首颗第三代GPS卫星发射升空

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北京时间23日21时51分，首颗GPSIII乘坐SpaceX公司的猎鹰9号（Falcon 9）火箭飞往预定的中圆地球轨道（MEO）。作为GNSS的武林前辈，这颗卫星的发射也标志着GPS系统期待已久的现代化改造终于向前进了一步。美国空军很激动，首次为GPSIII卫星分配了绰号，这次发射的这颗叫“维斯普西(Vespucci)”，用于纪念佛罗伦萨商人、航海家、探险家和旅行家---亚美利哥·维斯普西。据说，历史上是这位老先生首次提出了美洲是一个新大陆，并开启了光荣与梦想的大航海时代，由此可见此颗星的地位和意义。作为卫星导航产业从业者，小编也不免激动，也想跟大家叨叨关于GPSIII的那些事儿。

目前有31颗GPS卫星在轨运行，全球超过40亿人在使用。今天SpaceX发射的卫星是第32颗GPS卫星，也是第三代GPS卫星中的首颗。



GPS III SV01卫星发射升空

来源：SpaceX



来源：SpaceX



三代GPS卫星

来源：洛克希德.马丁公司

1

GPS III的特点

一个完整的卫星导航系统至少是由卫星段、地面段和用户段组成。早在2010年开始，新一代的GPS运控系统OCX已经由雷神公司拿下，并开始了建设。GPS III卫星也是经过波音、洛克希德·马丁等公司的一翻争夺，最终首批10颗卫星（GPS IIIA）由洛马拿下并已全部开工建设。

据GPSIII有效载荷供应商哈里斯公司透露，GPS III卫星配备了经过70％独特数字设计的“任务数据单元（MDU），连接了原子钟、辐射强化计算机和强大的发射器。因此，就单颗卫星而言，具备以下特点：

更高的服务精度：GPS III卫星所播发信号的精度较当前的GPS卫星提高三倍；

更强的抗干扰能力：将卫星的抗干扰能力在目前基础上提高了8倍；

更长的寿命：新卫星的设计寿命超过15年，比现役卫星的设计寿命提升了约25%；

一个新的民用信号：L1C民用信号。



2016年5月，首颗GPS III卫星完成了电磁干扰/电磁兼容性(EMI/EMC)和无源互调(PIM）的测试，以确保GPS III能满足太空任务要求。

来源：洛克希德·马丁公司

GPS III卫星由洛克希德·马丁公司建造，它的定位，导航以及定时信息的准确度提高了3倍，抗干扰能力提高了8倍。GPS III卫星的设计寿命长达15年，是目前最新在轨卫星寿命的1.25倍。 GPS卫星是美国国家安全太空（NSS）任务，对国防至关重要。

GPS III卫星上新的L1C民用信号（L1C civil signal），也使其成为首个与其他国际全球导航系统，例如伽利略卫星，相互兼容可用。



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GPS IIIA一共10颗，编号SV01-SV10，全部由洛马公司设计制造。按照洛马的介绍，剩下9颗卫星的物料已经差不多到齐了90%，其中SV07已经开始组装，SV06完成了基本的卫星任务数据单元（MDU）的组装，SV05已经完成了核心载荷的装配，SV04已经完成了天线装配和前期测试，SV03已经过前阶段的系统联调，正在准备进行热真空、EMI、EMC等测试，SV02则已经基本做完各项测试，等待下次发射。



本批次的10颗卫星都是位于美国科罗拉多州丹佛附近的GPS III卫星工厂制造，该产线也是号称“空间领域产量最高的生产线”。预计接下来到2023年，GPS III的卫星也会和我们的北斗三号卫星一样，陆续发射。

GPS现代化中的卫星段建设还有第二步，计划从2026年开始，到2034年左右，陆续发射22颗GPS III卫星。相关合同已于今年9月与洛马公司签订，后续还会不断有新的GPS卫星发射升空。

2

GPSIII的地面运控系统（OCX）

如果把GPS III现代化的建设比做一场战役，那么GPS III卫星可以看作打仗的兵马，即主力部队；而地面运控系统（OCX）则可以看作配套使用的粮草，即后勤保障。正所谓：“兵马未动，粮草先行”。地面系统一般应该走在卫星系统的前边，或者至少也是和卫星系统的进度同步。事实也确实如此，从1998年提出GPSIII现代化，2000年美国国会批准后，2010年雷神公司就已经开始承包建设地面运控系统了（OCX）。

