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cuiwk荣誉版主 (文坛精英)
2025 感动国际十大杰出人物
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电子世纪之交的GPS
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一、前 言 据美国GPS产业协会(GPS IC)统计：GPS接收机的产量，1997年首次突破100万台。GPS产业已为美国增加10万人的就业机会。预计2005年，GPS市场的年销售额可能达到100～120亿美元，即在8年之内增长4倍。快速发展起来的GPS产业，已成为美国工业的新增长点，成为美国经济发展的动力之一。 但是，GPS系统的总体设计方案是在1973年完成的。25年来的实践证明：无论在系统的总体设计(系统组成，图形和信号结构，GPS政策，…)上，或在实际应用中，GPS系统都存在一些不足之处。与俄罗斯的GLONASS和欧洲的GNSS系统相比，在某些方面，也显得落后。GPS系统的现代化已提上日程。 90年代以来，微电子技术和数字化技术已获得重大进展，卫星导航/定位的理论也日趋成熟。时至今日，GPS系统的现代化已成为可能。 GPS系统的主要问题有： 1. GPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。例如：目前的卫星图形在高纬度地区，严重影响导航和定位，在中、低纬度地区，每天总有两次盲区、每次盲区历时20～30分钟，盲区时，PDOP值远大于20，给导航和定位带来很大的误差。 2. 不仅将来，即使现在，GPS既不能满足美国军方的要求，也不能满足全世界民用的需要。 3. 现行的GPS“双用途政策”，既遭到包括美国在内全世界民间用户的强烈反对，也得不到美国军方的支持。军方声称：影响美国国家安全利益。因此，亟待制定新的GPS政策。 4. 实时导航定位的精度低于GLONASS和GNSS系统。 二、GPS现代化 为了克服GPS系统的上述缺点，美国国防部制定了“GPS现代化规划”，并于1997年5月向全世界有关部门发出征求意见书。美国国防部和交通部(DOT)(民用GPS协调单位)达成协议：要求各部门在1998年3月底以前，提出对GPS系统的改进意见。 为了实施GPS现代化，美国有关单位开展了一系列研究工作，例如： 1. 1994～1995年，美国国家研究委员会(NRC)对“未来GPS的研究”； 2. 1995年，美国国防科学委员会(DSB)对“整个GPS系统的要求”进行研究； 3. 1996年，美国空军科学顾问团(USAF SAB)制定了“提高GPS性能和军用功能”的研究项目； 4. 4. 由美国国防和交通部负责"改进GPS的各种方案及其可行性分析"。 为了制定出到2020年的“GPS现代化规划”、协调各行业的意见，1996年3月成立了跨行业的两个机构： (1) GPS执行委员会(IGEB)，挂靠在美国国防部和美国交通部； (2) GPS顾问委员会(GIAC)，挂靠在国家大地测量局(NGS)。 三、GPS现代化会议 GPS执委会、GPS顾问会和导航学会(ION)于1997年8月26日、1997年11月6日、1998年1月20日和1998年2月20日先后召开4次国际会议，讨论GPS现代化的问题。这4次会议的主要内容包括： 1. GPS系统的最佳结构； 2. GPS系统性能应具备的最佳特征； 3. 星座图形的优化及星座的强化； 4. GPS信号结构的改进； 5. GPS第二、三个民用频率和第二种民用码的选择，以期彻底解决军、民两用的矛盾。但是，实现这一目标有很大困难。主要原因是在L波段上申请新的工作频率。可能采取的折衷方案是“现有频率再利用”。此方案的优点是：克服了无法申请新的工作频率的困难，对美国军方而言，还有另一优点：如果潜在敌人在某一区域内借助民用码进行军事应用时，则GPS系统指挥者可对民用码进行电子干扰(即“区域性SA政策”)，而不影响军用信号； 6. 扩大GPS系统的民用领域； 7. GPS系统功能的扩大； 8. GPS和GLONASS的综合利用； 9. GPS信号强度的提高； 10. GPS误差模型的精化，特别是对流层模型(主要影响高程度)和太阳光压模型； 11. GPS系统的管理； 12. GPS政策和美国国家安全利益。 四、世纪之交的展望 根据上述4次会议的讨论结果,2010年前,美国对GPS系统可能采取的重大改进措施,简述如下： 1. 新一代工作卫星(Block Ⅱ F)的研制工作，可望于1999年底完成。Block Ⅱ F卫星共有24颗，其寿命为现有卫星的3倍。它们逐步代替目前轨道上的Block Ⅱ R卫星。 2. GPS系统空间部分的卫星数，可能由目前的24颗卫星增加到30颗，即6个轨道平面中的每个平面均匀分布5颗卫星。这种星座结构有两大优点，即： (1) 卫星可见性将大大提高； (2) 全球任何地方、任何时间都不再有“盲区”，即可见卫星至少多于4颗，其PDOP值<10。单个卫星的死角可忽略不计。GPS观测者无需再在外业前制定观测计划，以选择有利的观测窗。 (3) GPS系统在2008～2010年前仍将维持现状，即继续使用L1/L2频率发播GPS信号。 4. 如可能，美国国防部和交通部门为民间用户提供不保密的L2C频率(但至今尚未申请到这种频率)。 5. 在尚未开发出L2C的情况下，可能利用现有的L1/L2频率分别播发军用信号和民用信号，预计2008～2010年可望实现，从而减少军、民两用的矛盾。 6. 为了彻底解决军、民两用产生的矛盾，可能采用C波段或更高频率的波段(例如5000～5200 MHz)作为军用频率，发播保密的军用GPS信号。顺便指出，在此波段上，电离层的时延值小得多，但要求信号强度增大10倍。 7. 美国也在考虑采用第三个民用频率(L3C)发播不保密的民用信号。如果此方案付诸实施，则将来高精度(厘米级)的民间用户拥有三大优势： (1) 无需解算整周相位模糊值，GPS用户将不再为此问题而困扰； (2) 能大大提高观测成果的可靠性； (3) 能极大地缩短在点上的观测时间，从而提高GPS的作业生产率。 8. 民用频率L3C可能选在GLONASS L2频率附近,即约在1258.29 MHz附近.L3C选在此处的优点是 (1) 符合国际电信联盟的规定； (2) 与GPS卫星中信号发生器的频率一致； (3) 目前使用的双频接收机及其天线可继续使用； (4) 同GLONASS系统的信号互不干扰； (5) 为GPS军事用途提供足够的灵活性。 GPS系统究竟如何现代化，人们将拭目以待。 新世纪即将来临之际，回首过去，令人振奋，展望未来，前程似锦。GPS现代化课题，已为全世界导航、定位、地学、气象学、旅游等各领域密切关注。我们也需要研究有关方案,采取相应措施。一则充分发挥GPS技术在国家经济建设中的作用，再则也可使我国导航定位技术立于不败之地，跻身于世界强手之林。 |
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