天汇GPS定位系统

　　今天，GPS制定了全球导航卫星系统的国际化标准。在加利福尼亚州的洛杉矶空军基地，GPS联队继续维持并促使着GPS卫星群走向现代化。

　　图1所描述的是最近2006年11月17日第三颗现代化的IIR-M卫星的发射情况。

　　GPS拥有繁多的民用应用领域，包括从汽车导航、飞机引导、紧急地点定位、海啸和地震监视和经济业务认证到陆地测量。GPS军用方面跨越了导航的全部以及从航空和救援的时间调整到策划的过程。因为其他国家部署GNSS(Global Navigation Satellite System --不受控于美国的全球导航卫星系统)和GPS搜索以改善美国和世界的服务，因此支持GPS的国际合作变得更加重要。

　　GPS带来的威胁和机会再怎么说也不为过，并且需要合作来抵抗威胁和追求机会。射频光谱是有限和拥挤的，这使得它成为了竞争和服务系统越来越寻找的一种稀有资源，但是它可以用GPS通过在谨慎控制下的方式来和其他系统共享频谱以实现互利共赢。、被其他GNSS或non-GNSS系统误导去分享GPS光谱的尝试可能对GPS和其他GNSS有害。相反地，有意与其他GNSS开发者与经营者的合作结果会使得民用接收器得到改进，向所有GNSS用户提供更有力而充实的服务。

　　认可这独特且纲领性的专门技术在GPS联队是很有用的，美国国务院一再从GPS联队寻求支持GNSS国际性组织的技术指导。因为GPS联队的使命是“为我们的顾客提供并维持持续、有效且能承受得起的GPS服务。 ”这些国际努力是GPS联队的一固有部分。

　　成功地完成这个使命直到达到国家太空政策所要求的目标需要广泛的国际交流，正如在这篇文章总结的一样。以下部分描述了GPS联队的背景和其国际化工作的内容。在第二部分，写了保证兼容性的工作。紧跟着的第三部分，写了对增强表现和互用性的努力的总的看法。 GPS联队介入的航空标准和国际军用用户设备分别在第四和第五部分提到。未来的挑战和机遇最后被确认下来。

　　背景

　　GPS是一个连续、面向太空、全天候的PNT系统。GPS卫星传送GPS接收器使用的无线电信号，这些信号用来确定极端准确三维位置和与精确普通时间参考一起的速度信息。虽然名义上卫星群包括24颗地球中轨道的卫星，但是卫星群最近几年已发展为达到30枚运行卫星的规模。每枚卫星在20,200 km (10,900海里)的高度并以大约12个小时的轨道周期在六个轨道平面围绕地球旋转。卫星当前用两个不同波段频率传送军事和民用导航信号：L1段(1575.42MHz)和L2段(1227.6 MHz)。第三个波段频率L5(1176.45 MHz)，也将在接下来的十年内为民用信号使用

　　GPS在全世界广泛用于民用和军事用途。美国的政策目的是提供无须直接向所有用户收费的GPS民用信号，以及开放提供用来发展基于GPS的民用GPS接收器和PNT服务的技术信息。美国和它的盟友也分享GPS军用能力，共同地受益于系统的高精确性、可靠性、全世界可及性和被动独立的操作性。.

　　在GPS增加上和在GNSS的建立方面的国际兴趣越来越浓厚。例如，美国，欧盟，印度，日本和其他国家正推出基于卫星的增广系统(SBAS)，提供更好的准确性和完整性并且直正地使用户在接收SBAS信号时，也能够继续接收必要的GPS信号。由于SBAS信号使用和GPS信号相同的频率，因此，必须设计好使其与GPS信号相协调并且相互可操作。另外，俄国联邦正把注意力重新注入它的全球性导航卫星系统(GLONASS)，欧盟正在开发伽利略号。还有日本正在开发称为类似天顶卫星系统的地方增广系统(QZSS)。通过有意地与其他GNSS相接合，美国和世界可能受益于GPS和这些其他系统之间的协作。

