在過去的十年間，高精度GPS測量的應(yīng)用急劇增加。GPS接收器可以提供高精度的數(shù)據(jù)和快速處理的結(jié)果，通過在短時間內(nèi)覆蓋大面積來節(jié)省大量的時間。這種精度只能通過使用代碼和載波相位測量來獲取。然而，載波相位測量中仍然需要解決一個問題，就是關(guān)于初始整周模糊度的問題。采用單頻觀測的方法需要5-30分鐘才能解決初始整周模糊度的問題，而采用雙頻測量的方法則僅需幾秒鐘就能可靠的解決這個問題。另外，由于要消除電離層或?qū)α鲗?，允許存在一定量的空間相關(guān)誤差。因此，在擁有合理的首次定位時間(TTFF)的條件下，雙頻和多頻接收器是僅有的能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)(RTK)調(diào)查的設(shè)備。

新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)會給高精度接收機用戶帶來什么呢？（3sNews 配圖）

　　然而，目前的雙頻接收機都非常昂貴。高昂的費用來自于需要使用的第二個頻率(信號L2)，而這個信號是受專利高度保護的。隨著一些技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了利用單頻接收機實現(xiàn)高精度和實時監(jiān)測的方法，而且新的信號和組合也已經(jīng)出現(xiàn)，現(xiàn)在花費更低的成本就可以使用兩個頻率。在使用雙頻以及三頻的方案獲取高精度的應(yīng)用時，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的最新發(fā)展有望降低使用成本。

　　科學(xué)家們長期以來一直在討論新的信號在多頻和多導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力，他們還對信號組合，特別是那些同時涉及多個頻率的載波相位測量，表現(xiàn)出了極大的興趣。舉例來說，在載波相位定位的模糊度解算、接收機完好性的自主監(jiān)測和電離層研究方面，三個頻率的組合使用都表現(xiàn)出有很大的潛力。由于可以提高相關(guān)精度，使用三個頻率的載波相位測量為評估載波相位質(zhì)量和多徑效應(yīng)提供了一個特別簡單的方法。

　　新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號和系統(tǒng)

　　新的民用信號將作為GPS現(xiàn)代化和新的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS, Galileo 和Compass)發(fā)展的一部分向社會提供，保證用戶可以以較低的成本獲取新增功能。表1總結(jié)了新的GPS ，Galileo和Compass開放式服務(wù)(OS)信號的特點。

未來開放式服務(wù)（OS）信號的特征對比（3sNews 配圖）

　　第一個要實現(xiàn)的就是L2C的GPS信號。這個信號一開始是由GPS衛(wèi)星在2005年9月傳送的，截止到2016年預(yù)計將擁有24顆衛(wèi)星。它將提供更高的精度以實現(xiàn)雙頻電離層的校正。L5信號( 2009年至2018年)計劃用來滿足交通運輸安全中關(guān)于產(chǎn)品生命期(SOL)的苛刻要求，而L1C信號(2014年至2021年)則是為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的互操作而設(shè)計的。相比于L2C信號，新的L5信號的碼片速率要高得多(與加密的P碼信號相同)，達到了10.23 MHz，這可以保證較低的測距噪聲和更好的多路徑電阻。

　　Galileo也推出了兩顆衛(wèi)星(Giove-A 和 Giove-B)，解決了頻率分配和關(guān)鍵技術(shù)驗證的問題。下一步計劃發(fā)射四個在軌驗證(IOV)衛(wèi)星。前兩個在2011年10月發(fā)射，后兩個計劃在2012年發(fā)射。全體協(xié)作能力(FOC)的形成以初始化協(xié)作能力為過渡，標志是18顆衛(wèi)星的協(xié)作運行(IOV的四個衛(wèi)星加上另外14個衛(wèi)星)。到2015年為止，18顆衛(wèi)星應(yīng)該全部就位。其余的衛(wèi)星(總共30個衛(wèi)星)也將在2020年到位，這將使E1和E5信號得到更廣泛的應(yīng)用。

　　雖然現(xiàn)在正在升級到碼分多址技術(shù)(CDMA)，GLONASS目前依舊是基于頻分多址技術(shù)(FDMA)的。目前在軌的衛(wèi)星一共有27個，其中處于工作狀態(tài)的有23個，這使得GLONASS可以提供覆蓋全球的信息。如果攜帶有3顆GLONASS-M衛(wèi)星的發(fā)射在2010年12月沒有失敗的話，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)現(xiàn)在就已經(jīng)完成了?，F(xiàn)在，只有在年底將三個GLONASS-M衛(wèi)星成功發(fā)射之后，GLONASS系統(tǒng)才能夠完成。第一個GLONASS- K的示范衛(wèi)星已經(jīng)在軌道上，在那里將傳輸系統(tǒng)的第一個CDMA信號，這種信號的設(shè)計是為了增加與其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)兼容性和互操作性，從而降低接收器的成本。GLONASS- K1的CDMA信號在系統(tǒng)的L3頻段以1202 MHz的頻率播出。在下一代衛(wèi)星K2的版本中，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)將在L1頻率提供一個BOC(1,1)的CDMA信號。GPS的 L5頻段最終會出現(xiàn)一個BPSK(10)的信號。一整套的CDMA信號應(yīng)該會在2020年實現(xiàn)。第二個GLONASS- K衛(wèi)星預(yù)計在2011年底發(fā)射。

　　中國區(qū)域衛(wèi)星系統(tǒng)的雛形北斗-1在2003年完成，由三個地球靜止軌道衛(wèi)星組成。該系統(tǒng)目前正在擴大成一個全球性系統(tǒng)，被稱作北斗-2或Compass。整個系統(tǒng)將包括五個地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)， 27中等地球軌道衛(wèi)星(MEO)和五個傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)。該系統(tǒng)預(yù)計到2020年全面投入運作。關(guān)于北斗信號的最終計劃還沒有完成。

