Development of GPS Technologies of U.S. Forces
□中国航空综合技术研究所 袁 俊
摘 要：综述GPS的基本组成、功能和作战使用，以及GPS的技术改进和发展。
关 键 词：GPS系统 战略 支持系统 技术改进
全球定位系统（GPS）是目前世界上最先进的以卫星为基础的无线电导航、定位系统，是继"阿波罗"登月、航天飞机之后第3大航天工程。美国从1973年开始研制，耗资120亿美元，1994年正式运行。
海湾战争后，GPS逐渐成为现代战争的重要支持系统，它可以极大地提高作战指挥通信能力和多军兵种协同作战/快速打击能力，大幅度提高武器装备的打击精度和作战效能。21世纪，覆盖全球的GPS正逐步取代第二次世界大战以后形成的陆基导航系统，成为海军、陆军、空军的主要导航手段，引起军事和经济领域的巨大变革。
一、GPS的基本组成和功能
GPS由导航卫星、地面监控设备、GPS接收机组成。
1. 导航卫星
导航卫星由分布在6个地球椭圆轨道平面的24颗卫星组成，距离地球17700km，卫星运行周期11.58h，每个轨道平面上部署4颗卫星，覆盖角为5°。地球上任何地方任何时间都可以观测到4颗以上的卫星，保持定位精度，提供连续的全球导航能力。
导航卫星的任务是接收和储存来自地面监控设备发送来的导航、定位控制指令，微处理器进行数据处理，原子钟产生基准信号和精确的时间基准，向用户连续发送导航、定位信息。
导航卫星的核心是一个L频段的振荡器，产生两个相关的载波L1（频率1575.42MHz）和L2（频率1227.6MHz）。GPS的信息是由相位调制加载在L1和L2频段上发射的，发射的信号提供民用，可使GPS用户在任何时刻获得卫星的近似位置和卫星发射信号的时间，由此确定自己的位置。
2. 地面监控设备
地面监控设备由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成，通过专用的通信数据链连接。
主控站设在美国科罗拉多州的彼得森空军基地，任务是汇总处理卫星观测数据和全球气象数据，编制导航、定位指令，发送到注入站，调整卫星运行姿态，纠正卫星轨道偏差，进行卫星轨道和时钟校正参数计算，同时协调、指挥、管理空间卫星和地面监控设备，监控卫星对用户的指令发送。
3个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰岛，任务是将主控站送来的导航、定位控制指令通过S波段发送至飞过头顶的卫星。
5个监测站分别设在彼得森空军基地、阿森松岛、迪戈加西亚岛、卡瓦加兰岛和夏威夷，任务是监测卫星观测数据和全球气象数据，将数据发送到主控站。
3. GPS接收机
GPS接收机是微波接收机，具有半球覆盖和抑制仰角小于5°的信号能力，任务是对发送的导航、定位指令进行计算，得到用户所在的位置（P）、速度（V）和时间（T）。
GPS信号的上行通道由用户和地面测控站向卫星发送导航、定位控制指令；GPS信号的下行通道向用户接收机传送导航、定位信息。导航卫星连续发射一定频率的无线电信号，这些卫星可以作为全球任何一个目标的参照物，GPS接收机只要选取4颗卫星的信号进行分析，就能够确定自己的位置。
二、GPS系统已成为美军实现未来作战思想和全球战略的关键
GPS的优点如下：
提供精确的三维（径度、纬度和高度）的导航数据，时间精确到百万分之一秒，速度精确到千分之一英里/小时，定位精确到几英尺；
全天候工作，不受气候条件影响；
导航不受地形地貌变化影响；
定位精度不随距离和时间漂移；
采用GPS精确制导的武器重量减轻，具备远距离、大纵深的目标攻击能力。
1991年，海湾战争爆发，尚在研制的GPS提前投入使用，当时美军的导航卫星只有15颗，每天提供15h的服务。它为防区外发射的空对地导弹提供精确的中制导；在高密度空袭中，为几百架飞机提供精确导航；提高了F－16和B－52的攻击精度；隐身飞机和巡航导弹几乎全靠GPS来选择隐蔽的进攻路线；在沙漠中，GPS为部队行军提供精确定位。
海湾战争期间，美军使用GPS制导的武器仅为8%，制导精度和抗干扰能力有限。到科索沃战争时，美军和北约盟军使用GPS制导的武器达到了90%。
