浅析2010年度GPS升级调整对用户的影响

吴海玲

(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)

0 引 言

GPS具有定位精度高、方法灵活、操作简便、可全天候使用等特点,已逐渐深入到军事和国民经济各个领域,成为武器装备信息化建设和国家信息化建设的重要支撑。在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中,GPS在美军作战平台、武器弹药、作战指挥等各个环节都发挥了难以替代的作用。据统计,美军四次战争所用GPS精确制导武器数量所占比例分别为:1991年海湾战争为7.6%,1999年科索沃战争为35%,2001年阿富汗战争为60%,2003年伊拉克战争为68.3%以上。在民用领域,GPS已广泛渗透到交通、电信、电力、金融等核心基础设施,成为重要的空间信息基准,在国际卫星导航市场处于绝对垄断地位。美国为保持其GPS国际领先地位,将持续不断对系统进行升级改造和性能提升。从 1996年开始实施GPS现代化计划,以提高星上的处理能力和原子钟性能,增加新的民用频段,增强军用信号的保密性和抗干扰性,分离军民码频谱等措施,不断提高精度和抗干扰、反利用能力,从而确保在军事领域的控制能力和在民用市场的垄断地位。

GPS在现代军事、国民经济与大众生活各领域的广泛应用,一方面使GPS成为国际标准,逐渐确立了其霸主地位,另一方面GPS系统本身的脆弱性以及系统持续的升级维护也给广大用户带来了使用上的风险。针对2010年度GPS升级调整,浅析其具体的客观表象及其对用户带来的影响。

1 GPS系统的组成、工作原理和信号特点

1.1 GPS系统组成

GPS系统由三大部分组成,即空间段、控制段和用户段。空间段即卫星星座,系统完整星座由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成。卫星的主要任务是连续不间断的播发导航信号。控制段即地面运行控制系统,由主控站、注入站和监测站组成。主要任务是跟踪所有的卫星以进行轨道和时钟测定、预测修正模型参数、卫星时间同步和为卫星上行加载导航电文等。用户段由用户接收设备组成,用于接收处理从卫星发射的导航信号,进而确定用户位置、速度和时间等[1]。

1.2 GPS工作原理

GPS卫星在空中昼夜不停的连续发射导航信号,导航信号上调制有测距码和导航电文。导航电文中含有卫星在空间的准确位置(由星历参数和历书参数描述,由地面控制站定时上行注入给卫星),GPS接收机接收卫星发射的导航信号,通过接收跟踪测距码信号,测量信号的到达时间,计算卫星和用户之间的距离;通过解调导航信号中的导航电文,获得卫星的位置,有了接收机距离卫星的距离,以及卫星自身的准确位置,就可以通过三球交会原理列出位置解算方程,给出用户机的位置和速度等信息。

1.3 GPS信号结构

由GPS工作原理可见,卫星发射的导航信号是用户机实现导航定位授时等基本应用的基础输入。GPS现代化的一系列升级改造措施必然包含对信号的优化设计和升级维护。包括增加新的导航信号、优化现有导航电文等。

传统的GPS信号(定义为由BLOCK IIR卫星及其以前的GPS卫星所广播的信号)在主频率L1和次频率L2两个载波频率上发射导航信号。以L1为例。L1频率导航信号上调制有扩频测距码和导航电文。其中测距码由C/A码(码片速率为1.023×106码片/秒)和P码(码片速率为10.023×106码片/秒)两个伪随机码组成。控制段通常将卫星配置为反欺骗(AS)工作模式,当AS启动后P码便被加密以构成所谓的Y码。Y码与P码有相同的码片速率,因此,常将精密(加密的)码简记为P(Y)码。GPS可提供两种服务。PPS(精密定位服务)使用P(Y)码,定位精度优于10 m,仅供美军及盟友使用;SPS(标准定位服务)使用C/A码,民码定位精度20 m左右,平时向全球开放,战时能实施局部关闭。在C/A码和P(Y)码信号上均调制有50 bps的导航电文数据。这些数据为用户计算每一颗可见星的精确位置和每一个导航信号的传输时间提供必需的信息。在正常情况下,地面控制段每天为每颗卫星上行注入一次或两次重要的导航数据项,这些重要的导航数据项(如卫星星历和星钟改正数)在2 h的时间段上重复广播。GPS导航电文的基本单位是一个主帧,每个主帧包括1500 bit,历时30 s,传输速率是50 bit/s。一个主帧由5个子帧组成,每一子帧本身由10个30 bit的字组成,共300 bit。第1,2,3子帧是每30 s(一个主帧)重复一次,而第4,5子帧的信息是连续播发,需经25个子帧,长达750 s(12.5 min)才能传送完全部信息。GPS导航电文帧结构见图1。

