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材料来源于网络，学习GPS通信卫星。

全球定位系统(Global Positioning System)简称GPS，它是一个由美国国防部开发研制的卫星导航定位系统，为用户提供定位、导航和授时(PNT，Positioning, Navigation, Timing)服务。该系统主要由三个部分组成：空间部分，地面控制部分，以及用户部分。目前空间部分以及地面控制部分由美国太空部队开发、维护、管理。

GPS空间部分由向用户发送无线电信号的卫星星座组成。美国致力于在24%的时间内保持至少95颗可运行的GPS卫星的可用性。为了确保这一承诺，美国太空部队十多年来一直在飞行31颗可操作的GPS卫星。

GPS全球定位系统是美国国防部发展的全球导航卫星系统，是美国重要的空间基础设施，能够为美国各军兵种提供实时、全天候和全球性的导航服务，且能够实现情报搜集等军事目的，是美国国防建设以及军事实力的重要构成。GPS系统于1999年1月启动GPS现代化计划，以不断增强其服务范围及服务性能，更好的满足美国国防现代化发展的需要，支持和保障美国军事行动，不断增强美国国防实力。目前GPS现代化进入最后阶段，已发射5颗GPS III卫星,对地面运控系统进行了全面升级改造,大规模推进M码用户机装备的研制使用。

为了对美GPS系统的发展方向和整体趋势进行分析，初步判断美国GPS领域的战略重心和国防实力，可以对GPS经费预算加以研究。预算是经法定程序审核批准的国家年度集中性财政收支计划，反映着整个国家的政策以及政府活动的范围和方向。美国在每年初会公布GPS下一财年的经费预算，预算制定直接反映出GPS的发展重点和建设情况，具有很强的开源情报价值。

2017-2022财年，美国在GPS领域的国防预算总额呈现逐年递增的趋势，其中2022年拨款已超20亿美金，与2017的9亿美金相比超过一番，GPS预算飞快的增长速度表明美国正积极发展构建GPS系统，不断维护和增强其在导航、定位、授时（PNT）领域的优势，另一方面也说明GPS在太空领域具有强大国防实力，美国在不断增强和确保其太空领域的国防能力。

2017-2022财年GPS领域国防预算总额

GPS全球定位系统能为用户提供精确的三维坐标、速度和时间。美政府为保障其在战争中的定位精度优势，启动了GPS现代化升级计划，GPS现代化的主要内容包括：

1、空间段星座布局的优化、导航卫星的退役和增补工作、第三代GPS卫星（GPS III）的研发生产；

2、地面段新一代GPS地面系统（OCX）的开发和部署；

3、信号体制的升级增强，提升系统的应用性能及与其他系统的兼容互操作能力等。

目前，GPS现代化进入最后阶段，正致力于发展第三代GPS卫星星座，加强依托GPS系统开展导航战的能力，保障美在卫星导航领域的优势地位。

世界上存在许多正在运行的卫星导航系统。有些系统是全球系统，有些系统则只在特定的区域提供服务。全球导航卫星系统（GNSS）定义为所有卫星导航系统及它们的增强系统。

使用适当的接收设备，GNSS可为用户提供准确、连续、全球的三维位置和速度信息，并且可以在协调世界时（UTC）时标下传播时间。全球GNSS星座（有时称为核心星座）通常由24颗或更多的中地球轨道（MEO）卫星组成，这些卫星通常位于3个或6个轨道面上，每个轨道面上有4颗或更多的卫星。地面控制/监测网络监测卫星的健康和状态，并将导航和其他数据上传至各颗卫星。