　　开发和修改空间系统需要许多时间，并且用户期待继续与已经被使用的接收器相兼容。结果，今天做出的决定要到下一个十年才起作用，并且还需要坚持。因此非常明显，在国际发展和GNSS合作方面需要一个持续长期的策略。

　　随着GPS的全球使用的增加和在开发另外的卫星导航系统上的国际兴趣日益浓厚，白宫在2004年12月发不了国家基于太空的PNT政策。2这项政策为基于太空的PNT项目，增广和美国国土安全，民用，科学和商务提供了指导。政策更新完美地与帮助引导美国在卫星导航方面的国际合作相同步。这项政策直接确立了引导这些国际努力的两项成拱形的目标：

　　•保持卓越的军事方面基于太空的PNT服务;

　　•保持国际PNT服务的主要成分。3

　　为了回应这样的引导，GPS联队与我们的盟友和其他GNSS机构中在设计和获取GPS方面的领导即GNSS的提供者做了提前工作。反之，GPS联队参与不同的国际性活动，包括国际电信联盟(ITU)光谱会议，为信号兼容性的GNSS工作组和北大西洋公约组织(北约NATO)和其他联盟的GPS用户设备论坛。其中每一活动都在寻求提供安全和增强的GPS服务。带领这些活动是重要的，因为他们巩固了GPS的现代化，帮助确保继续为所有用户提供优良的GPS服务。

　　兼容性

　　在卫星导航中，兼容性是指多系统既能独立工作也能排除不需要的干扰而共同协作的能力。为了具体的军事行动，美国也要求保留美国导航战(Navwar)的业务。导航战保护美国和盟友的GPS业务，同时防止敌人使用GNSS但是在军用范围外必须保持GNSS民用的和平。

　　实现GNSS的兼容性极富挑战性，因为GNSS信号有低功率，覆盖面广，频率重叠的特点。卫星仅能以十瓦特的能量在超过地球表面20,000 km的范围传送每种信号，这些能量被分散在比地球更大的区域，造成接受的信号能量明显少于一毫微瓦特的数量级，比接收器内噪声产生的能量还低。因为这些信号中一大部分是被地球上的各点所吸收，并且许多信号有频率重叠，因此信号间不互相干扰极为重要。独特的信号特征使得GNSS的兼容性评估与同步卫星通信的兼容性评估不同，它要求关键技术的组合。

　　成功实现GNSS兼容性需要及早的国际参与和GPS组成部分的平衡发展，包括地面控制，卫星和接收器。例如，作为最初的航天器(SV)，信号开始设计，信号主频率、带宽和功率电平被定义，并且GPS联队采取行动确保SV信号传输得到国际授权。

　　获得必要的频率光谱是GPS发展重要的第一步。根据美国法律和国防部(DoD) 4650.1方针，系统必须有适当的国内和国际授权来传播信号。4适当的授权不仅保证GPS传播信号的权利，而且它也为反对干扰GPS的诉讼提供依据。为了保证成功完成GPS的使命，GPS联队通过国际电信联盟ITU获得了频率光谱的授权。随后GPS联队在ITU和其他论坛有效地开展工作以保护GPS光谱。

　　GPS联队保护GPS光谱使其免受GNSS和其他无线电通信服务的外在干扰：。如果GPS联队做不到充分的保护，他们将有必要对GPS项目做些改变，这样会对GPS现代化日程和GPS项目成本产生负面影响。

　　GPS联队在ITU世界的无线通信会议这样的全球性舞台上保护光谱。会上世界所有国家的代表们聚在一起，回顾和修正ITU光谱标准。 ITU标准制定了使用无线电频率的国际条约。所以，本质上GPS联队与ITU成员合作开发光谱标准对GPS和GNSS是有利的。

　　GPS联队也努力地防止GNSS信号的干扰。通过参加各样的论坛来对GPS和其他系统之间的兼容性问题进行分类。目的是辨认和解决在共享的和受保护的无线电光谱频率之间的自然冲突，然后完成优化GPS服务在技术和法律方面必不可少的步骤。