OCX功能分三个阶段交付给美国空军，三个阶段的交付分别对三个Block，编号为0到2。随着每个Block的交付，OCX的功能都会得到不断提升。

OCX Block0可以提供支持GPS III卫星的发射和早期在轨卫星的总线检查所需的全部OCX功能的最小子集。Block 0在2018年4月和5月完成了两次网络安全测试活动，没有发现新的漏洞。6月，Block 0与GPS III进行了第三次成功的综合发射演练。目前，已经交付美国空军，为此次发射做好提前准备了。

OCX Block 1是对OCX Block 0的升级，完成后OCX系统将具备初始操作能力（IOC）。部署了Block 1之后，OCX将首次能够控制和控制GPS II和GPSIII卫星，并支持开始广播民用L1C信号的能力。Block 1于2018年9月完成了关键设计评审（CDR）的最后一次迭代，但正式交付要等到2019财年第二季度。

OCX Block 2将使用先进的M代码功能为军事用户升级OCX，并能够监控民用信号的性能。根据2017年7月的计划安排，雷神公司最终可能将于2022年4月交付给美国空军。

3

延期原因

这次GPS IIIA的卫星发射可谓“人前风光”，但其实背后也经历了多次的延期和波折！

首颗星原本计划18号的发射，由于猎鹰9火箭和天气等原因，先后四次延期，最终于23号发射。更早的时候，由于早期的GPS卫星都是由联合发射联盟公司（ULA）的德尔塔 IV（Delta IV ）火箭来发射，所以配合上应该是驾轻就熟了，但换了猎鹰之后，为适合运送GPS卫星，猎鹰做了些调整，这样再经过测试验证等就花费了不少时间。

猎鹰9的技术成熟度是已经得到充分认证的，不仅能发，还能回收。GPS IIIA近4吨重的卫星，要发射到MEO轨道上，全部发射费用（包括火箭制造、发射控制等）的报价还不到8500万美元，所以，原因并不全在于马斯克。



猎鹰9火箭装载GPS卫星准备发射

国政府问责局（Government Accountability Office,GAO）声明，尽管卫星的载荷有些延误，但最大的延误还是在OCX上。相对于2021年7月前的计划来说，OCX已经被推迟了六年。而且，在卫星已经发射的当下，也还是仅执行到完成了“阶段1”，可用于支持GPS IIIA卫星的发射。

地面运控系统方面，雷神公司表明：项目前期的系统工程设计和需求定义并不是完全明确，项目进程中又和其他系统的直接关联。另外，这个新系统既要能全部支持GPS III的新功能，还要具备网络防护的功能。而且，对于这个庞大的系统，本方并未获得理想利润。

据美国某媒体报道，2016年在洛马准备交付第一颗卫星时，突然间发现“电容”的供应商（应该是哈里斯公司）提供的导航有效载荷设备中的陶瓷电容并没有按照规程进行有效测试，直接导致了延期交付4个月。

陶瓷电容是干什么的？电压转换电路中，从高电压变到低电压，各种电容必不可少。导航有效载荷需要把卫星的高电压转换成其子系统需要的低电压，一颗卫星中差不多就要使用600个电容左右。

总而言之，GPS现代化的过程中充斥着各种超预算，各种延期。具体可概括为下列几点：

1、需求与新技术的磨合

GPS系统从1995全面开通以来（FOC），一直被视为导航界的黄金法则。站在当下这个节点，全球各国都已经开始规划下一步的PNT体系。当前PNT规划中，卫星导航仍然将扮演非常重要的角色，但是下一步卫星导航还需要完善什么内容，跟PNT体系如何融合，用户层面有什么新需求，这些问题估计大家谁也没有想明白。不确定的因素还比较多，需谨慎一点。

在这次发射中，卫星是新的，火箭也是新配合的，地面运控系统（OCX）也是新的，对于GNSS这种如此复杂的系统工程，同时上这么多的新技术，确实也是需要不断的磨合和成熟。

2、资金的问题

OCX系统的不断跳票，预算更是节节高攀。最初2010年的15亿预算早已不够，2016年时，预算已经到了42.5亿，超过了项目的上限预算34亿的25%，到现场估算着最终建成可能要花60亿左右。这中间美国政府问责局（GAO）不断问责，国会也早已磨刀霍霍，准备拿起纳恩-麦克迪法案(Nunn-McCurdy)把OCX给砍了。无奈，GPS系统太重要，还是要投钱，还是要建。另外，前10颗GPS IIIA卫星估计为每颗5.77亿，后续剩余的22颗GPS IIIF 卫星目前的合同价已经是72亿，按照当前的习惯，估计最终做下来差不多会超100亿吧。

3、体制的原因

北斗三号建设，2018年一年十发十九星，同样，GPS卫星发射需要社会主义国家集中力量办大事的能力和制度优势。

经过多次发射推迟后，SpaceX于北京时间12月23日21时51分，在佛罗里达的卡纳维拉尔角空军基地，发射了美国空军GPS III SV01卫星，由于任务要求，SpaceX这次不会回收猎鹰9号一级火箭。