图1 GPS导航电文帧结构

如图2所示,在第1、2、3子帧中主要传输星钟改正数、以开普勒轨道6参数和轨道摄动9参数为主要内容的星历参数等更新速率较快的数据。第4、5子帧主要传输历书(概略星历)和电离层改正数等更新速率较慢的数据。图3给出GPS导航电文典型子帧结构。第2帧中传输的 a、e、i0、Ω0、ω、M0为开普勒轨道6参数,子帧5第1到第24页面分别传输1～24颗卫星的概略星历,子帧5第25页面传输1～24颗卫星的健康状况字,健康状况字标识了卫星信号的是否可用。子帧4第14、15、17页面则大部分是系统预留位。其中*号代表预留。

图2 GPS导航电文各帧主要内容

图3 GPS导航电文典型子帧结构和内容

1.4 GPS信号工作特点

1)军民区分的特点

由GPS信号结构可见,GPS信号明确的区分为军用信号和民用信号。民用信号的测距码和导航电文都是公开的,用户可以通过公开的GPS系统ICD文件获得测距码和导航电文的结构及具体内容。而军用信号的P(Y)码和导航电文是非公开的。要使用军用信号,接收机中必须具备SAASM。SAASM是GPS现代化的措施之一。1998年美国参谋长联席会议主席颁发了部署SAASM的命令,要求在2002年10月1日之后,GPS PPS用户只采购包含有SAASM的GPSPPS接收机,停止在部队中新配置未采用SAASM的接收机。

以SAASM为基础的GPS PPS接收机由两部分构成,一个是 SAASM模块,另一个是母板。SAASM模块安装在母板上,加上母板上的其它电路,以构成完整的以SAASM为基础的PPS接收机,如图4所示[2]。

图4 GPS SAASM接收机组成

SAASM由多个IC组成,构成PPS接收机的整个数字分系统,具备P(Y)码直接捕获能力。由图可见,GPS信号接收的大部分功能包括测距码捕获、跟踪、导航电文解析等数字处理功能,尤其是敏感信息的处理和密码功能都是在SAASM中完成的。

2)导航电文中大量系统预留位特点

除了SAASM措施外,导航电文中还有大量预留位,系统控制方可能会改变预留位的内容,以供系统升级或授权用户使用。对于GPS民用接收机用户,系统预留位的内容是未知的,存在两种可能,系统预留位为空置,或者调制有对系统控制者或授权用户才知道的信息。而普通民用用户机一般不关注、不使用此类信息。

3)单颗卫星导航电文的特点

每颗卫星连续不断在第1、2、3子帧中发播本卫星的星历星钟参数,同时,还通过第5子帧1～24、第4子帧2～5、7～10页面发播1～32颗卫星的概略星历(即历书),在第5子帧25页面、第4子帧25页面发播1～32颗卫星的健康状态字,因此只要接收到一颗正常卫星的导航信号,就可以知道本颗卫星的星历及其他31颗卫星的概略星历和健康状况。

2 2010年GPS升级调整的表象

2.1 相关报道

据美国“空间新闻”网站5月3日报道,由于美国空军最近对GPS地面控制系统的升级出现纰漏,导致至少86种使用GPS接收机的武器系统近乎瘫痪。目前美国空军正在加紧修复,但是在危机化解之前,美国军方和政府会受到很大影响。报道称,武器系统瘫痪的原因是升级后的GPS系统采用了新的信号格式,而装备在86种武器中的大约8000到1万件“选择性有效/反欺骗模块(SAASM)”GPS接收机在识别新格式时发生错误。目前美国空军只公开了两种“瘫痪”的武器系统的具体型号。其中一个是美国陆军和海军陆战队的“亚瑟王神剑”155毫米GPS制导炮弹,这种炮弹依靠GPS提供精确制导,非常适合在城市和复杂地形作战,目前已经广泛部署在伊拉克和阿富汗战场。美国空军在4月30日的声明中说,“如果装配在该系统中的SAASM接收机不能向精确制导弹药传递正确信息,弹药可能会落向友军或者平民的头上。”除此之外,海军的X-47B验证机也被证实受到牵连。X-47B是一种由诺◦格公司研制的下一代无人战斗机的验证机。在GPS接收机的问题得到修正之前,这种无人机只能在地面“趴窝”。据报道,X-47B每在地面多呆一天,海军就会损失大约100万美元。而整个美军因此遭受的损失更是难以估算。分析人士认为,GPS系统目前发生的问题还只局限于军事用户,不至于导致GPS系统的崩溃,但也足以说明GPS系统的脆弱性和复杂性。

据C114中国通信网 1月15日报道,中国电信CDMA网络13日下午出现GPS告警,涉及绝大多数省份;但是没有引发网络中断,美国官方声称在进行GPS系统的升级。中国电信负责网络优化的相关人士在接受C114连线时,证实了此事。“这几天,GPS(美国空军主导)正在进行升级维护,CDMA现网中部分厂家的基站设备在告警机制设置上,每隔12 min有一秒钟的丢星现象,现网出现了大量网络告警。但这并不会影响用户感知。”