　　有关这些努力的一个例子是发生在2002年和2004年之间的美国和欧共体之间的合作。GPS联队(后来称GPS共同计划办公室)在和欧共体的工作中扮演着一个重要角色，保证伽利略信号设计能有一个适当的频率便于和被称为“M-code.”的现代化的GPS军事信号的频率区分开来。这长期且有时复杂的双边努力得到了由后来的美国国务卿Colin Powell，欧共体Loyola dePalacio副总统和爱尔兰外交部长Brian Cowen签字的协议中给出的一种相互令人满意的解答。GPS伽利略协议的技术方面包括了(1)平衡性能和所有的无线电频率的兼容性，(2)达到民用信号的互用性和(3)保护美国和联盟的敌对用途之外的Mcode PNT服务能力。这三条宗旨与2004年6月26日的GPS伽利略协议相符合。图2描绘了GPS伽利略协议定义的最后的基线信号光谱。
注意到GPS M代码和伽利略公众调控的服务信号被从民用信号中分离出来。另外， GPS L1C和伽利略E1公开的服务信号为了增强互用性而共享同一个光谱，然而为了改进无线电频率的兼容性它们却从GPS C/A码(Coarse Acquisition Code粗捕获码)中分离。
最后，GPS必须防止GNSS以外的其他系统的干扰。 GNSS以非常低的接受功率电平来接收信号，这使其极易受功率电平数量级更高的其他系统的干扰。随着世界无线电设备的继续发展，结合有限的可用无线电光谱。意味着新的射频系统和服务一直在寻找包括目前用于GNSS的光谱在内的光谱。

　　作为这些充满矛盾的兴趣是怎样的解决的一个例子，它极具说明性地评论了超宽带(UWB)讨论。在2001年，UWB作为个人通信的一种新技术和感觉，其开发商请求联邦通信委托和国际机构允许在GPS频带内发射信号。由于它的传输特征和功率电平，UWB带来了对GPS服务的重大干扰和威胁。 为了保护GPS和所有GNSS， GPS联队开展了它自身对UWB干扰的测试。测试的结果反应出UWB的干扰将超出GPS可接受的极限. 这些测试，结合从GPS联队技术专家得到的其他信息，被看成是为了限制来自UWB的干扰而建立的规则的基础。要是这个评估过程未被跟随，GPS能够体验那些不能被接受的而贬低它的表现的有害干扰。5

　　表现和互用性

　　由于全球导航卫星系统GNSS随着更多的卫星参与，其性能得到了提高，当民用用户的接收器可以接收来自多个GNSS卫星群的信号时，民用用户将会受益。拥有有限“天空视觉”（因建筑物和树木的遮挡）的接收器，仍然能够接收从一个足够数目的卫星群发来的信号，从而获得方位和时间。拥有更好的“天空视觉”的接收器将充分利用多余的信号来获得更好的准确性和完整性。高度相互可操作的信号允许更加便宜的接收器使用多个卫星群。

　　在卫星导航中，美国定义了互用性，它作为美国民用和外国面向太空PNT服务的能力，当多个系统一起使用时，将会提供更好的用户级性能，比靠单一的服务或信号所达到的性能要好。GPS联队积极同其他GNSS系统的专家致力于民用信号的设计以提高互用性。目标是合作设计卫星系统，它不仅能传送相兼容的信号，而且能传送通过信号互用而得到增强的信号。有时增强表现的信号产生于双边工作组的创造性协作的努力。这样成就的例子是复用的二进制偏移载波 (MBOC)的模块化联合开发，它是用来传播GPS L1C信号和在L1频带(被集中在1575.42 MHz) 的伽利略开放的服务信号的。虽然2004年GPS伽利略协议定义了基线传播的模块化，它也考虑到这个基线信号结构的优化。 在2006年冬天，一个欧洲小组和美国专家共同开发了一个信号优化结构，产生了混合二进制偏移载波调制技术MBOC。 在互用性和兼容性方面工作的且美国方面的联合主席是GPS联队的总工程师的GPS伽利略工作团队，建议GPS和伽利略采用MBOC，这样将最后会提供保持和军用信号相分离的更好的整体表现。