GPS系统由空间段、地面段及用户段构成，其中用户段又分为军用和民用。对其预算变化分别进行分析，可了解GPS系统各组成部分的发展进程，研判其未来发展趋势。

空间部分：

GPS系统空间部分由24颗在轨运行卫星（截止到2022年2月13日，共有31颗，不包括退役在轨备用卫星）向用户发送无线电信号的卫星星座组成。

GPS卫星在大约20，200公里（12，550英里）的高度的中地球轨道（MEO）飞行。每颗卫星每天绕地球两圈。

GPS星座中的卫星排列成围绕地球的六个等间距轨道平面。每个平面包含四个由基线卫星占用的“插槽”。这种 24 插槽布置确保用户可以从地球上的几乎任何一点查看至少四颗卫星。

太空部队通常飞行超过24颗GPS卫星，以便在基线卫星维修或退役时保持覆盖。额外的卫星可能会提高GPS性能，但不被视为核心星座的一部分。

2011年4月，美国空军成功完成了被称为“可扩展24”配置的GPS星座扩展。27个插槽中的三个被扩展，六颗卫星被重新定位，因此其中三颗额外的卫星成为星座基线的一部分。因此，GPS现在有效地作为星座运行，在世界大部分地区的覆盖范围有所改善。

GPS星座是新旧卫星的混合体。下表总结了当前和未来几代全球定位系统卫星的特点，包括第二组（第二代，“高级”）、第二组（“补给”）、第二层-M（“现代化”）、第二组（“后续”）、第三类和第三国际定位系统（“后续”）。

如图7所示，美政府用于GPS空间段的总预算支出呈现逐年递增的趋势，其中，2019财年新增GPS IIIF卫星研发经费，2020财年新增GPSIIIF卫星采购经费，且用于GPS IIIF卫星的总预算逐年递增，而GPSIII卫星采购经费和研发经费在逐年递减，表明GPS III卫星系统在2020年已经相对成熟和完善，进入发射组网阶段，美政府开始进行GPS IIIF卫星研发工作。2022年GPSIII卫星采购经费有所增加，说明后续发射计划较为密集。而自2021财年，GPS IIIF研发也在逐年递减，说明GPS IIIF的研发趋于成熟，2026年交付第一颗GPS IIIF卫星的目标应该可以实现。综上所述，GPS空间段卫星在研发期间预算投入最多，采购期间投入较少，组网期间最少。从预算看，GPS IIIF正逐渐取代GPS III，占据空间段预算支出的大部分份额，是未来发展的重点。

图7 2018-2022财年GPS空间段国防预算总额及构成卫星运行高度约为20,200公里，属于中轨道卫星(MEO)，每颗卫星每天绕地球两圈。GPS星座中的卫星被排列成6个环绕地球的轨道平面。每个轨道平面包含了4颗卫星，这样排列就可以保证用户在地球上任何位置都可以看到至少4颗卫星，如下图：

为了保证服务质量或者卫星退役后进行代替，美国太空部队会发射额外的卫星以提高GPS的性能，但这些额外的卫星并不作为核心星座的一部分。

2011年6月，美国空军成功完成了GPS星座扩展工程，新增3颗卫星，这样核心星座由24颗变成27颗卫星，在世界大部分地区的覆盖范围得到有效改善。

目前GPS星座包括7颗Block IIR、7颗BlockIIR- M、14颗Block IIF、5颗GPS III/IIIF，而最早发射的Block IIA已在2019年全部退役。

备注：L1C/A为初代民用信号、L1/L2 P(Y)军用信号、L2C二代民用信号、L5三代民用信号、L1C四代民用信号。

地面控制部分：

地面段部分，预计未来五年，美财年仍将支出GPS预算的20%左右用于OCX的建设和升级，以保障GPS III和GPS IIIF卫星的各项服务性能，增强对抗条件下军用导航服务能力。

