GPS针对不同的用户提供两种不同类型的服务:一种是标准定位服务(Standard Positioning Service,SPS);另一种是精密定位服务(Precision Positioning Service,PPS)。SPS主要面向全世界的民用用户,PPS主要是面向美国和盟国的军事部门以及民用的特许用户。
因为GPS技术和美国的国防现代化发展密切相关,所以,为了保障美国的利益与安全,限制非经美国特许的用户利用GPS的精度,该系统除了在设计方面采取许多保密措施外,在系统运行中还采取或可能采取其他一些措施,以限制用户获取GPS观测量的精度。这些措施主要包括:
(1)对不同的GPS用户,提供不同的服务方式;
(2)实施选择可用性政策;
(3)精测距码(P码)的加密措施。
1.对不同的GPS用户提供不同的服务方式
GPS卫星发射的无线电信号,含有两种精度不同的测距码,即P码(精码)和C/A码(粗码)。相应两种测距码,GPS提供两种定位服务方式,即精密定位服务和标准定位服务。
精密定位服务(PPS)可提供L1和L2载波上的P码、L1载波上的C/A码、导航电文和消除SA的密匙。PPS的主要对象是美国军事部门和其他经美国特许的用户。PPS利用双频技术消除电离层折射的影响。利用PPS单点定位的精度可以达到5~10 m。但是,P码是不公开的保密码,非经美国特许的用户难以利用。
标准定位服务仅提供L1载波上的C/A码和导航电文,其主要对象是非经美国政府特许的广大用户。这类用户只能利用C/A码获取精度较低的观测量,且只能采用调制在一个载波上的C/A码来测量距离,无法利用双频技术来消除电离层折射的影响。其单点实时定位的精度为15~30 m。
2.实施选择可用性政策
为了进一步降低标准定位服务的精度,以保障美国政府的利益和安全,对GPS工作卫星已播的信号实行SA政策,以进行人为的干扰。这种干扰,目前是通过ε和δ两种技术实现的。
ε 技术是干扰卫星星历数据,它通过降低GPS卫星播发轨道参数的精度,来降低利用C/A码进行实时单点定位的精度;δ 技术是对GPS的基准信号人为地引入一个高频抖动信号,以降低C/A码伪距观测的精度。
目前,在SA政策的影响下,对SPS用户,实时单点定位的精度,在水平和垂直方向上分别降为约100 m和150 m。而且,这种影响是可变的,在必要时美国政府可以进一步降低SPS的定位精度。
SA是针对非经美国政府特许的广大GPS用户采取的降低实时定位精度的措施,而对能够使用精密定位服务的用户,则可采用密匙自动地消除SA的影响。
3.精测距码的加密措施
AS(Anti-Spoofing)技术是P码的加密措施,也叫反电子欺骗技术。当P码被解密或在战时,对方如果知道特许用户接收机所接收的卫星信号的频率和相位,便可以发射适当频率的干扰信号,诱使特许用户的接收机错锁信号,产生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗,进一步加密P码,美国将在必要时引入机密码W码,并通过P码和W 码的模二相加,将P码转换为Y码。由于W码是严格保密的,所以非特许用户将无法继续应用P码进行精密定位并进行上述电子欺骗。这项技术只在特殊的情况下使用。
4.针对SA和AS政策的对策(www.daowen.com)
针对美国政府的SA和AS技术政策,应采取以下几项措施:
(1)改进GPS精密定位方法和软件,削弱SA和AS技术的影响。
在美国政府实施SA和AS技术时,采用差分GPS定位方法可以把一般用户的实时定位精度提高到2~5 m,是削弱美国限制性政策影响的有效手段,目前已被广泛使用。比如:采用载波相位观测时,在基线长度不大于20 km的情况下,可以获得厘米级的实时定位精度,目前也在迅速发展中。
还可以应用P-W技术和L1、L2交叉相关技术,在L2载波相位观测值得到恢复,其精度与使用P码相同。还有窄相关技术,可以使C/A码的多路径效应大大降低,使用L1波段的伪距测量精度接近P码精度的技术。
(2)建立独立的GPS卫星测轨系统。
利用独立的GPS卫星,建立独立的跟踪系统,以精密的测定卫星的轨道,为用户提供精密星历服务,是一项经济有效的措施。它为精密工程测量、地壳变形监测、地球动力学研究提供精密的后处理星历,以获得精密的定位结果。这项措施在开发GPS的广泛应用方面具有重大的意义。为此,除美国一些民用部门外,加拿大、澳大利亚和欧洲一些国家都在建立自己的区域性或全球性精密测轨系统。而我国也紧跟潮流,在“八五”期间建立的GPS跟踪站已经构网,建立了北京、武汉、上海、长春、昆明、拉萨和乌鲁木齐的GPS卫星跟踪站,其对我国利用和普及GPS定位技术,推进测绘科学技术的现代化,都具有重要的现实意义。
(3)使用能同时接受GPS和GLONASS信号的接收机。
俄罗斯和美国的两个系统,最大的区别在于:GLONASS无SA技术,无须顾虑精度的降低和信号的加密。同时接受两个系统的卫星信号,就意味着把两者构成了一个拥有48颗卫星的组合系统,弥补了GPS的局限性,整体上改善了系统的有效性、完整性和定位精度,从而保证了在有障碍的环境中观测时同步的卫星个数和定位精度。
(4)发展DGPS和WADGPS差分系统。
目前已在不少国家和地区建立发展了DGPS和WADGPS差分系统,实时差分定位精度可达厘米级。实时差分GPS系统的发展,为GPS应用开辟了新的领域,在陆地、海洋、天空、民用、军用等各个领域中将得到进一步的推广。
(5)建立独立的卫星导航与定位系统。
只有建立了属于自己的卫星导航定位系统,才能摆脱美国GPS政策的束缚。目前,一些国家和地区正在发展自己的卫星导航与定位系统。尤其是俄罗斯的全球导航定位系统GLONASS引起了世界各国的兴趣。另外,还有欧洲空间局开发的以民用为主的NAVSAT等。
但是,这是一项技术要求十分复杂、耗费十分巨大的工程,对于发展中国家来说,还有一定的难度。
鉴于这些国家的独立开发,迫使美国在2000年5月1日取消了SA政策,并提出了GPS现代化计划,包括增加2个民用频率信号、改善现有信号、改善地面设施以及开发第三代GPS卫星等。
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