　　總而言之，到2020年時應(yīng)該有四個完成衛(wèi)星部署的全球?qū)Ш较到y(tǒng)，這意味著將有超過40個衛(wèi)星來觀測地球表面的幾乎每一個點，并且以三種不同的頻率產(chǎn)生操作系統(tǒng)信號。但是目前距離目標的實現(xiàn)還很遙遠，這意味著在未來的幾年內(nèi)將要面臨許多重要的挑戰(zhàn)。讓我們看看面對當前的和即將出現(xiàn)的對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的威脅，比如干擾問題及2013年即將到來的太陽活動高峰期的問題，我們到底能從目前已完成的工作中受益多少。

　　干擾和頻率頻譜擁塞

　　干擾會嚴重影響一個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器在準確性、完整性、連續(xù)性和可用性方面的表現(xiàn)。高精度接收器受到的影響尤為嚴重，因為它們需要廣泛的前端設(shè)備以實現(xiàn)無代碼的和半無代碼的L2信號處理技術(shù)，同時為了確定模糊度，還需要測量L1信號的偽距。精度為厘米級的精密接收器使用了一部分政府保密的頻譜，這部分頻譜并不計劃對民眾公開;因此，高精度接收器可能會受到相鄰信號的干擾，比如L波段多譜段掃描儀的信號。

　　新的L2C/L5信號則避免了對大頻譜寬度的需求，同時還能利用載波相位跟蹤實現(xiàn)信號的多樣性。因為有24顆GPS會在發(fā)送L5信號之前先發(fā)送L2C信號，所以在短期內(nèi)，一些設(shè)計師可能會傾向于開發(fā)L1/L2C信號接收器。不過Galileo并不支持L2C信號。事實上到2014年可能出現(xiàn)美國擁有12個發(fā)送L1/L5信號的GPS衛(wèi)星，同時Galileo也擁有12個發(fā)送L1/L5信號的GPS衛(wèi)星的情況?？紤]到信號之間的兼容性，這就意味著會有24顆GPS衛(wèi)星發(fā)送L1/L5信號。

　　除了信號組合，其他一些方面也需要考慮，比如要考慮天線的質(zhì)量，因為良好的天線可以對所有接收器的頻率選擇性起到很重要的作用。高精度測量信號接收器需要關(guān)心的另一個重要部分是相位線性，因為它需要很大的頻譜寬度，為此將接收器設(shè)計成高達1db的壓縮點形式，這也提高了經(jīng)過三階互調(diào)的信號質(zhì)量，同時減少了互調(diào)對信號的影響。提高壓縮率可能會導(dǎo)致功能消耗增多，不過同時波段信號的容錯度也會大大提高。從長遠來看，應(yīng)該考慮一些具有自適應(yīng)能力的均衡方法。

　　下一個太陽活動高峰

　　肉眼看到的太空平靜而廣闊。不過實際上太空并不是一成不變的。太陽系會出現(xiàn)類似風(fēng)、云、風(fēng)暴和颶風(fēng)等氣象變化，科學(xué)家們稱之為“太空天氣”。太空天氣的變化主要受太陽活動周期的影響，太陽活動的周期平均為12年，觀察太陽活動周期依靠的是記錄可見的太陽黑子的頻率和位置。太陽活動高峰和太陽活動低谷分別對應(yīng)太陽黑子數(shù)量最多和最少的時間段。下一個太陽活動高峰預(yù)計會出現(xiàn)在2013年1月到5月之間。雖然通過觀察太陽黑子數(shù)目可以預(yù)計2013年的太陽活動高峰是一個相對較弱的高峰期，但大部分GPS設(shè)備并沒有在處于太陽活動高峰期的同時，在強電離層閃爍的條件下接受過測試。此外，許多最劇烈的太陽能量爆發(fā)都發(fā)生在低于平均水平的太陽活動周期。

　　任何GPS信號，只要是需要在持續(xù)可用的情況下保持信號精度緩慢降低，信號很少或幾乎不出現(xiàn)周跳，并且不丟失信號的狀態(tài)，都會面臨閃爍現(xiàn)象帶來的問題。使用載波相位跟蹤技術(shù)的高精度接收器特別容易受閃爍現(xiàn)象的影響。除了造成信號幅度的衰減，閃爍現(xiàn)象還會以一種更微妙的方式造成信號相位的變化。如果相位移動足夠迅速的話，就可以在GPS接收器的鎖相環(huán)中嘗試跟蹤環(huán)路。根據(jù)信號當前的可用性，高精度接收器可以利用一個三階鎖相環(huán)路來應(yīng)對閃爍現(xiàn)象的影響，這個環(huán)路的預(yù)測時間間隔大約為10毫秒，頻譜寬度約為10赫茲。使用無代碼技術(shù)，半無代碼技術(shù)以及Z-跟蹤技術(shù)的雙頻接收器不適合用來跟蹤L2信號，因為使用這些技術(shù)的信號接收器很容易受到閃爍現(xiàn)象的影響。

　　隨著新信號的出現(xiàn)，老式的L1+L2P(Y)接收器將會被現(xiàn)代的雙頻接收機(L1+L2C或L1+ L5)所取代。此外，L2和L5的新信號不包含任何數(shù)據(jù)位數(shù)轉(zhuǎn)換，這意味著從理論上來說這些信號更能經(jīng)受住閃爍現(xiàn)象的影響。需要注意的是接收器最低設(shè)計的要求是：能在閃爍現(xiàn)象的影響下識別出信號。(編譯|侯浩)