第二代GPS衛星技術與性能改進
閱讀：6802發布時間：2012-1-13
美國的第二代GPS衛星是實用的工作星，它包括GPS-II、GPS-IIA、GPS-IIR和GPS-IIF這4種不斷改進的型號。從1989年發射GPS-II衛星以來，共發射了約40顆衛星，其中成功入軌的GPS-II衛星為9顆，GPS-IIA為20顆，GPS-IIR為7顆。GPS-IIF計劃定購33顆，預計2008年發射*顆衛星。
與早期在軌驗證試驗衛星相比，第二代GPS衛星（GPS-II/IIA）的在軌重量增加到1665kg，電源功率（壽命末期）增加到710W，確保壽命延長到7.5年，設計壽命10年。MEO軌道的高度仍保持在20200km，但傾角改為55o，軌道面由3個變為6個。運載火箭改用更大推力的德爾它6925/7925和德爾它-2型一箭一星發射入軌，然后由星上固體遠地點發動機送入工作軌道。第二代衛星上還加載了核爆炸探測裝置。
為保持GPS系統長期穩定運行，美*20多年來始終采取研發一代、改進一代和部署一代同時并舉的方針，每代之間的時間間隔大約為10年。例如1987年*將GPS-IIR衛星的研發和采購合同授予馬丁·瑪麗埃塔（當時的通用電氣公司宇航部）公司，1997年首顆GPS-IIR衛星投入運營。同時又在1996年啟動改進型GPS-IIF衛星計劃。目前正在策劃發展第三代GPS衛星。
1、GPS-IIR衛星主要技術
GPS-IIR衛星的中心本體是一個邊長約為1.8m的立方體，太陽帆板跨度約9m。其有效載荷功耗為1136kW（壽命末期）。衛星起飛重量2032kg，在軌重量1066.5kg，裝填固體發動機燃料約950kg。姿軌控系統采用三軸穩定和偏航控制，裝有16臺推力器及若干推進劑貯罐。推進系統為固體遠地點發動機，約占衛星總重的一半。有效載荷各單元功能如表1所示，有效載荷包括星鐘產生導航信息到發往用戶的全系統鏈路及其4個子系統（任務數據單元、互聯轉發器數據鏈路、時間基準裝置和L頻段子系統）。表2列出了*、二代GPS所用星鐘的技術指標。
表1GPS-IIR有效載荷各單元功能
單元功能
原子頻率標準為所有GPS信號提供的、穩定的、可靠的測時
星上處理產生導航信息，進行星歷計算、數據加密，產生P和C/A碼，檢測有效載荷健康，提供鐘差校正
軟件實現星上處理功能從地面站調整程序
L-頻段系統產生和調制L1、L2、L3信號并把它們組合發向地球
交叉鏈路提供衛星-衛星間通信和測距
自主導航當沒有地面正常通信時提供自主運行
表2*、二代GPS所用星鐘技術指標
AFS類型可靠性要求體積（長/寬/高）/mm重量/kg功耗/W
RbGPSBlock-I0.763127/152.4/190.54.48924.75
CsGPSBlock-I（1）0.663134.62/383.54/198.1210.44422.00
RbGPSBlock-II0.763134.62/383.54/198.124.48924.75
CsGPSBlock-II0.663134.62/383.54/198.1210.44422.00
RbGPSBlock-IIA0.763127/152.4/190.54.48924.75
CsGPSBlock-IIA0.663134.62/383.54/198.1210.44422.00
CsGPSBlock-IIA0.750134.62/383.54/198.1210.44422.00
RbGPSBlock-IIR0.763215.9/142.24/157.485.22215
CsGPSBlock-IIR0.775419.1/139.7/133.358.20626
注：表中Rb為銣鐘，Cs為銫鐘；只有zui后4顆Block-1攜帶銫原子頻率標準
2、GPS-IIR的改進
GPS-IIR與GPS-II/2A等型號衛星比較，其zui大改進是增加了兩大功能，從而使GPS-IIR的能力有了巨大飛躍：一是增加了時間保持系統（TKS），二是自主導航能力。
