淺析2010年度GPS升級(jí)調(diào)整對(duì)用戶的影響

吳海玲

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京100094)

0 引 言

GPS具有定位精度高、方法靈活、操作簡(jiǎn)便、可全天候使用等特點(diǎn),已逐漸深入到軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域,成為武器裝備信息化建設(shè)和國(guó)家信息化建設(shè)的重要支撐。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中,GPS在美軍作戰(zhàn)平臺(tái)、武器彈藥、作戰(zhàn)指揮等各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮了難以替代的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì),美軍四次戰(zhàn)爭(zhēng)所用GPS精確制導(dǎo)武器數(shù)量所占比例分別為:1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)為7.6%,1999年科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)為35%,2001年阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)為60%,2003年伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)為68.3%以上。在民用領(lǐng)域,GPS已廣泛滲透到交通、電信、電力、金融等核心基礎(chǔ)設(shè)施,成為重要的空間信息基準(zhǔn),在國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)處于絕對(duì)壟斷地位。美國(guó)為保持其GPS國(guó)際領(lǐng)先地位,將持續(xù)不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造和性能提升。從 1996年開(kāi)始實(shí)施GPS現(xiàn)代化計(jì)劃,以提高星上的處理能力和原子鐘性能,增加新的民用頻段,增強(qiáng)軍用信號(hào)的保密性和抗干擾性,分離軍民碼頻譜等措施,不斷提高精度和抗干擾、反利用能力,從而確保在軍事領(lǐng)域的控制能力和在民用市場(chǎng)的壟斷地位。

GPS在現(xiàn)代軍事、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與大眾生活各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,一方面使GPS成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),逐漸確立了其霸主地位,另一方面GPS系統(tǒng)本身的脆弱性以及系統(tǒng)持續(xù)的升級(jí)維護(hù)也給廣大用戶帶來(lái)了使用上的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)2010年度GPS升級(jí)調(diào)整,淺析其具體的客觀表象及其對(duì)用戶帶來(lái)的影響。

1 GPS系統(tǒng)的組成、工作原理和信號(hào)特點(diǎn)

1.1 GPS系統(tǒng)組成

GPS系統(tǒng)由三大部分組成,即空間段、控制段和用戶段?？臻g段即衛(wèi)星星座,系統(tǒng)完整星座由分布在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星的主要任務(wù)是連續(xù)不間斷的播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)?？刂贫渭吹孛孢\(yùn)行控制系統(tǒng),由主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站組成。主要任務(wù)是跟蹤所有的衛(wèi)星以進(jìn)行軌道和時(shí)鐘測(cè)定、預(yù)測(cè)修正模型參數(shù)、衛(wèi)星時(shí)間同步和為衛(wèi)星上行加載導(dǎo)航電文等。用戶段由用戶接收設(shè)備組成,用于接收處理從衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào),進(jìn)而確定用戶位置、速度和時(shí)間等[1]。

1.2 GPS工作原理

GPS衛(wèi)星在空中晝夜不停的連續(xù)發(fā)射導(dǎo)航信號(hào),導(dǎo)航信號(hào)上調(diào)制有測(cè)距碼和導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星在空間的準(zhǔn)確位置(由星歷參數(shù)和歷書參數(shù)描述,由地面控制站定時(shí)上行注入給衛(wèi)星),GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào),通過(guò)接收跟蹤測(cè)距碼信號(hào),測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間,計(jì)算衛(wèi)星和用戶之間的距離;通過(guò)解調(diào)導(dǎo)航信號(hào)中的導(dǎo)航電文,獲得衛(wèi)星的位置,有了接收機(jī)距離衛(wèi)星的距離,以及衛(wèi)星自身的準(zhǔn)確位置,就可以通過(guò)三球交會(huì)原理列出位置解算方程,給出用戶機(jī)的位置和速度等信息。

1.3 GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

由GPS工作原理可見(jiàn),衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)是用戶機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位授時(shí)等基本應(yīng)用的基礎(chǔ)輸入。GPS現(xiàn)代化的一系列升級(jí)改造措施必然包含對(duì)信號(hào)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和升級(jí)維護(hù)。包括增加新的導(dǎo)航信號(hào)、優(yōu)化現(xiàn)有導(dǎo)航電文等。

