【聚焦】GPS III來了！

GPS III的特點

首先聲明，這里說的GPS III衛(wèi)星的特點。熟悉衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的朋友都知道，一個完整的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至少是由衛(wèi)星段、地面段和用戶段組成。早在2010年開始，新一代的GPS運控系統(tǒng)OCX已經(jīng)由雷神公司拿下，并開始了建設(shè)。GPS III衛(wèi)星也是經(jīng)過波音、洛克希德·馬丁等公司的一翻爭奪，最終首批10顆衛(wèi)星（GPS IIIA）全部由洛馬拿下并已全部開工建設(shè)。

先說說此次發(fā)射衛(wèi)星的特點吧。

據(jù)GPSIII有效載荷供應(yīng)商哈里斯公司透露，GPS III衛(wèi)星配備了經(jīng)過70％獨特數(shù)字設(shè)計的“任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU），連接了原子鐘、輻射強(qiáng)化計算機(jī)和強(qiáng)大的發(fā)射器。因此，就單顆衛(wèi)星而言，具備以下特點：

1.  更高的服務(wù)精度：GPS III衛(wèi)星所播發(fā)信號的精度較當(dāng)前的GPS衛(wèi)星提高三倍；

2.  更強(qiáng)的抗干擾能力：將衛(wèi)星的抗干擾能力在目前基礎(chǔ)上提高了8倍；

3.  更長的壽命：新衛(wèi)星的設(shè)計壽命超過15年，比現(xiàn)役衛(wèi)星的設(shè)計壽命提升了約25%；

4.  一個新的民用信號：L1C民用信號。

關(guān)于L1C民用信號小編后邊還會再仔細(xì)道來，這里再說說衛(wèi)星的情況。GPS IIIA一共10顆，編號SV01-SV10，全部由洛馬公司設(shè)計制造。按照洛馬的介紹，剩下9顆衛(wèi)星的物料已經(jīng)差不多到齊了90%，其中SV07已經(jīng)開始組裝，SV06完成了基本的衛(wèi)星任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU）的組裝，SV05已經(jīng)完成了核心載荷的裝配，SV04已經(jīng)完成了天線裝配和前期測試，SV03已經(jīng)過前階段的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，正在準(zhǔn)備進(jìn)行熱真空、EMI、EMC等測試，SV02則已經(jīng)基本做完各項測試，等待下次發(fā)射了。上圖一張，滿足一下大家對衛(wèi)星流水線的想像吧！

本批次的10顆衛(wèi)星都是位于美國科羅拉多州丹佛附近的GPS III衛(wèi)星工廠制造，該產(chǎn)線也是號稱“空間領(lǐng)域產(chǎn)量最高的生產(chǎn)線”。預(yù)計接下來會一起持續(xù)到2023年，GPS III的衛(wèi)星也會像我們的北斗三號衛(wèi)星“下餃子”一樣，陸續(xù)上天了（老美在學(xué)我們）！所以未來幾年，大家聽到GPS III的衛(wèi)星發(fā)射就不用驚奇了，因為他們都已經(jīng)在地面組裝好了！

另外，小編再插一句。GPS現(xiàn)代化中的衛(wèi)星段建設(shè)還有第二步，計劃從2026年開始，陸續(xù)到2034年左右，陸續(xù)發(fā)射22顆GPS III衛(wèi)星。相關(guān)合同已于今年9月跟洛馬公司簽訂了，后續(xù)還會不斷看到新的GPS衛(wèi)星上天了！

說說GPSIII的地面運控系統(tǒng)（OCX）

前邊已經(jīng)說了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幾大組成。這里打個不太恰當(dāng)?shù)谋确剑绻袵PS III現(xiàn)代化的建設(shè)比做一場戰(zhàn)役，那么GPS III衛(wèi)星可以看作打仗的兵馬，即主力部隊；而且地面運控系統(tǒng)（OCX）則可以看作配套使用的糧草，即后勤保障。正所謂：“兵馬未動，糧草先行”。地面系統(tǒng)一般應(yīng)該走在衛(wèi)星系統(tǒng)的前邊，或者至少也是跟衛(wèi)星系統(tǒng)的進(jìn)度同步吧。事實也確實如此，從1998年提出GPSIII現(xiàn)代化，2000年美國國會批準(zhǔn)后，2010年雷神公司就已經(jīng)開始承包建設(shè)地面運控系統(tǒng)了（OCX）。

OCX功能分三個階段交付給美國空軍，三個階段的交付分別對三個Block，編號為0到2。隨著每個Block的交付，OCX的功能都會得到不斷提升。

OCX Block0可以提供支持GPS III衛(wèi)星的發(fā)射和早期在軌衛(wèi)星的總線檢查所需的全部OCX功能的最小子集。Block 0在2018年4月和5月完成了兩次網(wǎng)絡(luò)安全測試活動，沒有發(fā)現(xiàn)新的漏洞。6月，Block 0與GPS III進(jìn)行了第三次成功的綜合發(fā)射演練。目前，已經(jīng)交付美國空軍，為此次發(fā)射做好提前準(zhǔn)備了。

