GPS“星座”

美軍士兵利用GPS進(jìn)行精確定位

美國(guó)GPS系統(tǒng)要“升級(jí)”——透析美國(guó)GPS現(xiàn)代化計(jì)劃

　　栗靖 蔡君峰 周新心

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

PS已成為美軍贏得近幾場(chǎng)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)的重要支持系統(tǒng)。如今，美國(guó)正著手對(duì)其進(jìn)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(dǎo)航系統(tǒng)

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

　　1964年，美國(guó)海軍初步建成并交付使用的“子午儀”，是美國(guó)第一代天基導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于雙頻多普勒測(cè)速導(dǎo)航體制設(shè)計(jì)的，由于使用衛(wèi)星數(shù)量較少，不能實(shí)時(shí)定位；運(yùn)行軌道低，難以精密定軌；導(dǎo)航信號(hào)頻率較低，難以修正電離層延遲誤差等，無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)軍事用戶實(shí)時(shí)、高精度的導(dǎo)航定位需求。為了更有效地滿足全球范圍精確導(dǎo)航定位的軍事需要，1973年，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)海陸空聯(lián)合研制第二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即能測(cè)時(shí)測(cè)距的“導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱“全球定位系統(tǒng)”(GPS)，1994年3月，由24顆衛(wèi)星組成的導(dǎo)航“星座”部署完畢，標(biāo)志著GPS的正式建成。

　　30顆衛(wèi)星構(gòu)建現(xiàn)代GPS體系

　　GPS空間部分目前共有30顆、4種型號(hào)的導(dǎo)航衛(wèi)星，其中6顆為技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。24顆導(dǎo)航星分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，每個(gè)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(diǎn)、任何瞬間至少有4顆衛(wèi)星同時(shí)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(dǎo)航定位信息，提供精確、連續(xù)的三維位置和速度、時(shí)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(shí)間，獲得相關(guān)的導(dǎo)航信息。由于GPS采用廣播的形式發(fā)送導(dǎo)航信息，地面用戶直接接收信號(hào)，因而可向無(wú)限多的用戶提供服務(wù)。

　　美國(guó)在GPS設(shè)計(jì)時(shí)提供兩種服務(wù)。一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，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(diǎn)定位精度可以達(dá)到25米，測(cè)速精度0.1米／秒，授時(shí)精度200納秒。另一種為精密定位服務(wù)，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(dá)10米。

　　由衛(wèi)星導(dǎo)航擴(kuò)展到軍事各領(lǐng)域

　　在信息化時(shí)代，GPS已成為高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)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(yīng)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(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：

　　全時(shí)域的自主導(dǎo)航。GPS的主要功能就是自主導(dǎo)航，利用接收終端向用戶提供位置、時(shí)間信息，也可結(jié)合電子地圖進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)航跡顯示、行駛線路規(guī)劃和行駛時(shí)間估算，從而大大提高部隊(duì)的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)和快速反應(yīng)能力。

　　各種作戰(zhàn)平臺(tái)的指揮監(jiān)控。GPS的導(dǎo)航定位和數(shù)字短報(bào)文通信基本功能可以有機(jī)結(jié)合，利用系統(tǒng)特殊的定位體制，將移動(dòng)目標(biāo)的位置信息和其他相關(guān)信息傳送至指揮所，完成移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)可視化顯示和指揮指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)移動(dòng)目標(biāo)的指揮監(jiān)控。

　　精確制導(dǎo)和打擊效果評(píng)估。GPS制導(dǎo)有精度高、制導(dǎo)方式靈活等特點(diǎn)，已成為精確制導(dǎo)武器的一種重要制導(dǎo)方式。在近幾場(chǎng)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍使用精確制導(dǎo)導(dǎo)彈和炸彈的比例比海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)增加了近100倍，而它們?nèi)炕虼蟛糠侄家揽縂PS制導(dǎo)。GPS還可以對(duì)打擊目標(biāo)命中率進(jìn)行評(píng)估。在裝有GPS接收終端的彈藥擊中目標(biāo)引爆的瞬間，觸發(fā)用戶機(jī)進(jìn)行定位，并將位置信息和時(shí)間信息迅速傳送到指揮中心，從而進(jìn)行命中率評(píng)估，其評(píng)估效果已在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中得到充分檢驗(yàn)。

　　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(shí)間信息服務(wù)，同時(shí)可將單兵的位置信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳送到指揮機(jī)構(gòu)，并及時(shí)向單兵發(fā)送各種指令，提高單兵作戰(zhàn)和機(jī)動(dòng)能力。在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍的F-117隱形飛機(jī)被擊落后，由于飛行員配備了GPS接收機(jī)的呼救裝置，從而使美軍能搶在南聯(lián)盟軍隊(duì)之前，在7小時(shí)內(nèi)找到并救出飛行員。