　　通过最大化用于不同系统的民用信号设计也可以促进互用性。接收普通信号的GNSS接收器(有相似的技术特征)会变得更小，使用较少能量和费用，这些给他们提供了更好的表现并且市场在不断扩大。由于GPS联队是在信号设计和维护所有GPS信号的接口控制文件的一个主要参于者，它在GNSS互用性与其他国家的双边努力上起美国领导作用。

　　一个最近的例子提到了GPS和日本的 QZSS（准天顶卫星系统）。在2005年和2006年期间，日本和美国的专家合作来共享信息和为系统间的兼容性而寻找机会。 由于这些共同努力， QZSS计划提供与现存的及未来现代化的GPS信号相类似的信号。 结果，使用这些相互可操作的信号的接收器可以节约成本同时具有优良的表现。

　　通过GPS联队带领的各种双边努力，美国现在在GPS、伽利略、SBAS（基于卫星的增广系统）和QZSS之间的互用性上已达到了一定的高度。 与俄国的讨论同样考虑到增强GPS和GLONASS（全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE）之间的互用性的可能性。 如果能找到一种相互可接受的解决方案， GPS联队将成功地提高民用信号的表现和三个全球系统与一个区域系统之间的互用性。全世界的用户将会受益，因为国外GNSS本质上有两倍或三倍于 “类似于GPS”的信号和卫星，这些将提供给全世界的GNSS民用用户

　　飞行导航标准

　　虽然联邦飞行管理部门与其他民用航空权威为民用飞行共同制定了导航标准，但是GPS联队是美国的涉及GPS军用航空导航标准的领导力量。GPS联队发展GPS空中导航的标准有两个目标：（1）确保共存于同一个国内和国际空中领域的民用和军用空中导航活动安全和有效（2）保证航空标准和政策与美国及其同盟国的军事需求相一致。

　　GPS导航标准围绕两个基本的GPS服务发展：标准的定位服务（SPS）和精确的定位服务（PPS）。标准的定位服务对所有用户开放，而精确的定位服务是加密服务，权威（主要是军事）用户才有权使用。为支持这些服务，DoD发展了定义联邦政府提供给民用GPS用户的GPS的表现等级。6 GPS联队代表DoD负责影响军事行动的性能和证明标准。由于GPS被航空权威和为飞行安全考虑而设计GPS接收器的设备制造商承认，这些标准同样影响GPS的所得。有时接收器的设计影响了所需卫星信号的能力，接着就影响了卫星的设计。因此，GPS联队通过与航空和接收器制造商合作来提供适当的信号和控制利用这些信号的标准。

　　单个的国家通过参与到诸如国际民间航空组织（ICAO）的国际讨论会和北大西洋公约组织来共同地开发涉及这些性能和证明标准的工业标准。由于这些方针影响国际规则，国际民间航空组织和北大西洋公约组织能最终影响无缝的军事行动和GPS卫星的设计。
在军用航空方面，GPS联队引领了GPS的精确定位服务标准。这些新的GPS的精确定位服务标准可以通过军用航空导航系统的较低的成本、全面改进型的耐飞性证明及空中交通管制员来衡量。GPS联队在北大西洋公约组织中开展的空中导航标准工作允许同盟国的军事飞行器无缝地经过国际空域。
（左）顶端捆绑有新全球定位系统制导的联合精确空投系统(JPADS)的空投物于 2006年8月31日从C - 130运输机上空投出来。这次空投是有史以来第一次在阿富汗战区携带有JPADS的空投，（摄影：美国陆军中将Michael J. Taylor） 。 （右）飞行中携带10000磅有效载荷的JPADS，从亚利桑那州的尤马试验场上空25,000英尺的1架C – 130运输机中空投。

　　与北大西洋公约组织成员国及其他的协约国合作

　　GPS联队不仅制定了空中导航的标准，而且与25个北大西洋公约组织成员国以及超过20个协约国共同来将GPS用于军事行动标准化和提升其应用性。特别的，GPS联队负责GPS的对外军事贸易（FMS），联合开发未来军事武器，标准化协议，及检测和评价导航雷达（Navar）的运转。此外，每六个月GPS联队举行一个北大西洋公约组织成员国的航空小组委员会，在会上同盟国开会讨论与GPS有关的包括导航标准、密钥的分发、设备协同能力、导航雷达运行及其他共同的导航问题在内的专业问题。