傳統(tǒng)的GPS信號(hào)(定義為由BLOCK IIR衛(wèi)星及其以前的GPS衛(wèi)星所廣播的信號(hào))在主頻率L1和次頻率L2兩個(gè)載波頻率上發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)。以L1為例。L1頻率導(dǎo)航信號(hào)上調(diào)制有擴(kuò)頻測(cè)距碼和導(dǎo)航電文。其中測(cè)距碼由C/A碼(碼片速率為1.023×106碼片/秒)和P碼(碼片速率為10.023×106碼片/秒)兩個(gè)偽隨機(jī)碼組成?？刂贫瓮ǔ⑿l(wèi)星配置為反欺騙(AS)工作模式,當(dāng)AS啟動(dòng)后P碼便被加密以構(gòu)成所謂的Y碼。Y碼與P碼有相同的碼片速率,因此,常將精密(加密的)碼簡(jiǎn)記為P(Y)碼。GPS可提供兩種服務(wù)。PPS(精密定位服務(wù))使用P(Y)碼,定位精度優(yōu)于10 m,僅供美軍及盟友使用;SPS(標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù))使用C/A碼,民碼定位精度20 m左右,平時(shí)向全球開(kāi)放,戰(zhàn)時(shí)能實(shí)施局部關(guān)閉。在C/A碼和P(Y)碼信號(hào)上均調(diào)制有50 bps的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)為用戶計(jì)算每一顆可見(jiàn)星的精確位置和每一個(gè)導(dǎo)航信號(hào)的傳輸時(shí)間提供必需的信息。在正常情況下,地面控制段每天為每顆衛(wèi)星上行注入一次或兩次重要的導(dǎo)航數(shù)據(jù)項(xiàng),這些重要的導(dǎo)航數(shù)據(jù)項(xiàng)(如衛(wèi)星星歷和星鐘改正數(shù))在2 h的時(shí)間段上重復(fù)廣播。GPS導(dǎo)航電文的基本單位是一個(gè)主幀,每個(gè)主幀包括1500 bit,歷時(shí)30 s,傳輸速率是50 bit/s。一個(gè)主幀由5個(gè)子幀組成,每一子幀本身由10個(gè)30 bit的字組成,共300 bit。第1,2,3子幀是每30 s(一個(gè)主幀)重復(fù)一次,而第4,5子幀的信息是連續(xù)播發(fā),需經(jīng)25個(gè)子幀,長(zhǎng)達(dá)750 s(12.5 min)才能傳送完全部信息。GPS導(dǎo)航電文幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 GPS導(dǎo)航電文幀結(jié)構(gòu)

如圖2所示,在第1、2、3子幀中主要傳輸星鐘改正數(shù)、以開(kāi)普勒軌道6參數(shù)和軌道攝動(dòng)9參數(shù)為主要內(nèi)容的星歷參數(shù)等更新速率較快的數(shù)據(jù)。第4、5子幀主要傳輸歷書(概略星歷)和電離層改正數(shù)等更新速率較慢的數(shù)據(jù)。圖3給出GPS導(dǎo)航電文典型子幀結(jié)構(gòu)。第2幀中傳輸?shù)?a、e、i0、Ω0、ω、M0為開(kāi)普勒軌道6參數(shù),子幀5第1到第24頁(yè)面分別傳輸1～24顆衛(wèi)星的概略星歷,子幀5第25頁(yè)面?zhèn)鬏?～24顆衛(wèi)星的健康狀況字,健康狀況字標(biāo)識(shí)了衛(wèi)星信號(hào)的是否可用。子幀4第14、15、17頁(yè)面則大部分是系統(tǒng)預(yù)留位。其中*號(hào)代表預(yù)留。

圖2 GPS導(dǎo)航電文各幀主要內(nèi)容

圖3 GPS導(dǎo)航電文典型子幀結(jié)構(gòu)和內(nèi)容

1.4 GPS信號(hào)工作特點(diǎn)

1)軍民區(qū)分的特點(diǎn)

由GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)可見(jiàn),GPS信號(hào)明確的區(qū)分為軍用信號(hào)和民用信號(hào)。民用信號(hào)的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文都是公開(kāi)的,用戶可以通過(guò)公開(kāi)的GPS系統(tǒng)ICD文件獲得測(cè)距碼和導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)及具體內(nèi)容。而軍用信號(hào)的P(Y)碼和導(dǎo)航電文是非公開(kāi)的。要使用軍用信號(hào),接收機(jī)中必須具備SAASM。SAASM是GPS現(xiàn)代化的措施之一。1998年美國(guó)參謀長(zhǎng)聯(lián)席會(huì)議主席頒發(fā)了部署SAASM的命令,要求在2002年10月1日之后,GPS PPS用戶只采購(gòu)包含有SAASM的GPSPPS接收機(jī),停止在部隊(duì)中新配置未采用SAASM的接收機(jī)。