OCX是美空军为控制军用卫星，委托雷声公司研制的能够长期使用的下一代GPS作战控制地面系统，是GPS现代化计划的核心组成部分之一，采用开放式体系架构，具有较高的灵活性，能够兼容其他导航系统信号，增强系统的网络攻击防御能力和安全信息共享能力，有效延长系统的预期寿命。美空军计划在GPS III发射入轨计划的同时，继续开发GPS III下一代地面运行控制系统OCX，2018年4月～5月，先期交付给美空军的GPS OCX Block 0完成了两轮网络安全测试，测试结果显示系统运行符合设计要求，是安全的。故美政府计划将2019财年43%的预算，超5亿美元用于OCX及GPS系统集成的开发，为该财年最主要支出。OCX的研发虽严重拖延并有经费超支现象，但每财年仍有20%及以上的GPS系统预算用于地面段的升级改造，如图8所示，美空军用于开发OCX的预算始终超4亿美金，其原因为OCX对新一代卫星系统的运行管理具有不可替代的支撑作用，美军正持续升级OCX系统，以增强对新一代卫星GPS III和GPS IIIF的操控能力。

图8 2018-2022财年GPS地面段国防预算总额

GPS系统地面控制部分由分布在全球的地面控制中心设施组成一个网络，该网络可跟踪GPS卫星，监测它们的信号传输，卫星状态分析，并向它们发送指令和数据。

当前的地面控制中心包括1个主控站、1个备用主控站、11个注入站（包括4个地面天线）以及16个监测站。这些设施的位置显示在下面的地图上。

控制段

GPS控制部分由全球地面设施网络组成，这些设施跟踪GPS卫星，监控其传输，执行分析并向星座发送命令和数据。

目前的操作控制段（OCS）包括一个主控制站，一个备用主控制站，11个指挥和控制天线以及16个监控站点。

GPS星座提供了始终如一的高性能，这要归功于其运营商的不懈努力 - 美国空军第2太空作战中队（2SOPS）和位于科罗拉多州施里弗太空部队基地的空军预备役第19太空作战中队（19SOPS）的男女。

2SOPS和19SOPS（绰号“二十一点团队”）共同保持GPS卫星24/7全天候飞行，为数十亿民用和军用用户提供持续可用性和高精度。

2008年完成的“传统精度改进计划”将全球定位系统业务控制部分的监测站数量从6个增加到10个。这使在GPS卫星轨道上收集的数据量增加了两倍，使GPS星座广播信息的准确性提高了15%至20%。

L-AII的努力增加了10个由国家地理空间情报局（NGA）拥有和运营的GPS监测站。NGA最初部署这些站点是为了帮助它定义GPS使用的地球参考框架.

控制段现代化

作为GPS现代化计划的一部分，空军多年来不断升级GPS控制部分。地面升级对于指挥和控制较新的GPS卫星以及加强网络安全是必要的。

持续升级

• OCX：下一代操作控制系统

• 二氧化碳：全球定位系统III应急行动

• MCEU：M代码早期使用

过去的升级

• AEP：架构演进计划

• LADO：发射/早期轨道、异常解决和处置操作

• L-AII：传统精度改进计划

下一代操作控制系统 

下一代操作控制系统（OCX）是GPS控制领域的未来版本。

OCX将指挥所有现代化和传统GPS卫星，管理所有民用和军用导航信号，并为下一代GPS操作提供改进的网络安全和弹性。它将包括：

• 主控制站和备用主控制站

• 专用监测站

• 地面天线

• GPS系统模拟器和

• 标准化的空间训练器。

OCX 开发遵循渐进式方法。

• Block 0是发射和控制系统（LCS），旨在控制发射和早期轨道（LEO）操作以及所有GPS III卫星的在轨检查。OCX Block 0 是 OCX Block 1 的子集，为 Block 1 提供硬件、软件和网络安全基础。

• 第1组涉及控制所有遗留卫星和民用信号（L1 C/A）、军事信号（L1P（Y）、L2P（Y））以及GPS III卫星和现代化民用信号（L2C）和航空飞行安全信号（L5）的操作能力。此外，Block 1将具备控制现代化军事信号（L1M和L2M（M代码））和全球兼容信号（L1C）的基本作战能力。它还完全满足信息保障/网络防御要求。