目前，GPS为美军几万个GPS用户提供空间导航、定位和精确武器制导服务，主要包括：
（1）采用GPS/INS制导的弹道导弹、巡航导弹、空空导弹、防区外发射的空地导弹、反辐射导弹、反舰导弹。
（2）GPS/INS制导炸弹。利用卫星给出的经纬度和速度进行炸弹飞行的惯性误差修正，GPS/INS制导炸弹可全天候使用，甚至在恶劣天气下在任何高度投放，命中精度10～15m。装备B－2隐形轰炸机。
（3）GPS辅助制导炸弹、GPS辅助瞄准系统，装备B－2隐形轰炸机。
（4）军用飞机内置GPS/INS制导系统。
（5）采用GPS精确定位的常规空射巡航导弹，装备B－52战略轰炸机。
（6）在电子对抗、反潜、扫雷、救援作战中，广泛采用GPS。例如，飞行员在飞机被击落后，使用H00K－112无线救生装置，为营救人员指引方向。新研制的作战幸存逃生者定位器（CSEL），具有与友邻部队超视距安全通信的能力。海军航母编队目前装备的数据链系统，可通过导航卫星，了解战场环境和态势。
GPS/INS制导系统属于"发射后不管"的自主制导方式，成本低，全天候工作，是空地导弹制导方式的首选。随着GPS/INS制导系统成本的降低，陆军和海军的一些炮弹也将采用GPS/INS制导，美国英特斯台特电子公司（IEC）已研制了微型的GPS接收机，安装在带有辅助器的炮弹弹头上，它能够承受炮弹发射时12500g以上的过载，能在6s之内截获GPS信号，并接收8颗卫星的信号。为抑制干扰信号，采用窄带回路跟踪技术，GPS接收机和惯性测量装置耦合工作，利用相关器保证时钟振荡器接收信号的稳定性。
美国公共法案（Public Law）规定，2000年9月30日以后，国防部任何飞机、舰船、装甲车辆以及非直接火力武器系统，如果不配备GPS接收机，将不能获得采购或改进资金。美国防部已制定GPS接收机采购的综合计划，将在所有100多种不同类型和型号的18000多架飞机上使用GPS接收机。
欧盟与美国结束多年的艰苦谈判，于2004年6月26日签署了《关于促进、提供和使用伽利略与GPS星基导航系统及其相关应用的协议》，使两个系统实现相互兼容与互操作性，从需要可以看出，美国最终迫使欧盟同意将伽利略系统纳入美国导航战的轨道，并严防伽利略系统的敏感技术、产品和PRS（有安全保障的政府服务）转移到第三方国家。
GPS系统对保持美军全球作战的信息优势和快捷的战场支援十分重要，按照"美军空间司令部2020年构想"，到2020年，陆军、海军和空军的导航、通信、气象、侦察、预警等航天器将以网络形式互联成为空间网络，空间网络的时间和空间信息都来自GPS系统，向各种武器平台提供联合作战能力，实现全球战场信息态势和全球打击力量共享受。
三、GPS的改进和发展
1. 第二代和第三代导航卫星
GPS目前在轨运行的卫星GPS-Ⅱ/ⅡA属第二代。
GPS-Ⅱ/ⅡA外形尺寸：2.4 m×2.4 m×3.7m；重量：986kg；电源功率：GPS-Ⅱ700 W，GPS-ⅡA 1136W；设计寿命：GPS-Ⅱ 6年，GPS-ⅡA 7.5年。
第二代导航卫星的缺陷：
（1）抗干扰性能差，发送的信号很弱，即使在头顶上运行的卫星，其信号到达GPS接收机天线时，只有3.7×10-10W，如此微弱的信号，极易受到干扰；
（2）导航精度低，为保持测距精度，地面监控设备每天更新星历和星钟系统，一旦地面监控设备受到破坏，GPS难以正常工作，用户就不能得到高精度定位；
（3）导航资源容易被别国利用，GPS是典型的军民两用系统，别国可租用美国的卫星对飞机、舰艇、导弹和军事行动进行导航，对武器提供GPS精确制导。
美军从1995年开始研制第三代导航卫星GPS-ⅡR/ⅡF，由洛克希德·马丁公司研制的GPS-ⅡR将替换GPS-Ⅱ，由波音公司研制的GPS-ⅡF将替换GPS-ⅡA。目前卫星GPS-ⅡR/ⅡF共发射了3颗，1997年7月23日发射GPS-ⅡR，（外形尺寸2.4 m×1.8 m×3m，重量1075kg，设计寿命10年），2003年发射GPS-ⅡR-M，2005年发射GPS-ⅡF（设计寿命15年）。
2. 美军对GPS系统的改进