（1）星鐘
星鐘或時間基準裝置（AFS）是整個有效載荷的心臟，它提供確保GPS導航精度所需的時間。GPS-IIR裝有2臺銣鐘和1臺銫鐘。GPS系統對星鐘的關鍵需求是與相對應的GPS時間保持6ns度。為達到這一要求，設計者將2臺銣鐘和1臺銫鐘集成到有效載荷中的時間保持系統（TKS）內，而且3臺星鐘之間互為備份，以確保這一關鍵設備不會因1臺失效而導致全系統失靈。
（2）任務數據單元
任務數據單元（MDU）是整個有效載荷的大腦。它是星歷計算、數據加密、導航信息生成、P碼和C/A碼生成、有效載荷健康狀況監測和星鐘誤差校正等所有任務功能的集成單元。它采用工作在16MHz頻段的MIL-STD1750A抗輻射加固*處理器，軟件由ADAHOL寫入25000行代碼。與前幾種GPS型號軟件相比，該軟件極其龐大和復雜，能自主完成以前必須由地面控制段完成的180天自主導航功能，還可以作為以前要由處理器處理的各種硬件與軟件的接口。
（3）L頻段系統
L頻段系統由3臺編號為L1、L2和L3頻率的發射機組合而成。其中L1和L2頻率用于GPS導航任務，L3頻率用于核爆炸探測系統。L1頻率為1575.42MHz，L2為1227.60MHz，L3為1381.05MHz。GPS-IIR的L頻段系統包括10個單元組件，L1/L2頻率合成器、L1調制器/中功率放大器（MOD/IPA）、L2MOD/IPA；L1大功率行波管放大器（HPA）、L2HPA、L1/L2dc/dc變換器、L3頻率合成器/MOD/IPA/變換器、L3HPA、L3天文帶寬抑制濾波器和3臺發射機共用天線互擾消除裝置。
（4）L頻段天線
L頻段衛星天線設計用于向地球及其周邊空域上的海陸空天用戶發射經過合成處理的L1、L2信號。該天線系統是一種寬帶、固定波束天線，以L1、L3和L3頻率提供覆蓋，天線始終指向地球，從GPS衛星高度的視角為27.7o，指向誤差控制在小于±0.015o以內，因此，具有足夠增益、視角大于28o的固定波束天線可滿足GPS衛星的要求。
（5）星間鏈路
GPS-IIR衛星的重大改進是增加了星間鏈路，以提供各衛星之間的通信和測距。為此，每顆GPS-IIR衛星上都裝有一個用于星間鏈路通信與測距功能的互聯轉發器數據單元（CTDU）。它有雙重功能，一是為星上自主導航和在2R衛星間交換自主導航狀態矢量數據；二是限于導航數據生成（NDS）系統的數據交換。自主導航負責向用戶接收機提供星上計算的導航參數，自主導航狀態矢量信息包括開普勒軌道參數和星鐘狀態數據兩部分。由于GPS星座系統中目前仍在軌工作的GPS-IIA衛星沒有星間鏈路功能，因此只有GPS星座布滿2R衛星時才能提供一種能在沒有地面控制段參與的180天期間保持自主導航的能力，在此期間的用戶測距誤差（URE）仍能保持小于6m。
（6）自主導航
在GPS-IIR之前所有型號衛星都沒有自主導航功能，所有衛星廣播的導航信息都由地面控制段的上行注入站每天注入一次。在這些導航信息中包含的星鐘與星歷參數都是基于控制段的當時估算進行預報的，而GPS-IIR衛星的重大改進就是能夠在星上自動預估星鐘與星歷參數，并生成導航信息。這種能力叫作自主導航或自動導航（AutoNav）。美國開發自主導航能力的主要動機有如下四方面：
一是提高GPS系統的生存能力。美國認為地面控制段是GPS系統中的薄弱環節，一旦遭到攻擊將使整個系統癱瘓。自主導航能保障GPS在失去地面支持的條件下，自主運行180天，且能滿足導航精度要求；這種能力還允許任一地面監控站*損失而不影響正常的導航功能。
二是減少上行注入要求。上行注入站上只需發送很少數據。
三是完好性。星間鏈路測距功能提供了一種能與其星鐘和星歷參數比對的獨立參考基準。
四是精度。由于自主導航功能能夠每小時4次更新星歷與星鐘參數，和現有的每天更新一次相比，將有助于改進導航精度。
3、GPS-IIF性能參數