　　軍用數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)授時(shí)。利用GPS可提供高精度授時(shí)，為軍用通信網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)信息，從而使通信網(wǎng)絡(luò)速率同步，保證通信網(wǎng)中的所有數(shù)字通信設(shè)備工作于同一標(biāo)準(zhǔn)頻率上。

　　然而，在近幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，GPS也暴露出了一些問題。首先是GPS信號(hào)的抗干擾能力較弱。因?yàn)樵谝话闱闆r下，從衛(wèi)星反饋到地面的信號(hào)很小，如果對(duì)方采取各種干擾措施，就會(huì)使GPS接收機(jī)無(wú)法正常工作，從而使其導(dǎo)航定位精度降低或產(chǎn)生誤導(dǎo)。在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，伊軍在其境內(nèi)部署了一些GPS干擾裝置，結(jié)果使美軍的GPS制導(dǎo)武器大失水準(zhǔn)，有部分導(dǎo)彈甚至飛到了伊朗、土耳其境內(nèi)。另?yè)?jù)報(bào)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(hào)。其次，各國(guó)目前都高度重視導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展，美國(guó)GPS一統(tǒng)天下的時(shí)代受到了威脅。俄羅斯和印度合作恢復(fù)“格魯納斯”系統(tǒng)，歐盟及其他國(guó)家合作建立“伽利略”系統(tǒng)，其性能都絲毫不遜色于美國(guó)的GPS。在美國(guó)看來，其他系統(tǒng)的建立對(duì)美國(guó)的太空利益構(gòu)成了重大威脅。

　　五項(xiàng)計(jì)劃為GPS系統(tǒng)升級(jí)

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

　　增加新的GPS信號(hào)。美國(guó)計(jì)劃在2005~2008年發(fā)射8顆改進(jìn)的導(dǎo)航衛(wèi)星，在衛(wèi)星上播發(fā)新的軍碼和第二民碼，同時(shí)計(jì)劃在2006~2010年發(fā)射的導(dǎo)航星上增設(shè)第三民碼。新增軍碼信號(hào)將比現(xiàn)在使用的信號(hào)強(qiáng)度高得多，具有較強(qiáng)的發(fā)射功率、抗干擾能力和保密性能等優(yōu)點(diǎn)，以便于軍用接收機(jī)直接捕獲。

　　新增軍碼還使得美軍在戰(zhàn)時(shí)有權(quán)對(duì)某一地區(qū)的其他信號(hào)進(jìn)行干擾或暫時(shí)關(guān)閉，剝奪對(duì)方使用GPS信號(hào)的能力。

　　第二民碼與以前的民碼相比，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)和信號(hào)跟蹤能力，能進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位精度。

　　增設(shè)第三民碼，主要是為了防止機(jī)場(chǎng)的地面引導(dǎo)雷達(dá)對(duì)民航使用的GPS信號(hào)造成干擾。

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

　　增強(qiáng)和關(guān)閉GPS發(fā)射信號(hào)。針對(duì)GPS信號(hào)容易受干擾和被他國(guó)戰(zhàn)時(shí)利用的弱點(diǎn)，目前美軍正設(shè)法增加GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的1個(gè)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(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度卻不會(huì)明顯降低。這樣就會(huì)迫使敵方提高干擾機(jī)的信號(hào)功率，以確保其干擾的有效性。隨著干擾機(jī)體積的增大和干擾功率的增加，干擾機(jī)更容易被探測(cè)，更容易受到“哈姆”反輻射導(dǎo)彈武器的攻擊。同時(shí)，美軍在戰(zhàn)時(shí)也可通過控制衛(wèi)星波束天線的指向，暫時(shí)關(guān)閉某一地區(qū)的GPS信號(hào)，從而可使對(duì)方軍隊(duì)難以利用GPS系統(tǒng)。

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

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

　　GPSⅢ計(jì)劃的目標(biāo)是，提供能滿足當(dāng)前和未來軍、民兩用需要的GPS結(jié)構(gòu)方案。從2004年起，美國(guó)國(guó)防部開始研究GPSⅢ的采購(gòu)和結(jié)構(gòu)概念，以便驗(yàn)證系統(tǒng)要求。GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)劃定于2009年，全部衛(wèi)星在軌運(yùn)行將在2015~2020年實(shí)現(xiàn)。據(jù)介紹，與現(xiàn)有GPS相比，GPSⅢ的信號(hào)發(fā)射功率將提高100倍，信號(hào)抗干擾能力提高1000倍以上，授時(shí)精度將達(dá)到1納秒，定位精度提高到0.2~0.5米，這樣可以使GPS制導(dǎo)彈藥的精度達(dá)到1米以內(nèi)。

　　通過實(shí)施現(xiàn)代化計(jì)劃，GPS的定位、導(dǎo)航和授時(shí)能力將得到進(jìn)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(hào)安全性更好的服務(wù)，同時(shí)可在未來作戰(zhàn)中剝奪其他國(guó)家使用GPS的權(quán)力。

整理：洪麓豐