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第二代GPS卫星技术与性能改进
浏览次数:5888发布日期:2012-01-13
  美国的第二代GPS卫星是实用的工作星,它包括GPS-II、GPS-IIA、GPS-IIR和GPS-IIF这4种不断改进的型号。从1989年发射GPS-II卫星以来,共发射了约40颗卫星,其中成功入轨的GPS-II卫星为9颗,GPS-IIA为20颗,GPS-IIR为7颗。GPS-IIF计划定购33颗,预计2008年发射*颗卫星。
  
  与早期在轨验证试验卫星相比,第二代GPS卫星(GPS-II/IIA)的在轨重量增加到1665kg,电源功率(寿命末期)增加到710W,确保寿命延长到7.5年,设计寿命10年。MEO轨道的高度仍保持在20200km,但倾角改为55o,轨道面由3个变为6个。运载火箭改用更大推力的德尔它6925/7925和德尔它-2型一箭一星发射入轨,然后由星上固体远地点发动机送入工作轨道。第二代卫星上还加载了核爆炸探测装置。
  
  为保持GPS系统长期稳定运行,美国防部20多年来始终采取研发一代、改进一代和部署一代同时并举的方针,每代之间的时间间隔大约为10年。例如1987年国防部将GPS-IIR卫星的研发和采购合同授予马丁·玛丽埃塔(当时的通用电气公司宇航部)公司,1997年首颗GPS-IIR卫星投入运营。同时又在1996年启动改进型GPS-IIF卫星计划。目前正在策划发展第三代GPS卫星。
  
  1、GPS-IIR卫星主要技术
  
  GPS-IIR卫星的中心本体是一个边长约为1.8m的立方体,太阳帆板跨度约9m。其有效载荷功耗为1136kW(寿命末期)。卫星起飞重量2032kg,在轨重量1066.5kg,装填固体发动机燃料约950kg。姿轨控系统采用三轴稳定和偏航控制,装有16台推力器及若干推进剂贮罐。推进系统为固体远地点发动机,约占卫星总重的一半。有效载荷各单元功能如表1所示,有效载荷包括星钟产生导航信息到发往用户的全系统链路及其4个子系统(任务数据单元、互联转发器数据链路、时间基准装置和L频段子系统)。表2列出了*、二代GPS所用星钟的技术指标。
  
  表1GPS-IIR有效载荷各单元功能
  
  单元功能
  
  原子频率标准为所有GPS信号提供的、稳定的、可靠的测时
  
  星上处理产生导航信息,进行星历计算、数据加密,产生P和C/A码,检测有效载荷健康,提供钟差校正
  
  软件实现星上处理功能从地面站调整程序
  
  L-频段系统产生和调制L1、L2、L3信号并把它们组合发向地球
  
  交叉链路提供卫星-卫星间通信和测距
  
  自主导航当没有地面正常通信时提供自主运行
  
  表2*、二代GPS所用星钟技术指标
  
  AFS类型可靠性要求体积(长/宽/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为铷钟,Cs为铯钟;只有zui后4颗Block-1携带铯原子频率标准
  
  2、GPS-IIR的改进
  
  GPS-IIR与GPS-II/2A等型号卫星比较,其zui大改进是增加了两大功能,从而使GPS-IIR的能力有了巨大飞跃:一是增加了时间保持系统(TKS),二是自主导航能力。
  
  (1)星钟
  
  星钟或时间基准装置(AFS)是整个有效载荷的心脏,它提供确保GPS导航精度所需的时间。GPS-IIR装有2台铷钟和1台铯钟。GPS系统对星钟的关键需求是与相对应的GPS时间保持6ns度。为达到这一要求,设计者将2台铷钟和1台铯钟集成到有效载荷中的时间保持系统(TKS)内,而且3台星钟之间互为备份,以确保这一关键设备不会因1台失效而导致全系统失灵。
  
