GPS的服务和限制

GPS系统在设计和运行的过程中采取了多种措施,以保证其国家安全和利益,主要措施有3种：为不同GPS用户提供不同的服务方式；选择可用性(Selective Availability,SA)措施；反电子欺骗(Anti-Spoofing,AS)技术。

GPS为导航用户提供两类服务：标准定位服务(Standard Positioning Service,SPS)和精密定位服务(Precise Positioning Service,PPS)。SPS提供民用服务,而PPS仅对美国政府授权的用户提供定位服务。SPS和PPS之间的区别在于调制GPS无线电载波信号的测距码不同,SPS是在一个由精度较低的C/A码(粗码)调制后的载波频率(L1载波)上提供的,其单点定位精度为20～40m。PPS可提供L1载波上的C/A码、P码(精码),L2载波上的P码(精码),以及消除SA影响的测距码,其单点定位精度可达5～10m。

为防止GPS实际具有的高精度性能被潜在敌人利用,美国曾实行过选择可用性(SA)措施,即人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据,以降低民用服务的精度。在该技术的影响下,GPS民用服务的水平定位精度控制在100m以内。2000年5月1日,美国宣布将有条件地取消选择可用性措施,这大大提高了C/A码的水平定位精度。但是,美国仍然保留对某些特定地区(或在特定时间)实时干扰的权力,如在卫星时钟上加高频抖动或降低卫星广播星历的精度。

为了防止P码被解密,或者为了防止特许用户的接收机接收到的卫星信号在作战时被敌方获取,从而被敌方干扰,导致特许用户的接收机产生错误导航系统,GPS采取了反电子欺骗(AS)措施,将P码进行加密,生成严格保密的Y码,P码和Y码通常合称P(Y)码。现在,GPS常采用P(Y)作为精码来调制军用信号,只有美国军方和特许用户知道如何破解Y码。而且,即使在GPS信号频段出现干扰信号,但由于干扰信号不可能同样经由保密的Y码调制,因此特许用户的接收机可以避免因锁定干扰信号而发生错误定位的情况。

为了摆脱和减弱上述限制性政策的影响,各国开展了大量研究、开发和实验,当前,非特许用户针对限制性政策采取的主要措施有以下几种。

1.发展差分GPS技术

差分GPS(Differential GPS,DGPS)技术属于相对定位的一种。由于同一卫星的时钟误差对不同接收机来说是相同的,因此采用差分GPS技术可有效消除卫星时钟误差、星历误差和信号传播延迟误差等,从而提高定位导航精度。差分GPS技术可以消除卫星时钟SA 干扰对GPS测量的影响。

2.建立独立的GPS卫星跟踪系统并提供精密的卫星运行轨道参数

1986年,以美国为首的一些国家开始建立国际合作GPS卫星跟踪网(Cooperative International GPS Satellite Tracking Network,CIGNET),其跟踪站的范围已覆盖欧洲、亚洲、非洲、北美洲、大洋洲五大洲,测轨精度可达分米级。此外,为了精密确定GPS卫星星历、地球自转参数、电离层信息等,以满足地球动力学研究和电离层监测等项工作的需要,1993年国际大地测量学协会正式宣布成立国际GPS地球动力学服务组织(International GPS Service for Geodynamics,IGS),将在全球范围内建立30～40个核心站对GPS卫星进行连续跟踪,其观测数据主要用于计算卫星的精密星历,测定地球自转参数和监测地球参考系的变化；建立150～200个基准站对GPS卫星进行周期性地重复观测,以精确地传递地球参考系的坐标和监测IGS站的基线向量变化。(https://www.xing528.com)

3.建立独立的卫星导航定位系统

目前,一些国家和地区正在发展自己的卫星定位系统。

为了打破美国在卫星导航的垄断地位,苏联从20世纪80年代便开始建立全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GLONASS)。GLONASS计划包括24颗卫星(含3颗备用卫星),均匀分布在3个轨道面上,轨道面的倾角为64.8°,可以更好地覆盖高纬度地区,运行周期约为11小时15分。该系统于2007年开始运营,到2009年,其服务范围已经拓展到全球。该系统可以确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。2014年,俄罗斯发射了GLONASS-K卫星,是前一代卫星的升级版本,预期使用寿命由上一代的7年提升至10年,质量由1415 kg减少至935 kg。

为了建设欧洲自主的民用全球卫星导航服务系统,欧洲空间局早已开始了对其下一代卫星导航定位系统(GNSS-2)的研究,即伽利略卫星导航系统。该系统是欧洲导航卫星系统的重要组成部分,其研究过程分为四个阶段：系统定义阶段(1999—2001年)；系统发展阶段(2002—2005年)；系统建设阶段(2006—2007年)；系统运行、应用阶段(2008—2020年)。伽利略卫星导航系统有30颗卫星,具有比GPS更广的信号覆盖率、更高的定位精度和可靠性。该系统不仅能使人们的生活更加方便,还将为欧盟的工业和商业带来可观的经济效益。更重要的是,欧盟从此拥有自己的全球卫星导航系统,这有助于打破美国GPS的垄断地位,从而在全球高科技竞争浪潮中获取有利位置,并为将来建设欧洲独立防务创造条件。

我国卫星导航系统(北斗卫星导航系统)的建设分为三个阶段实施发射：首先,建造有源区域卫星导航系统；然后,建造无源与有源相结合的区域卫星导航系统；最后,建造无源与有源相结合的全球卫星导航系统。

第一阶段：2000年10—12月。我国先后发射了4颗北斗一号导航卫星(后两颗为备份),它们运行在经度相距60°的地球静止轨道,这是世界上首个有源区域卫星导航系统。北斗一号导航卫星的服务区域为国内,定位精度为20m,授时精度为100 ns。该系统不受通信信号和空间距离的影响,一台主指挥机进行卫星定位后,可连接多部类似手机的“北斗一号”终端机,终端机每次可编写40多字的短信发送到指定手机上,非常有利于震区的救援信息传递。在2008年汶川地震的救灾中,北斗一号发挥了巨大的作用,它有效缩短了救援搜寻时间,大大减少了人民的生命、财产损失。

第二阶段：2007—2012年。我国在第二阶段陆续发射了16颗北斗二号导航卫星,最终建成了由14颗卫星(5颗静止轨道导航卫星、5颗倾斜地球同步轨道导航卫星、4颗中圆地球轨道导航卫星)组成的、采用无源与有源卫星导航方式相结合的区域卫星导航系统。该系统实现了对亚太地区的连续覆盖,从根本上摆脱了对国外卫星导航系统的依赖,并得到了ICG的认可,成为世界四大卫星导航核心供应商之一。“北斗二号”的服务区域为亚太地区,定位精度为10m,测速精度为0.2 m/s,授时精度为50 ns。

第三阶段：2017—2020年。我国在第三阶段将先后发射35颗北斗三号导航卫星(5颗静止轨道卫星、3颗倾斜地球同步轨道卫星、27颗中圆轨道卫星),建成采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航系统。该系统的服务区域为全球范围,定位精度可达2.5～5.0m,测速精度为0.2 m/s,授时精度为20 ns。