1996年4月美國*將GPS-IIF項目的合同授予洛克韋爾公司（即現在的波音公司）和計算機科學聯合公司（地面部分），以便在21世紀初發展、驗證、部署和支持GPS系統的長期穩定運行，并保持與現存GPS的兼容性。GPS-IIF計劃生產33顆衛星，首顆衛星原定2003年發射，但由于過去幾年軍用和民用需求變化以及導航戰和GPS現代化計劃的需要，GPS-IIF衛星設計有一些新的改進計劃，加上GPS星座運行狀況及補網計劃允許推遲，預計首星發射時間將會推遲到2008年。目前*訂購的GPS-IIF衛星為16顆。*打算再增購17顆衛星，使GPS-IIF星座運行到2015年，然后由新一代GPS-3衛星接替，根據這一設想，原定2011年前發射的GPS-3衛星將被推遲。
GPS現代化計劃包括對民用和軍用兩方面。
民用方面，總的目標是使GPS成為具有競爭力的標準，占領GPS民用市場，采取的措施是解除對GPS民用信號的SA干擾，使目前民用導航精度由原來的100m，提高到20m，將來zui終將達到10m；增加兩種新的民用信號，使民用用戶可用雙頻接收改善電離層誤差，實現民用導航精度的大幅度提高。
軍用方面，主要目標是增強抗*力和提高全系統的生存能力，戰爭或危機時刻，阻止敵對勢力利用GPS導航信息和對GPS系統的惡意干擾或攻擊。目前采取的措施主要有：將軍碼和民碼信號*分開；增加或引入兩種軍用信號，增強衛星信號強度；采取綜合措施（包括空間段、地面段和用戶段）增強GPS的抗*力。
為此，美國*已經決定對庫存的14顆GPS-IIR衛星進行改進。首顆裝有新的軍用M碼和改進民碼的GPS-IIR-M衛星將于2003年發射，這批改進衛星的信號發射功率將比原有GPS-IIR提高4倍。
GPS-IIF衛星的改進設計主要是為了滿足導航戰的要求。隨著美軍對GPS的日趨依賴，美國越來越擔心GPS系統被敵方所用或被敵方干擾，因此美國*決定撥款7億美元對已經設計定型的2F衛星進行改進。首先在空間段將衛星信號發射功率提高到原設計的10倍，軍用導航精度可以從15m提高到優于7m。同時還打算在GPS-IIF衛星上使用小功率原子鐘，加載星載偽衛星，采用星間鏈路和自主導航新技術，使GPS系統在沒有地面控制段支持的情況下，自主運行60～180天。對GPS-IIF衛星的改進已經耗盡了幾乎所有的功率和重量設計余量。
在地面用戶段，將對GPS軍用接收機采取射頻干擾檢測告警技術、前端濾波技術、碼環和載波環跟蹤增強技術和天線增強技術等抗干擾措施，增強接收機終端的抗*力。
為防止GPS系統癱瘓后對美軍造成的災難性影響，美國*已經確定了兩套可以暫時替代GPS的備份方案。一是慣性導航系統（INS）和增強型定位系統（EPLS）。前者是一種*自主的導航系統，已經作為方案。美軍的很多武器系統都配備了GPS/INS綜合導航功能，二者互相補充，且有*的保密功能。EPLS是一種*的無線電裝置，帶有一定自主導航能力，在出現針對GPS干擾的電子戰情況下，是一種有效的備份方案。
GPS-IIF衛星主要的設計特點是繼承性、靈活性和兼容性。
為提高批量生產能力，GPS-IIF采用模塊化設計，各種有效載荷配置在兩塊面板上。其設計壽命延長到15年。GPS-IIF為進一步改進留有很大的余量，其中未分配重量余額為135~180kg，電源功率余額為275~1000W，并且采用經過飛行驗證的算法和RF元器件。GPS-IIF的L頻段功率電平與GPS-IIA相同。運載火箭采用中等推力的新型EELV（德爾它-4M或宇宙神-5）。GPS-IIF的用戶測距誤差（URE）為3m。星座具有星間鏈路和自主導航能力，具備快速的在軌重編程能力。為增加M碼和L5民用信號，以及提供更強的抗*力，GPS-IIF提供了比較寬裕的設計余量。
GPS-IIF衛星發射重量：2170kg（含153kg未分配重量），干重1170kg（含153kg未分配重量），電源功率為2440W（壽命末期）或1510W（不包含275~1000W的設計余量）。
隨著導航戰和電子戰技術的發展，對美國GPS系統的攻防與抗干擾技術還會在第三代GPS中得到更大的發展。