  (2)任务数据单元
  
  任务数据单元(MDU)是整个有效载荷的大脑。它是星历计算、数据加密、导航信息生成、P码和C/A码生成、有效载荷健康状况监测和星钟误差校正等所有任务功能的集成单元。它采用工作在16MHz频段的MIL-STD1750A抗辐射加固中央处理器,软件由ADAHOL写入25000行代码。与前几种GPS型号软件相比,该软件极其庞大和复杂,能自主完成以前必须由地面控制段完成的180天自主导航功能,还可以作为以前要由处理器处理的各种硬件与软件的接口。
  
  (3)L频段系统
  
  L频段系统由3台编号为L1、L2和L3频率的发射机组合而成。其中L1和L2频率用于GPS导航任务,L3频率用于核爆炸探测系统。L1频率为1575.42MHz,L2为1227.60MHz,L3为1381.05MHz。GPS-IIR的L频段系统包括10个单元组件,L1/L2频率合成器、L1调制器/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变换器、L3频率合成器/MOD/IPA/变换器、L3HPA、L3天文带宽抑制滤波器和3台发射机共用天线互扰消除装置。
  
  (4)L频段天线
  
  L频段卫星天线设计用于向地球及其周边空域上的海陆空天用户发射经过合成处理的L1、L2信号。该天线系统是一种宽带、固定波束天线,以L1、L3和L3频率提供全球覆盖,天线始终指向地球,从GPS卫星高度的视角为27.7o,指向误差控制在小于±0.015o以内,因此,具有足够增益、视角大于28o的固定波束天线可满足GPS卫星的要求。
  
  (5)星间链路
  
  GPS-IIR卫星的重大改进是增加了星间链路,以提供各卫星之间的通信和测距。为此,每颗GPS-IIR卫星上都装有一个用于星间链路通信与测距功能的互联转发器数据单元(CTDU)。它有双重功能,一是为星上自主导航和在2R卫星间交换自主导航状态矢量数据;二是限于导航数据生成(NDS)系统的数据交换。自主导航负责向用户接收机提供星上计算的导航参数,自主导航状态矢量信息包括开普勒轨道参数和星钟状态数据两部分。由于GPS星座系统中目前仍在轨工作的GPS-IIA卫星没有星间链路功能,因此只有GPS星座布满2R卫星时才能提供一种能在没有地面控制段参与的180天期间保持自主导航的能力,在此期间的用户测距误差(URE)仍能保持小于6m。
  
  (6)自主导航
  
  在GPS-IIR之前所有型号卫星都没有自主导航功能,所有卫星广播的导航信息都由地面控制段的上行注入站每天注入一次。在这些导航信息中包含的星钟与星历参数都是基于控制段的当时估算进行预报的,而GPS-IIR卫星的重大改进就是能够在星上自动预估星钟与星历参数,并生成导航信息。这种能力叫作自主导航或自动导航(AutoNav)。美国开发自主导航能力的主要动机有如下四方面:
  
  一是提高GPS系统的生存能力。美国认为地面控制段是GPS系统中的薄弱环节,一旦遭到攻击将使整个系统瘫痪。自主导航能保障GPS在失去地面支持的条件下,自主运行180天,且能满足导航精度要求;这种能力还允许任一地面监控站*损失而不影响正常的导航功能。
  
  二是减少上行注入要求。上行注入站上只需发送很少数据。
  
  三是完好性。星间链路测距功能提供了一种能与其星钟和星历参数比对的独立参考基准。
  
  四是精度。由于自主导航功能能够每小时4次更新星历与星钟参数,和现有的每天更新一次相比,将有助于改进导航精度。
  
  3、GPS-IIF性能参数
  
  1996年4月美国*将GPS-IIF项目的合同授予洛克韦尔国际公司(即现在的波音公司)和计算机科学联合公司(地面部分),以便在21世纪初发展、验证、部署和支持GPS系统的长期稳定运行,并保持与现存GPS的兼容性。GPS-IIF计划生产33颗卫星,首颗卫星原定2003年发射,但由于过去几年军用和民用需求变化以及导航战和GPS现代化计划的需要,GPS-IIF卫星设计有一些新的改进计划,加上GPS星座运行状况及补网计划允许推迟,预计首星发射时间将会推迟到2008年。目前首批订购的GPS-IIF卫星为16颗。*打算再增购17颗卫星,使GPS-IIF星座运行到2015年,然后由新一代GPS-3卫星接替,根据这一设想,原定2011年前发射的GPS-3卫星将被推迟。
  
