟：用户和差分参考站到卫星的路径经过了不同的大气层，因而导致了不同的信号延迟； 3)对流层延迟：当地对流层条件对GPS信号有明显影响，这种影响在用户所在地和参考站所在地也许不相同； 4)地球曲率：即用户可视的卫星而参考站可能不可视； 5)遮挡：建筑物、结构物或地形可能遮蔽卫星信号，使之只对用户可视而对参考站不可视； 6)多路径：它由天线周围的反射引起，其误差具有随机的性质，任何两个天线周围的反射状况都是不同的； 7)接收机噪声：它是差分GPS的一个重要问题噪声电平与差分校正为相同的数量级甚至前者略大，当接收机不处于一个固定位置以及位置精度系数不是最佳时，噪声误差特别明显，用户动态将增加测量噪声 8）选择可用性7.4 GPS现代化及其实质 GPS接收机的产量，1997年首次突破100万台GPS产业已为美国增加10万人的就业机会预计2005年，GPS市场的年销售额可能达到100~120亿美元，即在8年之内增长4倍。

快速发展起来的GPS产业，已成为美国工业的新增长点，成为美国经济发展的动力之一但是，GPS系统的总体设计方案是在1973年完成的25年来的实践证明：无论在系统的总体设计(系统组成，图形和信号结构，GPS政策，……)上，或在实际应用中，GPS系统都存在一些不足之处 与俄罗斯的GLONASS和欧洲的GNSS系统相比，在某些方面，也显得落后GPS系统的现代化已提上日程90年代以来，微电子技术和数字化技术已获得重大进展，卫星导航/定位的理论也日趋成熟时至今日，GPS系统的现代化已成为可能 GPS系统的主要问题有： 1)GPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要例如：目前的卫星图形在高纬度地区，严重影响导航和定位，在中、低纬度地区，每天总有两次盲区，每次盲区历时20~30min，盲区时，PDOP值远大于20，给导航和定位带来了很大的误差 2)不仅将来，即使现在，GPS既不能满足美国军方的要求，也不能满足全世界民用的需要 3)现行的GPS双用途政策，既遭到包括美国在内全世界民间用户的强烈反对，也得不到美国军方的支持军方声称：影响美国国家安全利益因此，制定新的GPS政策迫在眉睫。

4）实时导航定位的精度低于GLONASS和GNSS系统 为了克服GPS系统的上述缺点，美国国防部制定了“GPS现代化规划”7.4.1 GPS卫星现代化的提出和内涵 GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统戈尔以文告的形式发表的文告只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位随后美国军方和波音公司(GPS系统主要制造商)发表的文章都阐明了它的内涵：一是保护，即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；二是阻止，即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等； 三是保持，即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用 目前在轨道上的28颗卫星运行正常其中的26颗是属于GPS BIOCKII A型，至2002年初，即由原计划的5年寿命延长到10.6年另外两颗BIOCK IIR型号的GPS卫星正在轨道上正常运行，其中的一颗是1999年10月7日才发射的最新型的BIOCK II F已有6颗进入了工厂生产线，其中的第一、第二颗计划在2001年发射。

7.4.2 GPS现代化计划中的军事部分 美国提出GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要，这是GPS现代化中第一位的，根本的具体地说，GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动引用美军一名将领的原话：在军事行动的，或有危险的，或有威胁的环境下，要求GPS能对作战成员的战斗力提供更好的支持，对他们的生命提供更安全的保障，能有助于各类武器发挥更有效的作用 美国经过调查认为，军事用户对GPS的需求大体有以下4个主要方面: 1)在今后“信息战”“电子战”的背景下，GPS必须要有更好的抗电子干扰能力； 2)要有安全的GPS使用范围，这包括两方面的含义，一是GPS用户能安全使用，二是对不同类型GPS用户要有不同使用范围，要区别对待； 3)GPS用户要有更短的首次初始化时间； 4)和其他军事导航系统和各类武器装备要相互适配使用美国GPS精码P(Y)的除美国军方以外，目前美国军方授权所在国家和地区的军方使用的有27个其中主要是北约国家的军方，在授权亚太地区军方使用的国家和地区主要有：韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。