以SAASM為基礎(chǔ)的GPS PPS接收機(jī)由兩部分構(gòu)成,一個(gè)是 SAASM模塊,另一個(gè)是母板。SAASM模塊安裝在母板上,加上母板上的其它電路,以構(gòu)成完整的以SAASM為基礎(chǔ)的PPS接收機(jī),如圖4所示[2]。

圖4 GPS SAASM接收機(jī)組成

SAASM由多個(gè)IC組成,構(gòu)成PPS接收機(jī)的整個(gè)數(shù)字分系統(tǒng),具備P(Y)碼直接捕獲能力。由圖可見(jiàn),GPS信號(hào)接收的大部分功能包括測(cè)距碼捕獲、跟蹤、導(dǎo)航電文解析等數(shù)字處理功能,尤其是敏感信息的處理和密碼功能都是在SAASM中完成的。

2)導(dǎo)航電文中大量系統(tǒng)預(yù)留位特點(diǎn)

除了SAASM措施外,導(dǎo)航電文中還有大量預(yù)留位,系統(tǒng)控制方可能會(huì)改變預(yù)留位的內(nèi)容,以供系統(tǒng)升級(jí)或授權(quán)用戶使用。對(duì)于GPS民用接收機(jī)用戶,系統(tǒng)預(yù)留位的內(nèi)容是未知的,存在兩種可能,系統(tǒng)預(yù)留位為空置,或者調(diào)制有對(duì)系統(tǒng)控制者或授權(quán)用戶才知道的信息。而普通民用用戶機(jī)一般不關(guān)注、不使用此類信息。

3)單顆衛(wèi)星導(dǎo)航電文的特點(diǎn)

每顆衛(wèi)星連續(xù)不斷在第1、2、3子幀中發(fā)播本衛(wèi)星的星歷星鐘參數(shù),同時(shí),還通過(guò)第5子幀1～24、第4子幀2～5、7～10頁(yè)面發(fā)播1～32顆衛(wèi)星的概略星歷(即歷書),在第5子幀25頁(yè)面、第4子幀25頁(yè)面發(fā)播1～32顆衛(wèi)星的健康狀態(tài)字,因此只要接收到一顆正常衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào),就可以知道本顆衛(wèi)星的星歷及其他31顆衛(wèi)星的概略星歷和健康狀況。

2 2010年GPS升級(jí)調(diào)整的表象

2.1 相關(guān)報(bào)道

據(jù)美國(guó)“空間新聞”網(wǎng)站5月3日?qǐng)?bào)道,由于美國(guó)空軍最近對(duì)GPS地面控制系統(tǒng)的升級(jí)出現(xiàn)紕漏,導(dǎo)致至少86種使用GPS接收機(jī)的武器系統(tǒng)近乎癱瘓。目前美國(guó)空軍正在加緊修復(fù),但是在危機(jī)化解之前,美國(guó)軍方和政府會(huì)受到很大影響。報(bào)道稱,武器系統(tǒng)癱瘓的原因是升級(jí)后的GPS系統(tǒng)采用了新的信號(hào)格式,而裝備在86種武器中的大約8000到1萬(wàn)件“選擇性有效/反欺騙模塊(SAASM)”GPS接收機(jī)在識(shí)別新格式時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。目前美國(guó)空軍只公開(kāi)了兩種“癱瘓”的武器系統(tǒng)的具體型號(hào)。其中一個(gè)是美國(guó)陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的“亞瑟王神劍”155毫米GPS制導(dǎo)炮彈,這種炮彈依靠GPS提供精確制導(dǎo),非常適合在城市和復(fù)雜地形作戰(zhàn),目前已經(jīng)廣泛部署在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)。美國(guó)空軍在4月30日的聲明中說(shuō),“如果裝配在該系統(tǒng)中的SAASM接收機(jī)不能向精確制導(dǎo)彈藥傳遞正確信息,彈藥可能會(huì)落向友軍或者平民的頭上。”除此之外,海軍的X-47B驗(yàn)證機(jī)也被證實(shí)受到牽連。X-47B是一種由諾?格公司研制的下一代無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)的驗(yàn)證機(jī)。在GPS接收機(jī)的問(wèn)題得到修正之前,這種無(wú)人機(jī)只能在地面“趴窩”。據(jù)報(bào)道,X-47B每在地面多呆一天,海軍就會(huì)損失大約100萬(wàn)美元。而整個(gè)美軍因此遭受的損失更是難以估算。分析人士認(rèn)為,GPS系統(tǒng)目前發(fā)生的問(wèn)題還只局限于軍事用戶,不至于導(dǎo)致GPS系統(tǒng)的崩潰,但也足以說(shuō)明GPS系統(tǒng)的脆弱性和復(fù)雜性。

