GPS“星座”

美軍士兵利用GPS進行精確定位

美國GPS系統(tǒng)要“升級”——透析美國GPS現(xiàn)代化計劃

　　栗靖 蔡君峰 周新心

　　美國的“全球定位系統(tǒng)”(GPS)，是目前世界上應用最廣泛的導航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)從提出到組建完畢歷時20年，耗資200多億美元。自海灣戰(zhàn)爭美軍首次使用GPS于實戰(zhàn)以來，G

PS已成為美軍贏得近幾場高技術局部戰(zhàn)爭的重要支持系統(tǒng)。如今，美國正著手對其進行現(xiàn)代化改造，以滿足未來的作戰(zhàn)需求。

　　核潛艇定位引出衛(wèi)星導航系統(tǒng)

　　上世紀60年代初，美國研制成功潛射彈道導彈后，確定發(fā)射導彈的核潛艇位置，成為美軍的一個重要技術難題，促使美國成為世界上最早研制和應用導航衛(wèi)星的國家。目前，美國已發(fā)展了兩代導航定位系統(tǒng)。

　　1964年，美國海軍初步建成并交付使用的“子午儀”，是美國第一代天基導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于雙頻多普勒測速導航體制設計的，由于使用衛(wèi)星數(shù)量較少，不能實時定位；運行軌道低，難以精密定軌；導航信號頻率較低，難以修正電離層延遲誤差等，無法滿足動態(tài)軍事用戶實時、高精度的導航定位需求。為了更有效地滿足全球范圍精確導航定位的軍事需要，1973年，美國國防部批準海陸空聯(lián)合研制第二代導航定位系統(tǒng)，即能測時測距的“導航星全球定位系統(tǒng)”，簡稱“全球定位系統(tǒng)”(GPS)，1994年3月，由24顆衛(wèi)星組成的導航“星座”部署完畢，標志著GPS的正式建成。

　　30顆衛(wèi)星構建現(xiàn)代GPS體系

　　GPS空間部分目前共有30顆、4種型號的導航衛(wèi)星，其中6顆為技術試驗衛(wèi)星。24顆導航星分布在6個軌道平面內(nèi)，每個近似圓形的軌道平面內(nèi)各有4顆衛(wèi)星均勻分布，可以保證在全球任何地點、任何瞬間至少有4顆衛(wèi)星同時出現(xiàn)在用戶視野中。

　　自GPS全部建成以后，它就晝夜不停地向地面發(fā)送導航定位信息，提供精確、連續(xù)的三維位置和速度、時間信息。通過GPS終端，使用戶在地球表面的任何地方，僅需幾秒鐘到十幾秒鐘就能夠確定自己的位置和精確時間，獲得相關的導航信息。由于GPS采用廣播的形式發(fā)送導航信息，地面用戶直接接收信號，因而可向無限多的用戶提供服務。

　　美國在GPS設計時提供兩種服務。一種為標準定位服務，利用粗碼(民碼)定位，提供給民間及商業(yè)用戶使用。目前GPS民碼單點定位精度可以達到25米，測速精度0.1米／秒，授時精度200納秒。另一種為精密定位服務，利用精碼(軍碼)定位，提供給軍方和得到特許的用戶使用，定位精度可達10米。

　　由衛(wèi)星導航擴展到軍事各領域

　　在信息化時代，GPS已成為高技術戰(zhàn)爭的重要支持系統(tǒng)。它極大地提高了美軍的指揮控制、多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)和快速反應能力，大幅度地提高了武器裝備的打擊精度和效能。具體說來，GPS在軍事上的應用主要有以下幾個方面：

　　全時域的自主導航。GPS的主要功能就是自主導航，利用接收終端向用戶提供位置、時間信息，也可結合電子地圖進行移動平臺航跡顯示、行駛線路規(guī)劃和行駛時間估算，從而大大提高部隊的機動作戰(zhàn)和快速反應能力。

　　各種作戰(zhàn)平臺的指揮監(jiān)控。GPS的導航定位和數(shù)字短報文通信基本功能可以有機結合，利用系統(tǒng)特殊的定位體制，將移動目標的位置信息和其他相關信息傳送至指揮所，完成移動目標的動態(tài)可視化顯示和指揮指令的發(fā)送，實現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)移動目標的指揮監(jiān)控。

　　精確制導和打擊效果評估。GPS制導有精度高、制導方式靈活等特點，已成為精確制導武器的一種重要制導方式。在近幾場高技術局部戰(zhàn)爭中，美軍使用精確制導導彈和炸彈的比例比海灣戰(zhàn)爭時增加了近100倍，而它們?nèi)炕虼蟛糠侄家揽縂PS制導。GPS還可以對打擊目標命中率進行評估。在裝有GPS接收終端的彈藥擊中目標引爆的瞬間，觸發(fā)用戶機進行定位，并將位置信息和時間信息迅速傳送到指揮中心，從而進行命中率評估，其評估效果已在伊拉克戰(zhàn)爭中得到充分檢驗。

　　未來單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)保障。主要利用定位和通信功能，為單兵提供位置信息和時間信息服務，同時可將單兵的位置信息實時動態(tài)傳送到指揮機構，并及時向單兵發(fā)送各種指令，提高單兵作戰(zhàn)和機動能力。在科索沃戰(zhàn)爭中，美軍的F-117隱形飛機被擊落后，由于飛行員配備了GPS接收機的呼救裝置，從而使美軍能搶在南聯(lián)盟軍隊之前，在7小時內(nèi)找到并救出飛行員。

　　軍用數(shù)字通信網(wǎng)絡授時。利用GPS可提供高精度授時，為軍用通信網(wǎng)絡提供統(tǒng)一的時標信息，從而使通信網(wǎng)絡速率同步，保證通信網(wǎng)中的所有數(shù)字通信設備工作于同一標準頻率上。