• Block 2 提供先进的作战能力，以控制现代化军事信号（L1M 和 L2M（M 代码））的高级功能。区块 2 将与区块 1 同时交付。

• Block 3F将升级OCX，使其具有与GPS IIIF空间段和军事GPS用户设备（MGUE）增量2功能同步的新功能。OCX Block 3F需要发射和操作指挥和控制GPS IIIF太空飞行

  器。

用户部分：

用户段部分，预计未来五年，军用用户段的预算将主要用于MGUE增量计划2的研发采购，使各军兵种具备现代化的GPS接收能力和抗干扰能力，不断提高作战能力。民用项目则将继续增加对可替代导航技术的预算投入，避免用户对GPS系统的过度依赖。

GPS军用用户段

MGUE是一项联合服务计划，目的是发展现代军用GPS接收机，以确保在常规接收机离线或受干扰时，也能提供精确和可靠的定位、导航和时间。美空军表示，在GPSIII发展阶段，将实施推进MGUE增量计划1和MGUE增量计划2。如图9所示，军用用户段的预算呈现稳中有升的趋势，2022财年预算有显著增加,其原因为MGUE的Ｍ码地面卡即将投入现场测试，通过现场测试后，陆军和海军陆战队可能会开始研发和使用MGUE地面设备。总体而言，随着新一代卫星星座的研发升级，MGUE也在进行同步升级优化。

图9 2018-2022财年GPS军用用户段国防预算总额

GPS民用项目

2018财年-2020财年，美空军用于GPS民用项目的预算逐年减少，2020财年-2022财年，预算逐年增加。但较军用用户段而言，各财年民用项目预算均远低于军用用户段预算支出，表明美政府更加注重GPS系统军事效益的开发。如图10所示，民用项目的预算主要用于GPS的广域增强系统（WAAS）的升级优化，WAAS是美国联邦航空局（FAA）及美国交通部开发建立的用于提高飞机的飞行定位精度的空中导航系统，其原理是通过解决广域差分GPS的数据通信问题，从而进一步提高GPS系统的精度、可用性和完整性。

2022财年，GPS民用项目预算支出新增三个项目。

一是GPS备份PNT技术研究，其预算占民用项总预算的比例为13.14%，旨在提高PNT冗余度，备份PNT信息。

二是第13905号行政命令《通过负责任地使用定位、导航与授时服务来增强国家弹性》，占比3.07%，其目的是为了确保定位、导航和授时服务（PNT）服务的中断或操纵不会破坏其关键基础设施的可靠性和有效运行。

三是全球导航卫星系统GNSS性能监视和干扰检测能力，占比3.07%，GNSS是PNT的另一主要信息源，在GPS受阻时，可将GNSS射频信号和其他卫星通信源（非射频源）集成到PNT产品和用户设备，通过多频和多样性源来对抗GPS干扰，为用户提供可替代导航能力。新增三项民用项目预算的目的都是为了在GPS受限情况下，依旧存在有效的PNT信息源，确保能够满足用户及国家各项任务的需求，提高太空PNT有效载荷的弹性能力，增强国家基础设施的安全性。美军希望即使在未来复杂的导航战作战环境下，其PNT装备能够适应不断变化的作战环境，能够抵御服务中断，并迅速恢复。可替代导航技术或将成为未来PNT技术发展的重要方向。

图10 2018-2022财年GPS民用项目国防预算图

通过对GPS系统的国防预算进行年度分析和项目分析，能够准确了解GPS现代化的发展历程以及空间段、地面段和用户段的发展趋势。空间段部分，GPS IIF卫星于2017年组网完成，美方宣布于2028年左右完成GPS IIIF卫星的采购，可以推算出一代卫星的更新时间约为10年，预计未来五年，美政府将投入大量预算致力于GPS IIIF卫星的研发采购