據(jù)C114中國(guó)通信網(wǎng) 1月15日?qǐng)?bào)道,中國(guó)電信CDMA網(wǎng)絡(luò)13日下午出現(xiàn)GPS告警,涉及絕大多數(shù)省份;但是沒(méi)有引發(fā)網(wǎng)絡(luò)中斷,美國(guó)官方聲稱在進(jìn)行GPS系統(tǒng)的升級(jí)。中國(guó)電信負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的相關(guān)人士在接受C114連線時(shí),證實(shí)了此事。“這幾天,GPS(美國(guó)空軍主導(dǎo))正在進(jìn)行升級(jí)維護(hù),CDMA現(xiàn)網(wǎng)中部分廠家的基站設(shè)備在告警機(jī)制設(shè)置上,每隔12 min有一秒鐘的丟星現(xiàn)象,現(xiàn)網(wǎng)出現(xiàn)了大量網(wǎng)絡(luò)告警。但這并不會(huì)影響用戶感知?！?/p>

GPS World 2010年1月11日?qǐng)?bào)道,美國(guó)空軍試圖通過(guò)改變GPS星座的構(gòu)型來(lái)提高該系統(tǒng)的精確性。與此同時(shí),美國(guó)空軍還宣布,他們正在通過(guò)發(fā)布新的地面系統(tǒng)軟件,來(lái)引導(dǎo)改善全球定位系統(tǒng)的能力。新能力包括:新的民用導(dǎo)航信號(hào)、加密的軍用碼和信號(hào)功率的增強(qiáng)。新的軟件還將為密鑰“空中”分發(fā)和正確裝備的軍事用戶提供強(qiáng)有力的安全改善。計(jì)劃好的切換于2010年1月11日在施里弗空軍基地進(jìn)行,事先已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)以確保升級(jí)的透明,且不會(huì)對(duì)軍事和民用用戶造成影響。

2.2 用戶機(jī)實(shí)測(cè)導(dǎo)航電文的異常表現(xiàn)

考慮到此次GPS調(diào)整,我國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)普通GPS用戶都沒(méi)有明顯感知,說(shuō)明系統(tǒng)的基本性能是有保障的,調(diào)整可能表現(xiàn)在個(gè)別衛(wèi)星信號(hào)不可用以及導(dǎo)航電文中預(yù)留位的具體調(diào)整變化上。我們利用普通GPS接收機(jī)將接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航電文進(jìn)行輸出,截取了2010年1月份的部分衛(wèi)星在部分時(shí)段的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù),分析結(jié)果證明了上述判斷。將接收機(jī)輸出導(dǎo)航電文和ICD文件進(jìn)行對(duì)照,發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航電文的異常表現(xiàn)主要如下:

1)SVID(衛(wèi)星標(biāo)識(shí)號(hào))為1的衛(wèi)星,健康標(biāo)識(shí)字為全1,表明信號(hào)完全不可用。

2)SVID(衛(wèi)星標(biāo)識(shí)號(hào))為25的衛(wèi)星,健康標(biāo)識(shí)字為全1,表明信號(hào)完全不可用。同時(shí)第4子幀第2頁(yè)面原為發(fā)播SVID為25的衛(wèi)星的歷書,但調(diào)整期間,此頁(yè)面為空置,所填數(shù)據(jù)為 1010…,SVID所在位置原填為25,現(xiàn)為0,(根據(jù)ICD文件,0表明SVID為虛設(shè))。

3)第4子幀第15頁(yè)面為系統(tǒng)留用,原填0101…或1010…,調(diào)整期間,后3.5個(gè)字填為全0。

4)導(dǎo)航電文中存在其他大量預(yù)留位,不向普通民用用戶公開(kāi),即使用戶機(jī)輸出了實(shí)際接收電文,但無(wú)法和ICD文件進(jìn)行對(duì)照,因此,其具體信息內(nèi)容和格式等是否發(fā)生變化,我們無(wú)法進(jìn)行分析判斷。