OCX Block 1是對OCX Block 0的升級，完成后OCX系統(tǒng)將具備初始操作能力（IOC）。部署了Block 1之后，OCX將首次能夠控制和控制GPS II和GPSIII衛(wèi)星，并支持開始廣播民用L1C信號的能力。Block 1于2018年9月完成了關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR）的最后一次迭代，但正式交付要等到2019財年第二季度了。

OCX Block 2將使用先進(jìn)的M代碼功能為軍事用戶升級OCX，并能夠監(jiān)控民用信號的性能。根據(jù)2017年7月的計劃安排，雷神公司最終可能將于2022年4月交付給美國空軍。

為什么總延期？

這次GPS IIIA的衛(wèi)星發(fā)射可謂“人前風(fēng)光”，但其實背后也經(jīng)歷了多次的延期和波折！到底經(jīng)歷了什么，小編帶您一起來看看！

(1)  火箭有問題嗎？

先說最近的！首顆星原本計劃18號的發(fā)射，由于獵鷹9火箭和天氣等原因，先后四次延期，最終于23號發(fā)射。（想起年初北斗趕在春節(jié)前發(fā)射的那次，難道老美也有獻(xiàn)禮傳統(tǒng)！不管怎么樣，估計那邊有人會在測控室說Merry Christmas了!小編突然感覺有點異曲同工，航天人啊，說多了都是淚！）再說早點的，由于早期的GPS衛(wèi)星都是由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的德爾塔 IV（Delta IV ）火箭來發(fā)射，所以配合上應(yīng)該是駕輕就熟了，但換了獵鷹之后，為適合運送GPS衛(wèi)星，獵鷹做了些調(diào)整，這樣再經(jīng)過測試驗證等就花費了不少時間。

要SpaceX要為系統(tǒng)延遲背鍋嗎？SpaceX肯定不干了。話說，獵鷹9的技術(shù)成熟度是已經(jīng)得到充分認(rèn)證的，不僅能發(fā)，還能回收。再說了，GPS IIIA近4噸重的衛(wèi)星，要發(fā)射到MEO軌道上，全部發(fā)射費用（包括火箭制造、發(fā)射控制等）的報價還不到8500萬美元，這樣的良心價在全球也難找了（估計我們中國航天的報價應(yīng)該可以PK下，但就怕美國空軍不敢啊！）所以說，這鍋估計馬斯克不會背。

▲獵鷹9火箭裝載GPS衛(wèi)星準(zhǔn)備發(fā)射

(2) 國政府問責(zé)局（Government Accountability Office,GAO）發(fā)話了?。問責(zé)局的報告說了，盡管衛(wèi)星的載荷有些延誤，但最大的延誤還是在OCX上。相對于2021年7月前的計劃來說，OCX已經(jīng)被推遲了六年。而且，在衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射的當(dāng)下，也還是僅執(zhí)行到完成了“階段1”，可用于支持GPS IIIA衛(wèi)星的發(fā)射。

這鍋要地面運控系統(tǒng)來背？雷神公司不干了：項目前期的系統(tǒng)工程設(shè)計和需求定義也不是完全明確，項目進(jìn)程中又和其他系統(tǒng)的直接關(guān)聯(lián)，我也急啊！另外，這個新系統(tǒng)既要能全部支持GPS III的新功能，還要具備網(wǎng)絡(luò)防護(hù)的功能，都不容易好吧！而且，這么大個系統(tǒng)，才給我這么點錢！另外，那什么，衛(wèi)星上不也是出了眾多的問題吧，干嗎都要我們背鍋！

(3)  難道要“電容”來背?？據(jù)美國某媒體報道，2016年在洛馬準(zhǔn)備交付第一顆衛(wèi)星時，突然間發(fā)現(xiàn)他們的供應(yīng)商（應(yīng)該是哈里斯公司）提供的導(dǎo)航有效載荷設(shè)備中的陶瓷電容并沒有按照規(guī)程進(jìn)行有效測試，直接導(dǎo)致了延期交付4個月。

陶瓷電容是干什么的？做過電路的各位看官應(yīng)該都知道，電壓轉(zhuǎn)換電路中，從高電壓變到低電壓，各種電容必不可少。導(dǎo)航有效載荷需要把衛(wèi)星的高電壓轉(zhuǎn)換成其子系統(tǒng)需要的低電壓，一顆衛(wèi)星中差不多就要使用600個電容左右，也是一筆不少的開支呢！

