GPS“星座”

美軍士兵利用GPS進行精確定位

美國GPS系統要“升級”——透析美國GPS現代化計劃

　　栗靖 蔡君峰 周新心

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

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

　　核潛艇定位引出衛星導航系統

　　上世紀60年代初，美國研制成功潛射彈道導彈后，確定發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星的國家。目前，美國已發展了兩代導航定位系統。

　　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。該系統是基于雙頻多普勒測速導航體制設計的，由于使用衛星數量較少，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合研制第二代導航定位系統，即能測時測距的“導航星全球定位系統”，簡稱“全球定位系統”(GPS)，1994年3月，由24顆衛星組成的導航“星座”部署完畢，標志著GPS的正式建成。

　　30顆衛星構建現代GPS體系

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

　　自GPS全部建成以后，它就晝夜不停地向地面發送導航定位信息，提供精確、連續的三維位置和速度、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已成為高技術戰爭的重要支持系統。它極大地提高了美軍的指揮控制、多軍兵種協同作戰和快速反應能力，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、行駛線路規劃和行駛時間估算，從而大大提高部隊的機動作戰和快速反應能力。

　　各種作戰平臺的指揮監控。GPS的導航定位和數字短報文通信基本功能可以有機結合，利用系統特殊的定位體制，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可視化顯示和指揮指令的發送，實現戰區移動目標的指揮監控。

　　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爭中，美軍使用精確制導導彈和炸彈的比例比海灣戰爭時增加了近100倍，而它們全部或大部分都依靠GPS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爭中得到充分檢驗。

　　未來單兵作戰系統保障。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傳送到指揮機構，并及時向單兵發送各種指令，提高單兵作戰和機動能力。在科索沃戰爭中，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盟軍隊之前，在7小時內找到并救出飛行員。

　　軍用數字通信網絡授時。利用GPS可提供高精度授時，為軍用通信網絡提供統一的時標信息，從而使通信網絡速率同步，保證通信網中的所有數字通信設備工作于同一標準頻率上。

　　然而，在近幾場局部戰爭中，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生誤導。在伊拉克戰爭中，伊軍在其境內部署了一些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。另據報道，俄羅斯目前已經研制成功一種手持式GPS干擾器，可干擾150公里范圍內的GPS信號。其次，各國目前都高度重視導航定位系統的發展，美國GPS一統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，歐盟及其他國家合作建立“伽利略”系統，其性能都絲毫不遜色于美國的GPS。在美國看來，其他系統的建立對美國的太空利益構成了重大威脅。

　　五項計劃為GPS系統升級

　　為了能使GPS更好地滿足軍事、民間和商業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。其現代化計劃主要包括以下內容：

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

　　新增軍碼還使得美軍在戰時有權對某一地區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，具有較強的數據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、定義和功能的數目。防欺騙模塊是第二代的GPS技術產品安全模塊，用于保護保密的GPS算法、數據和校準。

　　增強和關閉GPS發射信號。針對GPS信號容易受干擾和被他國戰時利用的弱點，目前美軍正設法增加GPS導航衛星的1個可控窄波束天線，并通過該窄波束天線增大發射功率來提高信號強度。其中可控天線至少能使4顆衛星的波束指向某一作戰區域，而地球上其他區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，美軍在戰時也可通過控制衛星波束天線的指向，暫時關閉某一地區的GPS信號，從而可使對方軍隊難以利用GPS系統。

　　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量；用新的數字接收機和計算機來更新專用的GPS監測站和有關的地面天線；采用新的算法和軟件，提高測控系統的數據處理與傳輸能力等。

　　GPSⅢ計劃。當前的GPS現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GPSⅢ和相關的地面控制網，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，以便驗證系統要求。GPSⅢ將選擇全新的優化設計方案，放棄現有的24顆中軌道衛星，采用全新的33顆高軌道加靜止軌道衛星組成。GPSⅢ的衛星首次發射計劃定于2009年，全部衛星在軌運行將在2015~2020年實現。據介紹，與現有GPS相比，GPSⅢ的信號發射功率將提高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。

　　通過實施現代化計劃，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，同時可在未來作戰中剝奪其他國家使用GPS的權力。

整理：洪麓豐