袁兆紅　王　寬　張文忠

美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)始建于20世紀(jì)70年代，是美國當(dāng)年在與前蘇聯(lián)爭霸中，為滿足可能爆發(fā)的世界范圍的戰(zhàn)爭和軍事沖突需求，達成軍事目標(biāo)而興建的。后來，前蘇聯(lián)解體，而美國出于局部戰(zhàn)爭和地區(qū)沖突的考慮，并沒有因此而廢除GPs系統(tǒng)。1991年，海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)美軍嘗試著用當(dāng)時只有16顆在軌衛(wèi)星的GPS系統(tǒng)來支持多國部隊作戰(zhàn)，結(jié)果取得了前所未有的作戰(zhàn)效果。美國從中受到鼓舞，進而堅定了繼續(xù)發(fā)展GPS系統(tǒng)的決心。

GPS于1993年達到初始工作能力，1995年達到全運行工作能力，是目前符合國際民航組織(ICAO)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)中惟一能夠?qū)崿F(xiàn)全球性、全方位、全天候，高精度、快速實時的三維導(dǎo)航、定位、測速和授時功能的系統(tǒng)，目前在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中占據(jù)壟斷地位。

系統(tǒng)概述

GPS由空間星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備三部分組成?？臻g星座由均勻分布在6個軌道面內(nèi)的21+3顆衛(wèi)星組成，每個平面上4顆，軌道平均高度約為20200千米，運行周期為718分。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要控制整個系統(tǒng)和時間，負責(zé)軌道監(jiān)測和預(yù)報。用戶設(shè)備，即GPS接收機，它的主要作用是能夠直接實時地計算出三維位置，速度和時間。

GPS衛(wèi)星采用碼分多址(CDMA)技術(shù)在L1(1575.42 MHz)和L2(1227.6MHz)兩個頻率上廣播測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供兩種信號服務(wù)；P碼和C／A碼。P碼，即精碼，用于為美國授權(quán)的軍方用戶和指定的政府機構(gòu)以及盟軍提供精密定位服務(wù)，C／A碼，即粗碼，精度比P碼低容易被捕獲，用于為民用用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)因此，GPS是一種雙重用途的系統(tǒng)，在軍事方面，GPS可為部隊或裝備導(dǎo)航、定位，為精確武器制導(dǎo)，使C⁴ISR系統(tǒng)完整、有效、一體化。GPS是美軍全球快速投送?？罩衅脚_加油、遠程作戰(zhàn)精確打擊能力以及及時發(fā)現(xiàn)選擇，跟蹤和瞄準(zhǔn)目標(biāo)能力的重要支撐。

GPS的現(xiàn)代化計劃

美軍對于GPS發(fā)展戰(zhàn)略的基本思路非常清晰：確保其軍事使用的優(yōu)先權(quán)及其在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的核心地位，同時又決不放棄任何從巨大的民用市場中獲得經(jīng)濟和政治利益的可能性。為此，美軍把解決下列問題作為建設(shè)重點：

一是新技術(shù)的開發(fā)利用，采用新技術(shù)研發(fā)新產(chǎn)品，推動GPS系統(tǒng)的應(yīng)用向各個級別、各個方面深入發(fā)展，滿足不斷增長的各種需求尤其支援和保障軍事行動需求：

二是抗干擾能力的增強。由于GPS衛(wèi)星離地表高度較高，衛(wèi)星信號到達地面時較弱信哚比較低，且以固定頻率發(fā)射，極易受到敵方的干擾、利用或破壞。對此，美軍決定通過現(xiàn)代化計劃重點增強系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作能力。

三是衛(wèi)星星座的優(yōu)化?，F(xiàn)役主體衛(wèi)星都會有壽命到期，最后“壽終正寢”問題。要想使衛(wèi)星能夠提供更加高效、連續(xù)實時的精確位置、速度和時間信息就得采用更先進的衛(wèi)星進行補網(wǎng)。

四是有效競爭。面對歐洲“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的興建和俄羅斯“格洛納斯”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速復(fù)蘇，美國要確保GPS具有并保持先進性。于是，美國在1999年1月推出了“GPS現(xiàn)代化”計劃。

GPS現(xiàn)代化的主要內(nèi)容及舉措

根據(jù)美軍GPS現(xiàn)代化建設(shè)要求，美軍重點采取了以下技術(shù)措施：一是取消SA政策(已在2000年5月1日零點開始執(zhí)行)，使民用實時定位和導(dǎo)航精度提高3～5倍，二是在L2頻道上增加第二民用碼，即C／A碼。這樣用戶就可以有更好的冗余觀測。提高定位精度，改善電離層誤差。此外增加L5民用頻率，頻段采用L1、L2和L5三個民用信號采用L1C／A，L1C，L2C，L3C共四個，將軍、民信號分開，避免相互影響，三是研發(fā)新一代GPS系統(tǒng)——GPSⅢ并改變未來GPSⅢ系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