GPS除了在各类运载器(包括载人和火器)的导航和定位方面发挥了巨大作用外，在对战斗人员的支持和援助中发挥了关键性作用，因此获得了极高的评价 在上述军事用户需求调查的基础上，美国军方和情报部门在l999年6月作出以下4项GPS现代化的相应技术措施： 1)增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力； 2)在GPS信号频道上，增加新的军用码(M码)，要与民用码分开M码要有更好的抗破译的保密和安全性能； 3)军事用户的接收设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能； 4)创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS 为了更好地适应民用导航、定位、大气探测等方面的需求，美方认为它大体有以下5个主要方面 1)改善民用导航和定位的精度； 2)扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性； 3)提高导航的完善性，如增强信号功率，增加导航信号和频道； 4)保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位； 5)注意和现有的以及将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容7.4.3 GPS现代化计划中的民用部分 基于上述需求，美方拟采取的措施有： ①在一年一度评估的基础上，决定是否将SA信号强度降为零。

②停止SA的播放，使民用实时定位和导航的精度提高3~5倍，这已在2001年5月1日零点开始实行这里要说明一点， 美国军方已经掌握了GPS施加SA的技术，即GPS可以在局部区域内增加SA信号强度，使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动 ③在L2频道上增加第二民用码，即CA码这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正 ④增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的完善性7.4.4 GPS现代化计划的进程安排 GPS现代化第一阶段发射12颗改进型的GPS BIOCK IIR型卫星，它们具有一些新的功能即能发射第二民用码，在马上加载CA码；在L1和L2上播发P(Y)码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码(M码)；IIR型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高 GPS现代化第二阶段发射6颗GPS BIOCK IIFGPS BIOCK IIF型卫星除了有上面提到的GPS BIOCK IIR型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。

 GPS IIF型卫星的第一颗的发射不迟于2005年到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗II F型卫星，以保证M码的全球覆盖到2016年GPS卫星系统应全部以II F卫星运行，共计24 +3颗 GPS现代化计划的第三阶段发射的GFS BLOCK III型卫星，在2003年前完成代号为GPS III的GPS完全现代化计划设计工作目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS III型卫星系统结构，系统完善性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS III的第一颗实验卫星计划用近20年的时间完成GPS III计划，取代目前的GPS II7.5 GPS干扰和抗干扰技术 7.5.1 导航战中的GPS抗干扰技术 所谓“导航战”就是保持己方充分利用GPS导航，同时阻止敌方利用GPS导航，又使民用GPS导航不受影响. 由于在GPS系统的设计阶段.设计者并没有把该系统在干扰环境下工作的能力放到很高的地位去考虑，仅仅把它作为战争环境下一种导航辅助手段，所以GPS很容易受到干扰.  这主要是由于: （1）GPS卫星距离GPS接收机20000多公里，信号到达地球表面时己经很微弱，信号强度相当于在20000多公里之外看到的一盏25瓦的灯炮亮度； （2）现有GPS信号的发射频率、调制特性和导航电文众所周知，敌对方很容易对其进行干扰。

美国联邦航空局负责电子对抗的研究部门在1996年12月2日到1997年1月7日对GPS进行干扰测试表明，干扰功率1瓦的干扰机，天线指向为水平线以上不超过20度时，能对200公里范围内的GPS接收机进行干扰. 针对GPS易受干扰这一弱点，GPS联合计划办公室于1988年列出了30种有助于改进GPS性能的技术，其中主要是抗干扰技术.已经掌握及近期(5年内)有望投入使用的技术有: （1）直接P(Y)码捕获技术 由于C/A码只有25dB干信比的抗干扰能力，因此经不起干扰，而P(Y)码有43dB的抗干扰能力1990年5月29日美国的助理国防部长重申，所有军兵种在所有直接作战操作中，必须使用P(Y)码接收机，按照这一政策，美国将现有军用的只能在L1频率上单频工作的C/A码小型手持式GPS接收机改进成可在L1和L2双频上工作的P(Y)接收机将现有先捕获民用的C/A码才能转入跟踪军用的P(Y)码的军用机载GPS接收机，采用多(1023个)相关器技术或小型化的高稳定时钟技术，对P(Y)码进行直接捕获，并引入GPS接收机应用模块技术，使接收机更容易嵌入其它系统中.(2)采用自适应调零天线技术 自适应调零天线包括多个阵元的天线阵，阵中各天线与微波网络相连，而微波网络又与一个处理器相连，处理器对从天线经微波网络送来的信号进行处理后，反过来调整微波网络，使对各阵元的增益和/或相位发生改变，从而在天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点，以减低干扰机的效能。