GPS World 2010年1月11日报道,美国空军试图通过改变GPS星座的构型来提高该系统的精确性。与此同时,美国空军还宣布,他们正在通过发布新的地面系统软件,来引导改善全球定位系统的能力。新能力包括:新的民用导航信号、加密的军用码和信号功率的增强。新的软件还将为密钥“空中”分发和正确装备的军事用户提供强有力的安全改善。计划好的切换于2010年1月11日在施里弗空军基地进行,事先已经进行了广泛的试验以确保升级的透明,且不会对军事和民用用户造成影响。

2.2 用户机实测导航电文的异常表现

考虑到此次GPS调整,我国内绝大多数普通GPS用户都没有明显感知,说明系统的基本性能是有保障的,调整可能表现在个别卫星信号不可用以及导航电文中预留位的具体调整变化上。我们利用普通GPS接收机将接收到的卫星导航电文进行输出,截取了2010年1月份的部分卫星在部分时段的导航电文数据,分析结果证明了上述判断。将接收机输出导航电文和ICD文件进行对照,发现卫星导航电文的异常表现主要如下:

1)SVID(卫星标识号)为1的卫星,健康标识字为全1,表明信号完全不可用。

2)SVID(卫星标识号)为25的卫星,健康标识字为全1,表明信号完全不可用。同时第4子帧第2页面原为发播SVID为25的卫星的历书,但调整期间,此页面为空置,所填数据为 1010…,SVID所在位置原填为25,现为0,(根据ICD文件,0表明SVID为虚设)。

3)第4子帧第15页面为系统留用,原填0101…或1010…,调整期间,后3.5个字填为全0。

4)导航电文中存在其他大量预留位,不向普通民用用户公开,即使用户机输出了实际接收电文,但无法和ICD文件进行对照,因此,其具体信息内容和格式等是否发生变化,我们无法进行分析判断。

3 GPS调整的影响分析

3.1 普通用户应该没有感知

从上述用户机输出导航电文的异常现象可见,1号卫星和25号卫星信号处于非健康状态,已经由健康状态字标识,并且25号卫星的历书已不发播,对于一般用户机来说,在信号接收和解算过程中,会将此类卫星信号自然的丢弃,选择健康状态的卫星进行定位解算。因此,普通用户对此不会有感知。

对于第4子帧第15页面,由于其本来就是系统留用信息,普通用户机一般不去解算和理会,因此也不会有感知。同样,对于其他导航电文预留位的变化,普通用户皆不会有感知。

3.2 两类用户可能会有感知

1)具有某种干扰告警机制且对系统预留位也关注的接收机。

如trimble授时型接收机设置了干扰保护措施,对于导航电文中超过1.6 s的全零数据,就认为是遇到了干扰。在GPS信号导航电文中,所有预留位一般是填0101…或1010…,调整后,第4子帧第15页面后3.5个字填为全 0。长达2.1 s,trimble授时型接收机认为其遇到了干扰,因此出现“每隔约12 min”(一个超帧周期12.5 min,第4子帧15页面重复一次时)出现告警的现象。当然首先前提是该类型接收机没有将系统留用信息置之不理。

2)SAASM接收机

如前所述,SAASM接收机是军用或特殊用途接收机,其接收使用的信号为军用信号,包括 P(Y)码和民用用户不全知的导航电文。SAASM本身具有一定通用性,其解算的导航电文包含普通接收机所必须的导航电文和军用用户机专用的导航电文,还可能对系统留用导航电文具有解析能力。当系统留用信息的内容或格式发生变化时,SAASM可能不能识别或兼容这种新格式和新变化。而出现报道中所述的问题和现象。

4 结 论

经上述分析判断,2010年1月份,GPS调整,主要是上行加载新的软件(有报道指为 AEP V5.5C),该软件与控制导航电文的数据和格式功能有关,所以调整后,导航电文的内容和格式有了些微变化。这种变化不影响系统一般使用性能,对于普通用户来说,没有任何感知或影响。

而对于部分军用用户和个别特殊用户来说,有一定感知和影响,这种影响已足以“使负责美军所有天基资产管理工作的美国空军手忙脚乱”。但美国有关方面对此次事件保持了低调态度,同时,已经采取组建“用户装备危机反应中队”和求助军用接收机制造商等措施,积极减小和处理此次事件的负面影响。

因此,此次调整的负面影响将大部分限于美国军方可控范围内,不会影响GPS在世界领域的应用及产业发展。

[1] Elliott D.Kaplan.GPS原理与应用[M].寇艳红,译.2版.北京:电子工业出版社,2007.

[2] 邱致和,贾长江.SAASM-扩展GPS PPS应用的关键措施[J].导航,2005,41(3):1-15.