和互联网一样，全球定位系统是全球信息基础设施的重要组成部分。其免费、开放和可靠的特性应用在现代生活的方方面面。从手机、汽车到工程机械、自动取款机等，GPS技术可谓无处不在，它的应用只受人类想象力的限制。

以上就是美国研制的全球定位系统GPS介绍，其实随着民用领域的需求以及现代科学技术的发展，为了提高GPS系统的准确性、完整性、可用性，以及为了在全球任何位置的定位、导航和授时，辅助GPS系统也开始发展起来，如WAAS、CORS、GDGPS和IGS等，这些辅助GPS系统本身并不属于GPS系统的一部分，有感兴趣的小伙伴可以留言，小编会在后面的笔记中进行更新。经济实力是军事发展建设的基础。通过美国每财年公布的GPS系统经费预算，可以分析判断美GPS系统国防建设的现代化进程，研判其未来发展趋势。本文对GPS系统2018财年至2022财年的财政预算进行分析，归纳总结了近五年美GPS系统的战略发展重点及发展趋势，为研究GPS系统的未来发展战略提供依据。

GPS定位原理

卫星发送信号：GPS系统由一组位于轨道上的卫星组成，它们定期向地球表面发送特定的信号。

接收器接收信号：GPS接收器接收来自多颗卫星的信号，这些信号包含有关卫星位置和时间的信息。

信号传播时间测量：GPS接收器通过测量卫星信号从发射到接收所需的时间来计算信号传播的距离。因为光速是已知的，通过时间和光速的乘积即可得到信号传播的距离。

三角测量计算位置：通过同时测量至少三颗卫星的信号传播距离，GPS接收器可以使用三角测量的方法计算出自身的位置坐标。

GPS定位误差

大气延迟：GPS信号在穿过大气层时会遭受干涉和延迟，特别是电离层和对流层的影响会引起信号传播速度变化，导致距离测量误差。

多径效应：GPS信号可能在传播过程中反射、折射或穿越建筑物等障碍物，从而产生多个路径的效应，导致接收器接收到多个信号源，影响定位精度。

卫星几何因素：卫星的位置相对于接收器的几何配置会影响信号传播的路径长度，导致测量距离时产生误差。

卫星钟差：卫星的精确时间计量也可能存在误差，这会影响信号传播时间的计算，进而影响定位精度。

接收器误差：GPS接收器本身的设计和质量也会对定位精度产生影响，例如，接收器的时钟精度和信号处理算法等。

数据处理误差：在GPS定位系统的数据处理过程中，比如三角测量计算等，存在计算误差或者舍入误差，会进一步影响定位精度。

为了尽可能减小这些误差，GPS定位系统采用了纠偏和差分等技术来提高定位的精度。在特定应用场景下，还可以结合其他辅助定位系统，如GLONASS、Galileo和北斗等，以提高全球定位的可靠性和准确性。其中利用RTK实时动态载波相位差分技术可将定位精度提高几个数量级。

民用信号

GPS现代化计划的一个主要重点是向卫星星座添加新的导航信号。

政府正在部署三个专为民用设计的新信号：L2C，L5和L1C。传统的民用信号，称为L1 C / A或L1的C / A，将继续广播，总共四个民用GPS信号。用户必须升级他们的设备才能从新信号中受益。