　　由于国际军事伙伴要将GPS融进他们的领土、领海、领空及空军的构成，为促进此次成功，GPS联队与他们合作。在2006年，GPS联队为同盟国运送了大致50，000，000美元的对外军事贸易设备。GPS联队帮助支持GPS接收器标准化的同盟国中的这种设备销售。通过这样做，提高了包括军事动作的协调性、干扰台的环境及武器投放在内的联合作战中导航雷达的能力。展望未来，GPS联队有望争取同额外的在发展技术示威者和在诸如GPS安全接收器等领域的系统原型、联合干扰设备及联合试验和训练中的同盟国合作。

　　总结和展望未来

　　本文中总结的GPS联队的国际努力对GPS计划的成功来说是基础性的。在每一个国际交互中形成的关联、方法以及协议都被小心的建立来互相支持。甚至更重要的是在不同活动中所产生的利益。例如，美国同盟国在利用军事GPS的参与对正在进行的GPS联队在兼容性方面的努力提供了国际支持，GPS在全球范围内的民用给GPS增强表现和与其他GNSS的协同工作能力上提供了支持。

　　GPS联队的国际活动为未来提供了连续的机遇和挑战。国内的和国际的频谱备案对GPS III计划以保证对导航、向上传输及向下传输信号的无线电频率频谱来说是必需的。许多重要的新的涉及与其他GNSS的协同工作能力的建立在与当前GNSS伙伴连续工作来保护军事GPS的兼容性上的活动也同样即将出现。GPS 联队不仅设计和保护GPS信号，它将同样通过建立合适的航空标准和与北大西洋公约组织成员国及其他同盟国的协调来保护M编码。

　　由于GPS联队仍然需要现代化的空间段、控制段及军事用户设备，其配合了这些收购活动的国际努力为美国和整个世界提供尽可能最好的卫星导航能力。

　　注：

　　1. 全球导航定位系统联合计划办公室（SMC/GP）的任务声明： http://gps.losangeles.af.mil/jpo （进入2007年1月9日）。

　　2．情况说明书，美国面向太空的定位，航海和计时政策(2004 12月15日)。

　　3. Ibid. III.

　　4．国防部管理的4650.1号方针，对电磁波频谱的政策和用途， 2004年6月8日。

　　5. 全国电信和信息部门对Ultrawideband (UWB)系统之间的兼容性和对全球定位系统(GPS)接收器的管理、评估， iii， xx (2001年NTIA特别出版物01-45)。

　　6．2001年10月国防部副部长提出的对命令、控制、通信和智力及全球定位系统标准安置的使用性能标准。

　　Col Mark C. Crews（美国空军学院电气工程学士;麻省理工学院理科硕士;科罗拉多州技术大学管理学硕士;英国牛津大学电机工程博士）担任GPS联队空间和导弹系统中心的总工程师。他的第一职务是担任伊利诺州斯科特空军基地自动化通信系统的测试工程师。在1987年，他担任该部空军学院电气工程的教员。在1992年，他任职于俄克拉何马州报廷克空军基地，在那里他担任B - 1B的武器系统首席工程师。随后，他在1995年至1996年间加入了阿拉巴马州麦克斯韦空军基地的空中指挥和参谋学院。接下来，他回到空军学院，后来在那里担任电机系的副系主任。在2000年，他担任美国新墨西哥州柯特兰空军基地机载激光技术科行政职务。从2003年至2004年，他担任先进激光光束控制试验光束控制司司长，他在“星火光学试验机构”和新墨西哥North Oscura峰试验场的传播试验床指导工作。他还担任过菲利普斯研究实验室的副司令员，空军研究实验室的空间飞行器高级首长。他毕业于中队军官学校，空军指挥和参谋学院，空军战争学院等。