GPS“星座”
美国GPS系统要“变脸”——透析美国GPS现代化计划
栗靖 蔡君峰 周新心
美国的“全球定位系统”(GPS)，是目前世界上应用最广泛的导航定位系统，该系统从提出到组建完毕历时20年，耗资200多亿美元。自海湾战争美军首次使用GPS于实战以来，G
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核潜艇定位引出卫星导航系统
上世纪60年代初，美国研制成功潜射弹道导弹后，确定发射导弹的核潜艇位置，成为美军的一个重要技术难题，促使美国成为世界上最早研制和应用导航卫星的国家。目前，美国已发展了两代导航定位系统。
1964年，美国海军初步建成并交付使用的“子午仪”，是美国第一代天基导航定位系统。该系统是基于双频多普勒测速导航体制设计的，由于使用卫星数量较少，不能实时定位；运行轨道低，难以精密定轨；导航信号频率较低，难以修正电离层延迟误差等，无法满足动态军事用户实时、高精度的导航定位需求。为了更有效地满足全球范围精确导航定位的军事需要，1973年，美国国防部批准海陆空联合研制第二代导航定位系统，即能测时测距的“导航星全球定位系统”，简称“全球定位系统”(GPS)，1994年3月，由24颗卫星组成的导航“星座”部署完毕，标志着GPS的正式建成。
30颗卫星构建现代GPS体系
GPS空间部分目前共有30颗、4种型号的导航卫星，其中6颗为技术试验卫星。24颗导航星分布在6个轨道平面内，每个近似圆形的轨道平面内各有4颗卫星均匀分布，可以保证在全球任何地点、任何瞬间至少有4颗卫星同时出现在用户视野中。
自GPS全部建成以后，它就昼夜不停地向地面发送导航定位信息，提供精确、连续的三维位置和速度、时间信息。通过GPS终端，使用户在地球表面的任何地方，仅需几秒钟到十几秒钟就能够确定自己的位置和精确时间，获得相关的导航信息。由于GPS采用广播的形式发送导航信息，地面用户直接接收信号，因而可向无限多的用户提供服务。
美国在GPS设计时提供两种服务。一种为标准定位服务，利用粗码(民码)定位，提供给民间及商业用户使用。目前GPS民码单点定位精度可以达到25米，测速精度0.1米／秒，授时精度200纳秒。另一种为精密定位服务，利用精码(军码)定位，提供给军方和得到特许的用户使用，定位精度可达10米。
由卫星导航扩展到军事各领域
在信息化时代，GPS已成为高技术战争的重要支持系统。它极大地提高了美军的指挥控制、多军兵种协同作战和快速反应能力，大幅度地提高了武器装备的打击精度和效能。具体说来，GPS在军事上的应用主要有以下几个方面：
全时域的自主导航。GPS的主要功能就是自主导航，利用接收终端向用户提供位置、时间信息，也可结合电子地图进行移动平台航迹显示、行驶线路规划和行驶时间估算，从而大大提高部队的机动作战和快速反应能力。
各种作战平台的指挥监控。GPS的导航定位和数字短报文通信基本功能可以有机结合，利用系统特殊的定位体制，将移动目标的位置信息和其他相关信息传送至指挥所，完成移动目标的动态可视化显示和指挥指令的发送，实现战区移动目标的指挥监控。
精确制导和打击效果评估。GPS制导有精度高、制导方式灵活等特点，已成为精确制导武器的一种重要制导方式。在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。GPS还可以对打击目标命中率进行评估。在装有GPS接收终端的弹药击中目标引爆的瞬间，触发用户机进行定位，并将位置信息和时间信息迅速传送到指挥中心，从而进行命中率评估，其评估效果已在伊拉克战争中得到充分检验。
未来单兵作战系统保障。主要利用定位和通信功能，为单兵提供位置信息和时间信息服务，同时可将单兵的位置信息实时动态传送到指挥机构，并及时向单兵发送各种指令，提高单兵作战和机动能力。在科索沃战争中，美军的F-117隐形飞机被击落后，由于飞行员配备了GPS接收机的呼救装置，从而使美军能抢在南联盟军队之前，在7小时内找到并救出飞行员。
军用数字通信网络授时。利用GPS可提供高精度授时，为军用通信网络提供统一的时标信息，从而使通信网络速率同步，保证通信网中的所有数字通信设备工作于同一标准频率上。