随着空军发射新的GPS卫星以取代旧的GPS卫星，新的民用信号正在逐步实施。大多数新信号在从18到24颗卫星广播之前用途有限。

第二个民用信号：L2C

• 消息设置为“正常”的预操作信号

• 广播自 25 全球定位系统卫星

• 2005年开始推出GPS Block IIR-M

• 到2023年，可在24颗具有地面部分控制能力的GPS卫星上使用（截至2020年4月）

特征

1227.60兆赫

• 无线电导航卫星服务 （RNSS） 无线电频段

• 现代信号设计 （CNAV），包括多种消息类型和前向纠错

• 双相移键 （BPSK） 调制

• 包括用于无代码跟踪的专用通道

L2C是第二种民用GPS信号，专为满足商业需求而设计。

它的名称是指信号使用的射频（1227 MHz或L2）以及它用于civilian 的事实。L2频率上还有两个军事信号。

当与双频接收器中的L1 C/A结合使用时，L2C可实现电离层校正，这是一种提高精度的技术。拥有双频 GPS 接收器的平民享有与军队相同（或更好）的精度。

对于具有现有双频操作的专业用户，L2C 可实现更快的信号采集、增强的可靠性和更大的工作范围。L2C 以比传统 L1 C/A 信号更高的有效功率进行广播，使其更容易在树下甚至室内接收。美国商务部估计，到2年，L5C可以产生8亿美元的经济生产力效益。

第三民用信号：L5

L5是第三个民用GPS信号，旨在满足生命安全运输和其他高性能应用的苛刻要求。

它的名称是指美国对信号使用的射频（1176 MHz）的指定。

L5在专门为航空安全服务保留的无线电频段中广播。它具有更高的功率、更大的带宽和先进的信号设计。

未来的飞机将使用L5与L1 C / A结合使用，以提高精度（通过电离层校正）和鲁棒性（通过信号冗余）。

除了提高安全性外，L5的使用还将提高美国领空，铁路，水路和高速公路的容量和燃油效率。

除了运输，L5还将为全球用户提供最先进的民用GPS信号。当与 L1 C/A 和 L2C 结合使用时，L5 将提供高度强大的服务。通过一种称为三线的技术，使用三个GPS频率可以在不增强的情况下实现亚米级精度，并通过增强实现超长距离操作。

第四个民用信号：L1C

L1C是第四个民用GPS信号，旨在实现GPS与国际卫星导航系统之间的互操作性。

它的名称是指信号使用的射频（1575 MHz或L1）以及它用于civilian的事实。L1 还有两个军事信号，以及传统的 C/A 信号。L1C 不应与 L1 C/A 混淆。

L1C采用多路复用二进制偏移载波（MBOC）调制方案，可在保护美国国家安全利益的同时实现国际合作。该设计将改善城市和其他具有挑战性环境中的移动GPS接收。

美国和欧洲最初将L1C开发为GPS和伽利略的通用民用信号。日本的准天顶卫星系统（QZSS）和中国北斗系统也在采用类似L1C的信号。

无代码/半无代码过渡计划

一旦L2C和L5完全投入使用，它们的功能将消除对或半GPS接收器的需求，如今许多GPS专业人员都使用它来获得非常高的精度。这种接收器通过利用L2频率的加密军用P（Y）信号的特性来实现双频能力。

民用导航 （CNAV） 消息

GPS现代化计划正在为GPS星座添加新的民用信号。

新信号使用现代化的民用导航 （CNAV） 消息格式，比原始民用信号（C/A 代码）上的传统导航 （LNAV） 消息更灵活。CNAV 还提供前向纠错等现代功能。

CNAV 在 GPS L2C、L5 和 L1C 信号的接口规范中完全定义。

当前状态：预运营

空军目前在L2C和L5上广播CNAV信息，来自所有能够传输这些信号的可操作GPS卫星（即GPS IIR-M和GPS IIF）。

L2C 和 L5 信号目前处于预运行状态，在政府宣布其运行之前，不应用于生命安全或其他关键目的。

L2C 的预操作 CNAV 消息将其运行状况位设置为“正常”，而 L5 的预操作 CNAV 消息的运行状况位设置为“不正常”。

政府正在提供预操作的CNAV消息，以便用户熟悉和设备开发。

L2C 和 L5 的运行声明将要求在下一代运营控制系统 （OCX） 的第 1 块中实施新的监测和控制功能。

空军于2年开始在L5C和L2014上广播CNAV消息。在此之前，这些信号仅传输不包含任何数据的默认消息（消息类型 0）。

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原文始发于微信公众号（太空安全）：全球定位系统GPS星座概述