  GPS现代化计划包括对民用和军用两方面。
  
  民用方面,总的目标是使GPS成为具有竞争力的国际标准,占领GPS民用市场,采取的措施是解除对GPS民用信号的SA干扰,使目前民用导航精度由原来的100m,提高到20m,将来zui终将达到10m;增加两种新的民用信号,使民用用户可用双频接收改善电离层误差,实现民用导航精度的大幅度提高。
  
  军用方面,主要目标是增强抗干扰能力和提高全系统的生存能力,战争或危机时刻,阻止敌对势力利用GPS导航信息和对GPS系统的恶意干扰或攻击。目前采取的措施主要有:将军码和民码信号完全分开;增加或引入两种军用信号,增强卫星信号强度;采取综合措施(包括空间段、地面段和用户段)增强GPS的抗干扰能力。
  
  为此,美国*已经决定对库存的14颗GPS-IIR卫星进行改进。首颗装有新的军用M码和改进民码的GPS-IIR-M卫星将于2003年发射,这批改进卫星的信号发射功率将比原有GPS-IIR提高4倍。
  
  GPS-IIF卫星的改进设计主要是为了满足导航战的要求。随着美军对GPS的日趋依赖,美国越来越担心GPS系统被敌方所用或被敌方干扰,因此美国国防部决定拨款7亿美元对已经设计定型的2F卫星进行改进。首先在空间段将卫星信号发射功率提高到原设计的10倍,军用导航精度可以从15m提高到优于7m。同时还打算在GPS-IIF卫星上使用小功率原子钟,加载星载伪卫星,采用星间链路和自主导航新技术,使GPS系统在没有地面控制段支持的情况下,自主运行60~180天。对GPS-IIF卫星的改进已经耗尽了几乎所有的功率和重量设计余量。
  
  在地面用户段,将对GPS军用接收机采取射频干扰检测告警技术、前端滤波技术、码环和载波环跟踪增强技术和天线增强技术等抗干扰措施,增强接收机终端的抗干扰能力。
  
  为防止GPS系统瘫痪后对美军造成的灾难性影响,美国国防部已经确定了两套可以暂时替代GPS的备份方案。一是惯性导航系统(INS)和增强型定位系统(EPLS)。前者是一种完全自主的导航系统,已经作为方案。美军的很多武器系统都配备了GPS/INS综合导航功能,二者互相补充,且有极强的保密功能。EPLS是一种先进的无线电装置,带有一定自主导航能力,在出现针对GPS干扰的电子战情况下,是一种有效的备份方案。
  
  GPS-IIF卫星主要的设计特点是继承性、灵活性和兼容性。
  
  为提高批量生产能力,GPS-IIF采用模块化设计,各种有效载荷配置在两块面板上。其设计寿命延长到15年。GPS-IIF为进一步改进留有很大的余量,其中未分配重量余额为135~180kg,电源功率余额为275~1000W,并且采用经过飞行验证的算法和RF元器件。GPS-IIF的L频段功率电平与GPS-IIA相同。运载火箭采用中等推力的新型EELV(德尔它-4M或宇宙神-5)。GPS-IIF的用户测距误差(URE)为3m。星座具有星间链路和自主导航能力,具备快速的在轨重编程能力。为增加M码和L5民用信号,以及提供更强的抗干扰能力,GPS-IIF提供了比较宽裕的设计余量。
  
  GPS-IIF卫星发射重量:2170kg(含153kg未分配重量),干重1170kg(含153kg未分配重量),电源功率为2440W(寿命末期)或1510W(不包含275~1000W的设计余量)。
  
  随着导航战和电子战技术的发展,对美国GPS系统的攻防与抗干扰技术还会在第三代GPS中得到更大的发展。
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