可以抵消的干扰数量等于天线阵元数减1如果做得好，自适应调零天线可以使GPS接收机的抗干扰能力提高40~50dB目前，Blook IV战斧式导弹和F-16战斗机都安装了采用这种自适应调零天线技术的抗干扰接收机(3)GPS与惯性导航系统(INS)组合技术 GPS与INS组合后，当GPS承受射频干扰时，INS系统可提供记忆功能，并使组合系统最终从所产生的任何导航误差中恢复，继续完成导航任务干扰消失后，INS又可协助GPS迅速重新捕获信号使用GPS与INS组合技术可使系统的抗干扰能力提高10~15%目前GPS与INS组合导航方式己在各类巡航导弹、精确制导炸弹等精确制导武器方面获得了广泛的应用(4)抗干扰滤波器技术 可以用微电子线路或软件来实现，这种技术的优点是不需要像自适应调零天线那样增加设备的体积、重量和价格，而且可大大提高GPS接收机的抗干扰性能(5)研制对GPS干扰源的探测和定位系统 这种对GPS干扰源探测和定位的先进精确目标捕获系统能对阻断或干扰GPS的RF信号进行定位，探测对GPS的有意干扰或人为干扰，并收集有关干扰源的详细信息，以便采取相应的保护措施。

系统可做成吊舱形式或直接安装在EA-6B、F-18、EP-3等多种平台上.(6)陆基伪卫星技术 它可在关注的区域内从地面发射差分GPS信号，改善信号捕获能力和提高精度等 较长期(5~10年)内可能出现的抗干扰技术包括：波束形成天线，提高信号发射功率，采用新的Lm码结构，新型的时间源如：小功率原子钟，机载伪卫星技术和数字波束调向天线技术等，最终有望将GPS接收机的抗干扰性能提高到120dB量级提高GPS的抗干扰性能迫使敌方增加干扰机的信号功率方能维持其有效性最终的结果是干扰机的尺寸和射频能量出现增长，从而容易受到检测和反辐射导弹的攻击如果接收机的抗干扰能力能够提高大约18dB，就会使处于固定位置上的干扰机受到攻击如果可提高40dB或更多，则干扰机遭受攻击的可能性会更大，从而保持GPS系统的坚固性3导航战中的GPS干扰技术 为了阻止敌方在战场上利用民用GPS信号和其它卫星导航系统(如俄罗斯的GLONASS和新出现的欧洲伽利略系统)在战场上与美国对抗，美国正在发展GPS干扰技术，通过上面的介绍可知，对没有进行抗干扰处理的C/A码GPS 接收机进行干扰，那是十分容易进行的。