4

GPS L1C信号

信号体制设计是卫星导航系统技术体制最为关键的部分，其结构参数选择的合理性、性能完善性关系到系统导航、定位和授时等基本功能以及PNT精度、兼容性、互操作性、抗干扰性等关键性能的实现。它以导航信号为载体，作为地面运控段、卫星段和用户段间信号联通和信息交互的唯一渠道。在导航信号测量性能提高、应用环境更加苛刻、导航频段频谱资源紧张等背景需求的推动下，GPS对信号体制进行了升级设计。GPS L1C信号与原有L1C/A信号的区别是什么，带来了哪些好处，这要从GPS导航信号体制的演化历史说起。

1、GPS民用信号演化史

1994 年，GPS 全面进入正常运行，民用信号采用 L1(频率 1575.42 MHz)单频 C/A 码，并附加选择可用性(SA)人为干扰，位置精度约为 100m，授时精度约为 340ns。

2000 年 5 月 1 日，美国政府宣布撤销对 GPS 的 SA 干扰技术，民用信号定位 服务精度提高到 20m，授时精度提高到 40ns。

近年来，GPS引入三种新的民用信号 L2C、 L5 和 L1C、。其中 L2C 信号是最早投入使用的，2005 年 9 月发射的 BLOCK IIR—M 卫星最先开始播发;L5信号在 2007 年发射的 BLOCK IIF 卫星开始播发;L1C信号则要待这次发射后，用户终端才能收到一颗卫星播发的信号。下列为各代卫星支持的信号：

第一代民用信号利用 BLOCK II/IIA/tIR 卫星播发，是在 L1 载波上播发L1 C/A信号。L1 C/A信号主瓣范围为1575.42MHz±1.023MHz。

第二代民用信号利用BLOCK IIR～M 卫星播发，它不仅包含了第一代民用信号，而且还在 L2 载波上增加了 L2C 信号。L2C信号主瓣范围为1227.60MHz±1.023MHz，而早期的L2载波只为军事专用。

第三代民用信号利用 BLOCK IIF 卫星发射， 它在第二代民用信号的基础上， 增加了 L5 载波，用于发射 L5民用信号。 L5信号主瓣范围为1176.45MHz±10.23MHz。

第四代民用信号利用BLOCK III 卫星发射，它是在第三代民用信号的基础上，对 L1 载波中的民用信号进行了改进，增加了新的 L1C 民用信号。



Insidegnss杂志相关图片

2、GPS L1C信号特点

现代化GPS L1C在导航电文和伪码生成上与L1C/A相比，均有升级：

电文播发新的CNAV-2，首次采用CRC码校验、LDPC码和交织码相结合的方式纠错，进一步提升了系统抗随机错误和突发错误的能力，可提高在弱信号遮挡等环境下的定位速度。

在电文格式方面，摒弃了NAV采用基于超帧、帧和子帧的固定格式，采用了基于信息类型分类的格式。在内容方面，将广播星历参数由16参数增加为18参数，表示精度更高。

在码生成方面，GPS民用导航信号L1C/A采用的是Gold码，其码长为1023且码速率不高，定位精度相对较低。GPS L1C信号采用了奇相关特性和偶相关特性都较好的Weil码，主码长度为10230，是L1C/A的10倍。码长的增加不但可以降低时间延迟信号的影响，而且有利于改善码的互相关和自相关特性，增强了抗多径能力。

L1C与伽利略E1 OS、北斗B1C共享1575.42 MHz载波，所以实现了三个卫星导航系统之间的兼容和互操作，既可以增加可视卫星的数目，还有利于终端芯片的设计，降低功耗面积。

L1C采用TMBOC（6，1，1/11）调制，由数据与导频通道组成，数据通道与导频通道的功率比为1:3，数据通道采用BOC（1,1），导频通道采用TMBOC（6，1，4/33）调制，由BOC（1,1）和BOC（6,1）时分合成，比例为4/33，并有18秒的覆盖码，可以加快对数据通道的帧同步，也能辅助其它GPS信号的捕获跟踪。



Skydel公司资料中图片

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GPS L1C信号怎么测

GNSS仿真测试中，使用模拟器可以简单地得到GPS L1C信号。

下图是NavSim软件播放仿真的GPS L1C、L5现代化信号，可以测试双频/多频高精度定位芯片/终端的性能指标。





接收机定位结果



L1C信号的频谱图



L5信号的频谱图

来源：卫导信息、VgerNASA爱好者（版权归原作者及刊载媒体所有）





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