GPS的現(xiàn)代化進程

GPS現(xiàn)代化計劃以空間部分的建設(shè)為重中之重，這部分大體分為三個階段實施第一階段，首先進行GPS ⅡA、GPS ⅡR衛(wèi)星向改進型GPS ⅡR衛(wèi)星過渡，此階段以發(fā)射GPS ⅡR－M衛(wèi)星為標(biāo)志，第二階段以發(fā)射GPS ⅡF衛(wèi)星為標(biāo)志，計劃到2010年以后使GPS ⅡF具備初始工作能力，到2020年以后，星座全部成為GPS ⅡF衛(wèi)星，第三階段計劃用20年左右的時間，完全取代GPSⅡ代衛(wèi)星。這一階段以發(fā)射GPS ⅢA、GPSⅢB和GPS ⅢC衛(wèi)星為標(biāo)志，GPS系統(tǒng)的現(xiàn)代化建設(shè)進程如表1所示。

從上表中可以發(fā)現(xiàn)，美國從GPSⅡR－M衛(wèi)星和不久可能發(fā)射升空的GPS ⅡF衛(wèi)星開始，其上都采用了M碼，M碼是一種新的加密軍用信號，加載在L1和L2載波上，具有發(fā)射功率高、抗干擾能力強和保密性能好等特點。增加M碼后使軍民信號徹底分開，實現(xiàn)了無需民用信號引導(dǎo)就可直接訪問M碼信號能力，能更好地滿足軍事需求。

GPS經(jīng)現(xiàn)代化改造后能夠使民用用戶獲得更多好處，其一是獲得增強的抗干擾能力，其二是能夠補償電離層延遲帶來的誤差：其三是可在精確載波相位測量模式下解決因跳周而引起的整數(shù)模糊。而就軍用而言，新的頻譜分離信號將提供的好處也有三個方面，一是保護友方使用，二是阻止敵方使用，三是保持選定操作區(qū)域(Areas of Operation，AOO)以外的民用信號繼續(xù)使用，就軍民兩種應(yīng)用而言，系統(tǒng)都會在精確性、有效性、完整性和可靠性方面有極大提高，從而增強了GPS的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的精度和安全性。

現(xiàn)狀與發(fā)展

GPS衛(wèi)星目前共發(fā)展了兩代，第一代即GPS Ⅰ，屬于雙頻率L1和L2基本型。第二代，即GPSⅡ，分為4個系列：GPS Ⅱ、GPSⅡA、GPS ⅡR(GPS ⅡR－M)和GPS ⅡF其中后面的大寫字母，A表示“新型”，R表示“替補”，M表示“現(xiàn)代化”，F(xiàn)則表示“后續(xù)”。目前，GPS的在軌衛(wèi)星主要是第二代的GPS ⅡA、GPS ⅡR和GPS ⅡR－M系列；GPS ⅡF衛(wèi)星尚未發(fā)射，GPSⅢ正在研發(fā)中。GPS衛(wèi)星星座組成及發(fā)展情況見表2。

GPS ⅡF衛(wèi)星

GPSⅡF衛(wèi)星屬于GPSⅡA和GPSⅡR的后續(xù)衛(wèi)星系列，GPS ⅡF由波音公司研制，衛(wèi)星設(shè)計壽命為15年。GPSⅡF衛(wèi)星具備更強的抗干擾、抗打擊能力，其軍用定位、授時精度都得到了大幅度的增強。最主要的改進包括在1176 45MHz頻段上增加第三個民用信號L5，衛(wèi)星采用柔性的有效載荷軟，硬件設(shè)計，并采用特高頻(uHF)星間鏈路與星座中的其他衛(wèi)星連接，使系統(tǒng)具有執(zhí)行自主導(dǎo)航能力和支持核爆炸探測附屬有效載荷的星間鏈路操作能力。

GPSⅢ衛(wèi)星

為了克服GPS Ⅱ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固有的缺陷，GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設(shè)計方案，改變現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)有可能采用與俄羅斯

的“格洛納斯”和歐洲“伽利略”系統(tǒng)相同的3軌道面的地球靜止軌道設(shè)計方案，系統(tǒng)具備柔性的在軌可編程和冗余硬件自主管理功能，可在L1，L2、L3、L4和L5頻段上調(diào)制導(dǎo)航及相關(guān)信號；具有向后兼容能力，可滿足未來30年系統(tǒng)技術(shù)擴展需求，衛(wèi)星設(shè)計壽命為15年。GPSⅢ主要性能指標(biāo)見表3。