1996年，美国总统克林顿宣布，美国政府将在10年内逐步废除GPS系统的定位参数选择，为军用频段提供尽可能高的导航、定位精度。1996年3月29日，美国政府发表GPS政策声明，要"发展防止敌方使用GPS的措施，以确保在不严重破坏和降低民用系统性能的情况下保持美国的军事优势。"1998年，美国副总统戈尔宣布，美国政府决定对GPS系统进行改进，以加强美国及其盟国使用的GPS系统的抗干扰能力和美国军事行动信号使用的安全性。
目前，美军对GPS系统改进，包括：
（1）更新地面监控设备，增加"可调功率"，提高地面监控设备监测卫星信号的能力和抗干扰能力。
（2）采用P（Y）码直接捕获信号、自适应调零天线、L1自适应天线补偿器，提高GPS接收机的抗干扰性能，最终使其获得120dB的抗干扰能力。
（3）设立第2、第3民用信号频段，进行军民信号隔离，确保军用信号频段的可靠使用。在2003年发射的GPS-ⅡR上设立第2民用信号频段，2007年在18颗卫星上实现，进而在整个轨道面上获得这种能力。在2005年发射的GPS-ⅡF上，将第2民用信号频段改为第3个民用频段L5，2011年在18颗卫星上实现。
（4） 在GPS-ⅡR上，设计要求具备在核战争中生存下来的能力。改进卫星天线，采用可控的窄波束天线，集中至少4颗卫星发射的信号，并将其指向地球的某一区域，而其他区域接受信号的强度不会明显降低，抗核辐射和激光辐射的能力有所提高；采用新的结构，提高卫星的抗毁能力；导航精度提高，GPS-ⅡR/ⅡF测距误差只有6m。
卫星无需地面监控设备的干预，或地面监控设备遭到破坏时，依靠空间的通信链路，就能够实现自主运行180天高精度的导航、定位服务，改进包括：通过高功率发射军用信号，加载在L1和L2载波上；
增加新的民用信号，加载在L2载波上，原来加载在L1载波上的C/A码继续保留；
军民用信号分开，提高发射机功率，L1载波功率提高两倍，L2载波P（Y）码信号发射功率，可根据需要进行调配；
采用新的L波段锥形天线，发射功率大，以增强L1和L2载波上的信号功率，增强L1频段上的民用信号，增强L2频段上新的民用和军用信号；
改进卫星的散热能力。
（5） 在GPS-ⅡF上，抗干扰、抗核打击的能力进一步提高。到2011年，所有卫星将由GPS-ⅡF组成，导航、定位精度达到3m，定时精度达到3ns，可覆盖地球陆地、海面、空中，地球低轨道和50%的地球中轨道。
在GPS-ⅡF上发射的第3民用频段L5有导航频段保护，可大大改善民用定位精度。
美军在GPS接收机上采用的关键技术是，GPS接收机应用组件（GRAM）和选择性反电子欺骗（SAAM）技术，以提高GPS接收机的安全性。SAAM技术是为在阻止敌方使用民用信号的情况下，如何保护美国的安全和维持GPS系统的民用服务，所有的SAAM制造商必须将他们的装置送入唯一指定的工厂进行加密。
3. 未来GPS的发展
为满足未来30年战术导航的需求，美军已开始研制性能更加优越的导航卫星GPS-Ⅲ，由分布在3个地球同步轨道平面的33颗卫星组成，计划2011年开始发射。美军称，GPS-Ⅲ信号比GPS-ⅡR/ⅡF增加20dB，测距误差控制在1m之内。除具备GPS-ⅡR/ⅡF的性能外，GPS-Ⅲ还有以下特点：
（1）P（Y）码功率比现有功率提高20～30dB。
（2）军用频率带宽（80～100MHz），频率由L波段上升S、C波段。设立专门的军用M码，M码信号发射功率大，不干涉C/A码和P码的接收。M码有单独的发射链路和天线孔径，卫星可在同一载波上发射两个M码，同时能干扰敌方对M码的利用。
（3）改进计时系统，用铯原子钟代替铷原子钟，以提高定时精度。
（4）提高空间导航信号的可靠性和安全性，一旦卫星出现故障或信号超差，报警时间由30min缩短为1min。
（5）卫星上增加一个3m的可调制的L波段天线，增加天线增益20dB，加装"PS空间时间干扰接受机"，大幅度提高抗干扰能力。
（6）改善卫星之间的通信链路，卫星信号采用点波束，可控制的高功率点波束照射地球的某一区域，使该区域GPS接收机的信号功率大大增加。
（7）采用射频干扰检测、前端滤波、环码和载波环跟踪增强、窄带干扰处理以及模块化等技术，提高抗干扰能力等。
参考文献
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来源于《航空科学技术》