3 GPS調(diào)整的影響分析

3.1 普通用戶應(yīng)該沒(méi)有感知

從上述用戶機(jī)輸出導(dǎo)航電文的異常現(xiàn)象可見(jiàn),1號(hào)衛(wèi)星和25號(hào)衛(wèi)星信號(hào)處于非健康狀態(tài),已經(jīng)由健康狀態(tài)字標(biāo)識(shí),并且25號(hào)衛(wèi)星的歷書已不發(fā)播,對(duì)于一般用戶機(jī)來(lái)說(shuō),在信號(hào)接收和解算過(guò)程中,會(huì)將此類衛(wèi)星信號(hào)自然的丟棄,選擇健康狀態(tài)的衛(wèi)星進(jìn)行定位解算。因此,普通用戶對(duì)此不會(huì)有感知。

對(duì)于第4子幀第15頁(yè)面,由于其本來(lái)就是系統(tǒng)留用信息,普通用戶機(jī)一般不去解算和理會(huì),因此也不會(huì)有感知。同樣,對(duì)于其他導(dǎo)航電文預(yù)留位的變化,普通用戶皆不會(huì)有感知。

3.2 兩類用戶可能會(huì)有感知

1)具有某種干擾告警機(jī)制且對(duì)系統(tǒng)預(yù)留位也關(guān)注的接收機(jī)。

如trimble授時(shí)型接收機(jī)設(shè)置了干擾保護(hù)措施,對(duì)于導(dǎo)航電文中超過(guò)1.6 s的全零數(shù)據(jù),就認(rèn)為是遇到了干擾。在GPS信號(hào)導(dǎo)航電文中,所有預(yù)留位一般是填0101…或1010…,調(diào)整后,第4子幀第15頁(yè)面后3.5個(gè)字填為全 0。長(zhǎng)達(dá)2.1 s,trimble授時(shí)型接收機(jī)認(rèn)為其遇到了干擾,因此出現(xiàn)“每隔約12 min”(一個(gè)超幀周期12.5 min,第4子幀15頁(yè)面重復(fù)一次時(shí))出現(xiàn)告警的現(xiàn)象。當(dāng)然首先前提是該類型接收機(jī)沒(méi)有將系統(tǒng)留用信息置之不理。

2)SAASM接收機(jī)

如前所述,SAASM接收機(jī)是軍用或特殊用途接收機(jī),其接收使用的信號(hào)為軍用信號(hào),包括 P(Y)碼和民用用戶不全知的導(dǎo)航電文。SAASM本身具有一定通用性,其解算的導(dǎo)航電文包含普通接收機(jī)所必須的導(dǎo)航電文和軍用用戶機(jī)專用的導(dǎo)航電文,還可能對(duì)系統(tǒng)留用導(dǎo)航電文具有解析能力。當(dāng)系統(tǒng)留用信息的內(nèi)容或格式發(fā)生變化時(shí),SAASM可能不能識(shí)別或兼容這種新格式和新變化。而出現(xiàn)報(bào)道中所述的問(wèn)題和現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

經(jīng)上述分析判斷,2010年1月份,GPS調(diào)整,主要是上行加載新的軟件(有報(bào)道指為 AEP V5.5C),該軟件與控制導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)和格式功能有關(guān),所以調(diào)整后,導(dǎo)航電文的內(nèi)容和格式有了些微變化。這種變化不影響系統(tǒng)一般使用性能,對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō),沒(méi)有任何感知或影響。

而對(duì)于部分軍用用戶和個(gè)別特殊用戶來(lái)說(shuō),有一定感知和影響,這種影響已足以“使負(fù)責(zé)美軍所有天基資產(chǎn)管理工作的美國(guó)空軍手忙腳亂”。但美國(guó)有關(guān)方面對(duì)此次事件保持了低調(diào)態(tài)度,同時(shí),已經(jīng)采取組建“用戶裝備危機(jī)反應(yīng)中隊(duì)”和求助軍用接收機(jī)制造商等措施,積極減小和處理此次事件的負(fù)面影響。

因此,此次調(diào)整的負(fù)面影響將大部分限于美國(guó)軍方可控范圍內(nèi),不會(huì)影響GPS在世界領(lǐng)域的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

[1] Elliott D.Kaplan.GPS原理與應(yīng)用[M].寇艷紅,譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2] 邱致和,賈長(zhǎng)江.SAASM-擴(kuò)展GPS PPS應(yīng)用的關(guān)鍵措施[J].導(dǎo)航,2005,41(3):1-15.