根据英国的试验，1W功率的调频噪声GPS干扰机，可使22公里内的民用接收机失效俄罗斯近期研制出一种GPS便携式干扰机干扰功率为8瓦，在无遮蔽GPS接收机工作在CA码接收周期的条件下干扰距离可超过200公里，接收机在跟踪方式P(Y)码工作时，8瓦的宽带噪声干扰机干扰距离可以超过40公里，音频干扰机的干扰距离超过80公里然而如果接收机的抗干扰能力提高25dB，同样8瓦干扰机，在使用宽带噪声干扰时干扰距离不到2公里，使用音频干扰时干扰距离不到4公里 由此可见，干扰经过上述抗干扰处理的GPS系统不是件轻而易举的事美国在发展它们的GPS干扰技术时，考虑到敌对方的导航系统可能装备有GPS抗干扰技术，因此，它们正在计划发展的GPS干扰系统是一个分布式、立体干扰系统，在侦察引导站的控制下，可在合适的时间、合适的地点形成机动灵活的多方位，不同高度的分布式干扰，使敌GPS接收机难以防范和抵抗 他们正在发展的干扰机有置于地面的，车载的，气球载的，固定翼机(无人机)和旋翼机载的干扰机的有效辐射功率小到1W，大到100kW有用固定向天线，也有用全向天线的，施放干扰的技术也有讲究，总之是要干扰敌对方，而不是干扰自己和民用，调制波形有窄带和宽带两类，其中宽带干扰效果较为显著。

据认为，地面干扰机和空中干扰机各有各的长处地面干扰机易于布置而且可以作成各式各样，比如美国海军航空兵作战中心研制出的一种GPS 干扰机样机，只有一听可口可乐那么大，而且可以作成各种形状，混在不易发现的地方，可以远距离干扰，干扰机的价格却只有250美元左右，因此可在特种部队中大量使用 但是GPS接收天线对<5˚的信号不敏感，有10dB以上的衰减，而且地面干扰机因地球曲率，地形起伏和建筑遮挡，其作用范围有限，地面对空干扰时还可能受到飞机或导弹机架的遮挡，而将地面干扰机升空.可使干扰信号从>5˚的方向进入接收天线，提高干扰机的干扰性能，增大干扰机的覆盖范围，不过其数量不可能如地面那么大，而且不易在合适的时间出现在需要的地点，当然还有击落问题4发展我国GPS干扰的途径 GPS系统由卫星、地面测控站和用户三个源和由地面测控站向卫星注入导航电文和控制指令的上行通道及由卫星向用户广播导航电文的下行通道二条通道组成对源的干扰主要是毁坏式干扰.由于卫星运行在离地20000多公里的轨道上，对其实施硬摧毁并非易事，地面测控站建在美国本土和大洋中的海岛上，安全可靠，不易受到硬武器的直接攻击.用户部门又具有极大的机动性和分散性，要想损毁它们更是困难。

 对GPS地面站的上行通道进行干扰，也很难实现，因为GPS导航卫星只有在通过位于美国的控制站上时才打开接收机，接收地面控制信号，而且该遥控信号采用了许多加密和抗干扰措施，对其进行干扰目前技术尚未成熟而有可能实现的就是对GPS接收机的下行信道进行干扰因为GPS接收机为了获取所需的导航信息，总是打开的，而且为了同时接收在空中运转的多颗GPS导航星的信号，其接收天线波束较宽，加上接收机相距导航星遥远，接收信号非常弱，因此从目前来看对其进行干扰是比较可行的 在战时，在关键阶段实施对重点战场上主要方向的GPS接收机进行实施区域性局部电子干扰，可使敌方对此地域无法利用GPS进行定位和导航，或使其定位误差增大，不能获取精确的导航定位信息，从而破坏敌方对GPS的利用4.1 GPS信号的侦测 导航战计划中，GPS系统经过上述一系列抗干扰措施，如陆基或机载伪卫星技术，Lm，新码结构等技术后，在战时，GPS的信号结构及信号参数有可能发生改变，根据和平时期已知的各种参数和GPS接收机的处理流程发展起来的干扰设备，就可能因为GPS信号的结构和参数的变化而产生不了预定的干扰效果.因此对一个完善的GPS干扰系统来说，必须具有对GPS信号的侦测功能，完成GPS信号的截获、分析以及载频、码速甚至码型等参数的测量，用侦测得到的GPS信号参数来引导GPS干扰机，并要能兼顾干扰地形匹配系统，达到最佳干扰效果。