近期，GPS系統(tǒng)取得了如下重要進展：

其一，GPS ⅡR-18M、19M發(fā)射成功，并開始提供在軌服務(wù)。成功發(fā)射的GPS ⅡR-18M衛(wèi)星已于2008年1月全面投入運行；GPS ⅡR-19M也于同年3月發(fā)射成功，并完成在軌部署，現(xiàn)已開始向全球軍民用戶提供服務(wù)。GPS ⅡR-M由美國洛克希德·馬丁公司研制。按計劃，該公司應(yīng)為美空軍研發(fā)20顆GPS ⅡR衛(wèi)星，后來根據(jù)美軍GPS現(xiàn)代化計劃要求，要對其中的8顆GPS ⅡR衛(wèi)星進行現(xiàn)代化改造。經(jīng)過改造的衛(wèi)星就是前面提到的GPS ⅡR－M衛(wèi)星。新近發(fā)射成功的GPS ⅡR-18M和GPS ⅡR一19M兩顆衛(wèi)星分別是美軍8顆現(xiàn)代化GPS ⅡR-M系列衛(wèi)星中的第5顆和第6顆。待全部8顆帶有M碼的衛(wèi)星發(fā)射完成后，衛(wèi)星星座將會得到極大優(yōu)化，能力得到增強。

其二，首顆GPS ⅡF衛(wèi)星完成環(huán)境試驗。首顆GPS ⅡF衛(wèi)星現(xiàn)已完成了環(huán)境試驗、機械太陽能帆板部署等多項試驗。此外，經(jīng)過升級改造的控制段軟件也已交付。軟件的交付日期比計劃安排提前了一個月，工作進展順利。上述試驗對于GPS ⅡF衛(wèi)星來說非常重要，“具有里程碑意義?！?/p>

其三，GPS ⅢA衛(wèi)星合同授出。一份價值為14.64億美元的GPS ⅢA合同現(xiàn)已授出，合同期是2008至2017財年。GPS Ⅲ采購戰(zhàn)略分三步實施，劃分為：GPSⅢA，GPS ⅢB和GPS ⅢC。GPS ⅢA合同將采辦8顆衛(wèi)星(可能追加采辦4顆)，GPSⅢB將采辦8顆衛(wèi)星，合同預(yù)計在2013年授出，GPS ⅢC將采辦16顆衛(wèi)星，合同預(yù)計在2015年授出。此次授出的GPS ⅢA合同將為GPS系統(tǒng)提供更大的增強功能，包括增加了新的與“伽利略”系統(tǒng)兼容的民用L1C信號，增強地面覆蓋軍碼(M碼)的抗干擾能力等。

今后授出的GPS ⅢB和GPS ⅢC衛(wèi)星還將有新的進步：GPS ⅢB將實現(xiàn)交叉鏈接的指揮與控制結(jié)構(gòu)，這將允許所有GPSⅢ衛(wèi)星可通過單個的地面站升級，而無需等到每顆衛(wèi)星都處于地面天線的視野內(nèi)時才進行。GPS ⅢC將配備一個高功率的點波束，用來傳遞更為強大的軍碼信號，以此增強抗干擾能力。

其四，GPS地面站升級演示驗證完成。GPS地面站控制著目前在軌的GPS衛(wèi)星以及將來加入該衛(wèi)星星座的新型GPS衛(wèi)星。美軍現(xiàn)已成功地完成了GPS地面站“結(jié)構(gòu)改進計劃”(ArchitectureEvolution Program，AEP)的系統(tǒng)演示。AEP系統(tǒng)是為了改進GPS系統(tǒng)主控站的性能而設(shè)計的，由軟件和硬件兩部分組成。AEP使GPS主控站的指揮控制系統(tǒng)模塊化，更便于日后更新，AEP也極大地提高了主控站維持GPS系統(tǒng)能力以及用戶終端定位精度。GPS系統(tǒng)的地面控制部分在過去的20年里也進行了許多重要的改進，但此次的升級改造則是首次對GPS指揮控制操作能力的重要更新，同時，也是整個GPS計劃中最大，最復(fù)雜的升級工作。此次升級除了能夠?qū)崿F(xiàn)對所有現(xiàn)役GPS衛(wèi)星進行控制外，還有助于GPS ⅡR－M衛(wèi)星新信號的投入使用，將來也可對GPSⅢ提供支持。