不得不說，GPS現(xiàn)代化的過程中充斥著各種超預(yù)算，各種延期，相關(guān)新聞多的小編都看不過來了。那么到底是什么原因?qū)е铝薌PS III的不斷延誤，小編大言不慚，也遑論幾句：

(1)   主要還是需求與新技術(shù)的磨合。GPS系統(tǒng)從1995全面開通以來（FOC），一直被視為導(dǎo)航界的黃金法則。站在當(dāng)下這個節(jié)點，全球各國都已經(jīng)開始規(guī)劃下一步的PNT體系。當(dāng)前PNT規(guī)劃中，衛(wèi)星導(dǎo)航仍然將扮演非常重要的角色，但是下一步衛(wèi)星導(dǎo)航還需要完善什么內(nèi)容，跟PNT體系如何融合，用戶層面又有什么新需求，這些問題估計大家誰也沒有想明白，說白了都是在摸著石頭過河。不確定的因素還比較多，謹(jǐn)慎一點沒毛病，這點當(dāng)然也值得我們北斗系統(tǒng)來借鑒。

 另外，大家也可以看到，這次發(fā)射中，衛(wèi)星是新的，火箭也是新配合的，地面運控系統(tǒng)（OCX）也是新的，對于GNSS這種如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同時上這么多新的技術(shù)，確實也是需要不斷的磨合和成熟。

(2)   當(dāng)然也有錢的問題。OCX系統(tǒng)的不斷跳票不說，預(yù)算更是節(jié)節(jié)高攀。最初2010年的15億預(yù)算早已不夠，2016年時，預(yù)算已經(jīng)到了42.5億，超過了項目的上限預(yù)算34億的25%，到現(xiàn)場估算著最終建成可能要花60億左右。這中間美國政府問責(zé)局（GAO）不斷問責(zé)不說，國會也早已磨刀霍霍，準(zhǔn)備拿起納恩-麥克迪法案(Nunn-McCurdy)把OCX給砍了。無奈，GPS系統(tǒng)太重要，還是要投錢，還是要建。另外，前10顆GPS IIIA衛(wèi)星估計為每顆5.77億，后續(xù)剩余的22顆GPS IIIF 衛(wèi)星目前的合同價已經(jīng)是72億，按照當(dāng)前的習(xí)慣，估計最終做下來差不多會超100億吧。這里還要提醒下，上邊說的可都美元哦！

不得不說，GPS系統(tǒng)真是很燒錢的！選SpaceX來發(fā)射衛(wèi)星，因為他火箭可回收，便宜！GPS III的衛(wèi)星只選了洛馬一家來做，因為他能大規(guī)模生成，也是便宜！

(3)   最后應(yīng)該也有體制的原因吧。看看我們北斗三號建設(shè)，2018年一年十發(fā)十九星，社會主義國家集中力量辦大事的能力和制度優(yōu)勢，還是有明顯體現(xiàn)的！

說說重頭戲：GPS L1C信號！

信號體制設(shè)計是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)體制最為關(guān)鍵的部分，其結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的合理性、性能完善性關(guān)系到系統(tǒng)導(dǎo)航、定位和授時等基本功能以及PNT精度、兼容性、互操作性、抗干擾性等關(guān)鍵性能的實現(xiàn)。它以導(dǎo)航信號為載體，作為地面運控段、衛(wèi)星段和用戶段間信號聯(lián)通和信息交互的唯一渠道。在導(dǎo)航信號測量性能提高、應(yīng)用環(huán)境更加苛刻、導(dǎo)航頻段頻譜資源緊張等背景需求的推動下，GPS對信號體制進(jìn)行了升級設(shè)計。GPS L1C信號與原有L1C/A信號的區(qū)別是什么，帶來了哪些好處，這要從GPS導(dǎo)航信號體制的演化歷史說起。

1994 年，GPS 全面進(jìn)入正常運行，民用信號采用 L1(頻率 1575.42 MHz)單頻 C/A 碼，并附加選擇可用性(SA)人為干擾，位置精度約為 100m，授時精度約為 340ns。

2000 年 5 月 1 日，美國政府宣布撤銷對 GPS 的 SA 干擾技術(shù)，民用信號定位 服務(wù)精度提高到 20m，授時精度提高到 40ns。

近年來，GPS引入三種新的民用信號 L2C、 L5 和 L1C、。其中 L2C 信號是最早投入使用的，2005 年 9 月發(fā)射的 BLOCK IIR—M 衛(wèi)星最先開始播發(fā);L5信號在 2007 年發(fā)射的 BLOCK IIF 衛(wèi)星開始播發(fā);L1C信號則要待這次發(fā)射后，用戶終端才能收到一顆衛(wèi)星播發(fā)的信號。說下各代衛(wèi)星支持的信號吧。

第一代民用信號利用 BLOCK II/IIA/tIR 衛(wèi)星播發(fā)，是在 L1 載波上播發(fā)L1 C/A信號。L1 C/A信號主瓣范圍為1575.42MHz±1.023MHz。