 GPS信号是直按序列扩频信号，对直扩信号进行实时检测，从目前有关资料来看，谱相关法是检测直扩信号比较有效的方法，但这种方法检测速度慢，实时性差，难以应用于工程，相关相位检测法对直扩信号很有效，检测速度快，但只能检测信号的有无，无法估计信号参数，因此先选用相关相位检测法进行频段搜索检测，检测到信号后，再采用谱相关技术来完成对GPS信号的分析以及参数测量，可能是一种较为理想的检测方法.4.2 GPS干扰技术体制 上面介绍GPS抗干扰措施中已经谈到，美国所有军用接收机将改用直接P(Y)码捕获技术，要想取得对军用GPS接收机的有效干扰，必须直接从P(Y)码信号的干扰入手对接收机的干扰主要有下面两种方法：4.2.1 压制式干扰 压制式干扰就是通过发射干扰信号压制在GPS接收机揣的GPS卫星信号，使GPS接收机接收不到GPS卫星信号而无法定位，达到干扰的目的P(Y)接收机的抗干扰能力约43dB，当采用上述各种各样抗干扰措施后，如自适应调零天线，自适应滤波及增加信号发射功率等，其抗干扰能力大概可提高到100dB左右，因此，噪声的强度在解扩前要比信号高出100dB，干扰才可能有效。

 P(Y)码信号,其到达地面的最大信号强度约为-155.5dBW，那么要求接收机输入端的噪声强度至少为-55dBW，如果干扰机在一百公里外，那么所需的发射功率至少为35.4KW，设干扰机天线的增益为20dB，那么发射机的发射功率要求为355kW这对于L频段来说，是非常困难的 若采用相关压制干扰方式，干扰噪声信号采用与军码P(Y)码相关性较强的伪随机码，使它在经过扩频处理后得益20dB的改善效果，发射机的发射功率就可降至35.48W，以目前的水平是可以实现的4.2.2 欺骗式干扰 欺骗式干扰是指发射与GPS信号具有相同参数(只有信息码不同)的假信号，干扰GPS接收机，并使其产生错误的定位信息干扰信号的产生可以采用生成式，也可以采用转发式所谓生成式是指由干扰机产生的能被GPS接收的高逼真的欺骗信号 生成式干扰需要知道GPS的码型，以及星的电文数据，由于P码序列长，且可加密成Y码，要从侦收中破译P码从而产生能被GPS接收的高逼真的欺骗信号，其技术难度非常大 从上面分析可以看出，从现实可实现性出发，对经各种抗干扰措施后军用GPS接收机的干扰应以转发式欺骗干扰为主，辅以相关压制干扰。

首先用相关码压制干扰发射一个很短的时间，让干扰区内的GPS接收机转入搜索状态，然后切换到转发式欺骗干扰上，使要干扰的GPS接收机锁定到欺骗信号上，过一段时间，再重复这个过程 采用这种组合方式，可以较好地发挥压制干扰和欺骗干扰的作用，达到好的干扰效果，技术上相对较易实现. 另外，最近各国还正在研制利用GPS技术弱点制造麻烦，夺取GPS系统地面段控制权的黑客技术4.3建立GPS分布式、立体干扰系统 上面谈到GPS是由三大部分及二条通道组成的一个庞大而复杂的导航系统导航战计划中，GPS系统采用了几十种抗干扰措施，对这样一个系统进行干扰，使用单架干扰机进行干扰，则干扰效果将会被大幅度削弱，而且容易被检测和抵消 因此，要精心研究GPS干扰的战法，利用地面干扰机具有容易快速、大量布置,而且不易被发现及空中干扰机覆盖范围大，干扰效果好等各种优点，借鉴美国GPS干扰系统的优点，采用地面固定的、机载的、平流层飞艇载的、气球载的多部不同类型干扰机，根据置于地面的侦察引导站截获、分析得到的GPS信号参数，引导干扰机产生GPS欺骗信号和压制信号，在侦察引导站的控制下将欺骗干扰与压制干扰有机组合,在合适的时间，合适的地点，形成机动灵活的多方位，不同高度的立体干扰，使敌GPS接收机难以防范和抵抗，达到最佳干扰效果。