　　然而，在近幾場局部戰(zhàn)爭中，GPS也暴露出了一些問題。首先是GPS信號的抗干擾能力較弱。因為在一般情況下，從衛(wèi)星反饋到地面的信號很小，如果對方采取各種干擾措施，就會使GPS接收機無法正常工作，從而使其導航定位精度降低或產(chǎn)生誤導。在伊拉克戰(zhàn)爭中，伊軍在其境內(nèi)部署了一些GPS干擾裝置，結果使美軍的GPS制導武器大失水準，有部分導彈甚至飛到了伊朗、土耳其境內(nèi)。另據(jù)報道，俄羅斯目前已經(jīng)研制成功一種手持式GPS干擾器，可干擾150公里范圍內(nèi)的GPS信號。其次，各國目前都高度重視導航定位系統(tǒng)的發(fā)展，美國GPS一統(tǒng)天下的時代受到了威脅。俄羅斯和印度合作恢復“格魯納斯”系統(tǒng)，歐盟及其他國家合作建立“伽利略”系統(tǒng)，其性能都絲毫不遜色于美國的GPS。在美國看來，其他系統(tǒng)的建立對美國的太空利益構成了重大威脅。

　　五項計劃為GPS系統(tǒng)升級

　　為了能使GPS更好地滿足軍事、民間和商業(yè)用戶不斷增長的應用需求，美國決定用先進技術改進和完善GPS系統(tǒng)。其現(xiàn)代化計劃主要包括以下內(nèi)容：

　　增加新的GPS信號。美國計劃在2005~2008年發(fā)射8顆改進的導航衛(wèi)星，在衛(wèi)星上播發(fā)新的軍碼和第二民碼，同時計劃在2006~2010年發(fā)射的導航星上增設第三民碼。新增軍碼信號將比現(xiàn)在使用的信號強度高得多，具有較強的發(fā)射功率、抗干擾能力和保密性能等優(yōu)點，以便于軍用接收機直接捕獲。

　　新增軍碼還使得美軍在戰(zhàn)時有權對某一地區(qū)的其他信號進行干擾或暫時關閉，剝奪對方使用GPS信號的能力。

　　第二民碼與以前的民碼相比，具有較強的數(shù)據(jù)恢復和信號跟蹤能力，能進一步提高導航定位精度。

　　增設第三民碼，主要是為了防止機場的地面引導雷達對民航使用的GPS信號造成干擾。

　　研發(fā)新一代軍用GPS接收機。為提高GPS的抗干擾能力，美國正在研制新一代軍用GPS接收機。在新型GPS接收機中，最重要的兩項技術是GPS接收機應用組件和防欺騙模塊。其中接收機應用組件是一種標準電子插件，可將其加在未來的飛機、艦艇、導彈和各種武器中，目的是確保安全性、互通性，減少非標準接口、定義和功能的數(shù)目。防欺騙模塊是第二代的GPS技術產(chǎn)品安全模塊，用于保護保密的GPS算法、數(shù)據(jù)和校準。

　　增強和關閉GPS發(fā)射信號。針對GPS信號容易受干擾和被他國戰(zhàn)時利用的弱點，目前美軍正設法增加GPS導航衛(wèi)星的1個可控窄波束天線，并通過該窄波束天線增大發(fā)射功率來提高信號強度。其中可控天線至少能使4顆衛(wèi)星的波束指向某一作戰(zhàn)區(qū)域，而地球上其他區(qū)域的接收信號強度卻不會明顯降低。這樣就會迫使敵方提高干擾機的信號功率，以確保其干擾的有效性。隨著干擾機體積的增大和干擾功率的增加，干擾機更容易被探測，更容易受到“哈姆”反輻射導彈武器的攻擊。同時，美軍在戰(zhàn)時也可通過控制衛(wèi)星波束天線的指向，暫時關閉某一地區(qū)的GPS信號，從而可使對方軍隊難以利用GPS系統(tǒng)。

　　改善地面設備。主要工作包括：更新GPS地面測控設備，增加地面測控站的數(shù)量；用新的數(shù)字接收機和計算機來更新專用的GPS監(jiān)測站和有關的地面天線；采用新的算法和軟件，提高測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與傳輸能力等。

　　GPSⅢ計劃。當前的GPS現(xiàn)代化工作能使星座維持運行到2010年，為了滿足到2030年的軍、民用要求，美國已著手開發(fā)GPSⅢ和相關的地面控制網(wǎng)，以便在2010年后使用。

　　GPSⅢ計劃的目標是，提供能滿足當前和未來軍、民兩用需要的GPS結構方案。從2004年起，美國國防部開始研究GPSⅢ的采購和結構概念，以便驗證系統(tǒng)要求。GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設計方案，放棄現(xiàn)有的24顆中軌道衛(wèi)星，采用全新的33顆高軌道加靜止軌道衛(wèi)星組成。GPSⅢ的衛(wèi)星首次發(fā)射計劃定于2009年，全部衛(wèi)星在軌運行將在2015~2020年實現(xiàn)。據(jù)介紹，與現(xiàn)有GPS相比，GPSⅢ的信號發(fā)射功率將提高100倍，信號抗干擾能力提高1000倍以上，授時精度將達到1納秒，定位精度提高到0.2~0.5米，這樣可以使GPS制導彈藥的精度達到1米以內(nèi)。

　　通過實施現(xiàn)代化計劃，GPS的定位、導航和授時能力將得到進一步提高。改善后的GPS將為美軍提供抗干擾能力更高和信號安全性更好的服務，同時可在未來作戰(zhàn)中剝奪其他國家使用GPS的權力。

整理：洪麓豐