第二代民用信號利用BLOCK IIR～M 衛(wèi)星播發(fā)，它不僅包含了第一代民用信號，而且還在 L2 載波上增加了 L2C 信號。L2C信號主瓣范圍為1227.60MHz±1.023MHz，而早期的L2載波只為軍事專用。

第三代民用信號利用 BLOCK IIF 衛(wèi)星發(fā)射， 它在第二代民用信號的基礎(chǔ)上， 增加了 L5 載波，用于發(fā)射 L5民用信號。 L5信號主瓣范圍為1176.45MHz±10.23MHz。

第四代民用信號利用BLOCK III 衛(wèi)星發(fā)射，它是在第三代民用信號的基礎(chǔ)上，對 L1 載波中的民用信號進(jìn)行了改進(jìn)，增加了新的 L1C 民用信號。

文字讀煩了，咱們上圖看看，這幾代的信號不斷擴(kuò)充和變化吧！

▲Insidegnss雜志相關(guān)圖片

GPS L1C信號特點

現(xiàn)代化GPS L1C在導(dǎo)航電文和偽碼生成上與L1C/A相比，均有升級：

• 電文播發(fā)新的CNAV-2，首次采用CRC碼校驗、LDPC碼和交織碼相結(jié)合的方式糾錯，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)抗隨機(jī)錯誤和突發(fā)錯誤的能力，可提高在弱信號遮擋等環(huán)境下的定位速度。

• 在電文格式方面，摒棄了NAV采用基于超幀、幀和子幀的固定格式，采用了基于信息類型分類的格式。在內(nèi)容方面，將廣播星歷參數(shù)由16參數(shù)增加為18參數(shù)，表示精度更高。

• 在碼生成方面，GPS民用導(dǎo)航信號L1C/A采用的是Gold碼，其碼長為1023且碼速率不高，定位精度相對較低。GPS L1C信號采用了奇相關(guān)特性和偶相關(guān)特性都較好的Weil碼，主碼長度為10230，是L1C/A的10倍。碼長的增加不但可以降低時間延遲信號的影響，而且有利于改善碼的互相關(guān)和自相關(guān)特性，增強(qiáng)了抗多徑能力。

• L1C與伽利略E1 OS、北斗B1C共享1575.42 MHz載波，所以實現(xiàn)了三個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的兼容和互操作，既可以增加可視衛(wèi)星的數(shù)目，還有利于終端芯片的設(shè)計，降低功耗面積。

•  L1C采用TMBOC（6，1，1/11）調(diào)制，由數(shù)據(jù)與導(dǎo)頻通道組成，數(shù)據(jù)通道與導(dǎo)頻通道的功率比為1:3，數(shù)據(jù)通道采用BOC（1,1），導(dǎo)頻通道采用TMBOC（6，1，4/33）調(diào)制，由BOC（1,1）和BOC（6,1）時分合成，比例為4/33，并有18秒的覆蓋碼，可以加快對數(shù)據(jù)通道的幀同步，也能輔助其它GPS信號的捕獲跟蹤。

好吧，新技術(shù)太多可以寫的了，為了不讓您直接頭冒金星，小編還是打住吧，您要是還想鉆研，可以上后文鏈接看看?。

好吧，未來在L1 （1575.42MHz）這個頻段的的信號頻譜圖理論上應(yīng)該是這樣的：

▲Skydel公司資料中圖片

各位注意哦，這還沒有包括Galileo系統(tǒng)的E1OS， E1RPS ，北斗系統(tǒng)的B1C，QZSS的L1 C/A 和L1C，SBAS的L1等。信號多了，希望您的接收機(jī)不要迷惘哦！

最關(guān)鍵：GPS L1C信號怎么測！

說了這么多，如果各位看官要問，L1C信號怎么收，怎么測試下呢？如果要等天上的衛(wèi)星，估計怎么也要2019年了，而且只能在一天看運氣去碰那一兩顆衛(wèi)星GPS IIIA衛(wèi)星了。有沒有好辦法？有啊，用模擬器啊！在GNSS仿真測試的世界里，沒有什么是一臺模擬器搞不定的，如果有，那就兩臺吧！

問題來了，模擬器在哪？各位看官，小編鄭重告訴您：要看模擬器技術(shù)哪家強(qiáng)，中國湖南找“衛(wèi)導(dǎo)”啊！來，有圖有真像！

下圖是NavSim軟件播放仿真的GPS L1C、L5現(xiàn)代化信號，可以測試雙頻/多頻高精度定位芯片/終端的性能指標(biāo)。

接收機(jī)定位結(jié)果：

另外，還有頻譜圖大家可以參考下：

▲L1C信號的頻譜圖

▲L5信號的頻譜圖