然而，在近几场局部战争中，GPS也暴露出了一些问题。首先是GPS信号的抗干扰能力较弱。因为在一般情况下，从卫星反馈到地面的信号很小，如果对方采取各种干扰措施，就会使GPS接收机无法正常工作，从而使其导航定位精度降低或产生误导。在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些GPS干扰装置，结果使美军的GPS制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其境内。另据报道，俄罗斯目前已经研制成功一种手持式GPS干扰器，可干扰150公里范围内的GPS信号。其次，各国目前都高度重视导航定位系统的发展，美国GPS一统天下的时代受到了威胁。俄罗斯和印度合作恢复“格鲁纳斯”系统，欧盟及其他国家合作建立“伽利略”系统，其性能都丝毫不逊色于美国的GPS。在美国看来，其他系统的建立对美国的太空利益构成了重大威胁。
五项计划为GPS系统升级
为了能使GPS更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求，美国决定用先进技术改进和完善GPS系统。其现代化计划主要包括以下内容：
增加新的GPS信号。美国计划在2005~2008年发射8颗改进的导航卫星，在卫星上播发新的军码和第二民码，同时计划在2006~2010年发射的导航星上增设第三民码。新增军码信号将比现在使用的信号强度高得多，具有较强的发射功率、抗干扰能力和保密性能等优点，以便于军用接收机直接捕获。
新增军码还使得美军在战时有权对某一地区的其他信号进行干扰或暂时关闭，剥夺对方使用GPS信号的能力。
第二民码与以前的民码相比，具有较强的数据恢复和信号跟踪能力，能进一步提高导航定位精度。
增设第三民码，主要是为了防止机场的地面引导雷达对民航使用的GPS信号造成干扰。
研发新一代军用GPS接收机。为提高GPS的抗干扰能力，美国正在研制新一代军用GPS接收机。在新型GPS接收机中，最重要的两项技术是GPS接收机应用组件和防欺骗模块。其中接收机应用组件是一种标准电子插件，可将其加在未来的飞机、舰艇、导弹和各种武器中，目的是确保安全性、互通性，减少非标准接口、定义和功能的数目。防欺骗模块是第二代的GPS技术产品安全模块，用于保护保密的GPS算法、数据和校准。
增强和关闭GPS发射信号。针对GPS信号容易受干扰和被他国战时利用的弱点，目前美军正设法增加GPS导航卫星的1个可控窄波束天线，并通过该窄波束天线增大发射功率来提高信号强度。其中可控天线至少能使4颗卫星的波束指向某一作战区域，而地球上其他区域的接收信号强度却不会明显降低。这样就会迫使敌方提高干扰机的信号功率，以确保其干扰的有效性。随着干扰机体积的增大和干扰功率的增加，干扰机更容易被探测，更容易受到“哈姆”反辐射导弹武器的攻击。同时，美军在战时也可通过控制卫星波束天线的指向，暂时关闭某一地区的GPS信号，从而可使对方军队难以利用GPS系统。
改善地面设备。主要工作包括：更新GPS地面测控设备，增加地面测控站的数量；用新的数字接收机和计算机来更新专用的GPS监测站和有关的地面天线；采用新的算法和软件，提高测控系统的数据处理与传输能力等。
GPSⅢ计划。当前的GPS现代化工作能使星座维持运行到2010年，为了满足到2030年的军、民用要求，美国已着手开发GPSⅢ和相关的地面控制网，以便在2010年后使用。
GPSⅢ计划的目标是，提供能满足当前和未来军、民两用需要的GPS结构方案。从2004年起，美国国防部开始研究GPSⅢ的采购和结构概念，以便验证系统要求。GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组成。GPSⅢ的卫星首次发射计划定于2009年，全部卫星在轨运行将在2015~2020年实现。据介绍，与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射功率将提高100倍，信号抗干扰能力提高1000倍以上，授时精度将达到1纳秒，定位精度提高到0.2~0.5米，这样可以使GPS制导弹药的精度达到1米以内。
通过实施现代化计划，GPS的定位、导航和授时能力将得到进一步提高。改善后的GPS将为美军提供抗干扰能力更高和信号安全性更好的服务，同时可在未来作战中剥夺其他国家使用GPS的权力。
