□ 天 兵

GPS-2F衛(wèi)星

2011年8月22日,美國波音公司宣布，2011年7月16日由德爾他-4火箭發(fā)射的第2顆GPS-2F衛(wèi)星已經(jīng)開始在軌服役，被命名為SVN-63，并正式轉(zhuǎn)交給空軍第50太空聯(lián)隊(duì)和第2太空運(yùn)行中隊(duì)。GPS衛(wèi)星星座現(xiàn)有31顆衛(wèi)星。波音公司還將建造10顆GPS-2F衛(wèi)星。美國空軍擬在2011年擇機(jī)用宇宙神-5火箭發(fā)射第3顆GPS-2F。

首顆GPS-2F新型導(dǎo)航衛(wèi)星是2010年5月28日上天的，它標(biāo)志著美國GPS現(xiàn)代化計(jì)劃再次取得了重要進(jìn)展。GPS-2F衛(wèi)星有了重大改進(jìn)，使用了先進(jìn)的原子鐘，能為建設(shè)一個(gè)穩(wěn)健的GPS星座提供更高的精確性；增加了一個(gè)更加抗干擾的軍用信號(hào)，而且設(shè)計(jì)壽命長于之前的GPS衛(wèi)星；還增加了一個(gè)具有功率更高、更安全的新的L5民用信號(hào)，能幫助商業(yè)航線運(yùn)營，并執(zhí)行搜救任務(wù)。

目前，GPS系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了兩代共6種型號(hào)，發(fā)射衛(wèi)星60顆，發(fā)射失敗2次。在33顆在軌衛(wèi)星中，GPS-2A衛(wèi)星11顆，GPS-2R衛(wèi)星12顆，GPS-2RM衛(wèi)星8顆，GPS-2F衛(wèi)星2顆，其中31顆衛(wèi)星提供服務(wù)。美國很重視GPS系統(tǒng)在美國國家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用的，認(rèn)為它對美國是生死攸關(guān)的。

超級指南針

自從1978年10月6日美國第1顆GPS衛(wèi)星上天以來，已有多顆各種類型的GPS導(dǎo)航衛(wèi)星被發(fā)射。1994年3月10日由24顆衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航星座部署完畢，標(biāo)志著GPS正式建成，其總耗資為200億美元。截至到2007年底，美國已先后發(fā)射了GPS-1、2、2A、2R、2RM、2F共6種衛(wèi)星系列，其中GPS-1為試驗(yàn)星，其他為工作星。

GPS是軍民兩用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但優(yōu)先為軍方服務(wù)。從1990年的海灣戰(zhàn)爭開始到現(xiàn)在，美國的一切軍事行動(dòng)幾乎都與衛(wèi)星定位系統(tǒng)有關(guān)。在軍事上，它至少有5項(xiàng)重要用途：①為艦艇、飛機(jī)等武器平臺(tái)提供導(dǎo)航定位服務(wù)；②協(xié)助武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確打擊；③幫助部隊(duì)規(guī)劃進(jìn)攻線路；④支持人員救援行動(dòng)；⑤提高衛(wèi)星自主定軌能力。

不過，導(dǎo)航衛(wèi)星的軍用與民用在技術(shù)原理上并不存在本質(zhì)區(qū)別，但軍用導(dǎo)航衛(wèi)星更強(qiáng)調(diào)信號(hào)的保密性、抗干擾能力和定位精度。

GPS的操作原理很簡單。用戶首先要測量來自天上至少4顆GPS導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)來信號(hào)的傳播時(shí)間和星歷表數(shù)據(jù)，然后完成數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終用測距交會(huì)方法解算出接收機(jī)所在的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息，一次定位僅用幾秒到幾十秒。

GPS導(dǎo)航星座由24顆工作衛(wèi)星和數(shù)顆備份衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星運(yùn)行在6個(gè)等間隔的、傾角為55°的近圓形軌道平面上，每個(gè)軌道平面上有4顆工作衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度約20200千米，繞地一圈約為12小時(shí)。采用這種方式可保證任何地點(diǎn)的用戶隨時(shí)能同時(shí)接收至少4顆衛(wèi)星播發(fā)的測距信號(hào)和星歷表數(shù)據(jù)，從而獲得接收機(jī)所在的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息。一次定位僅用幾秒到幾十秒。

每顆GPS都裝有非常精確的原子鐘，其精度優(yōu)于每3萬年誤差1秒，這也是導(dǎo)航衛(wèi)星的核心技術(shù)，因?yàn)樾l(wèi)星定位的精度完全取決于全系統(tǒng)衛(wèi)星時(shí)間的精確和統(tǒng)一。

由GPS-2A、2R、2F等組成的導(dǎo)航星座

GPS-1、2、2F在軌飛行示意圖

GPS衛(wèi)星都能不斷地以L1為1575.42兆赫和L2為1227.6兆赫兩種頻率同步為用戶發(fā)送測距信號(hào)和星歷表數(shù)據(jù)。其中L1頻率均用精密P (Y）碼和粗測C/A碼調(diào)制，L2頻率用精密P(Y）碼調(diào)制。用精密P(Y）碼調(diào)制的定位精度目前為1～5米，授時(shí)精度為1納秒,為軍事服務(wù)；用粗測C/A碼調(diào)制的定位精度目前為6～12米，為民事服務(wù)，其測速精度為每秒0.1米，授時(shí)精度為10納秒。

GPS-1、2、2A、2R僅在L1和L2頻段提供1個(gè)C/A碼民用導(dǎo)航信號(hào)和2個(gè)P(Y)碼軍用導(dǎo)航信號(hào)(僅供美國及其盟國的軍方使用)。但從GPS-2RM開始，在L2頻段增加了L2C碼民用導(dǎo)航信號(hào)，在L1和L2頻段增加了M碼軍用導(dǎo)航信號(hào)；GPS-2F又增加了L5頻段的L5C碼民用導(dǎo)航信號(hào)；在GPS-3中還將增加經(jīng)過與歐洲“伽利略”系統(tǒng)協(xié)調(diào)的L1C碼民用導(dǎo)航信號(hào)。

走向現(xiàn)代化

美國洛馬公司原計(jì)劃一共為美國空軍設(shè)計(jì)制造了21顆GPS-2R衛(wèi)星，但后來由于在伊拉克戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)GPS有明顯的軟肋——怕干擾，伊拉克用從俄羅斯購買的GPS干擾機(jī)很容易干擾了美國衛(wèi)星制導(dǎo)彈藥，使它們沒有打到預(yù)定的目的，誤炸事件也屢有發(fā)生，所以美國又把最后8顆GPS-2R進(jìn)行了現(xiàn)代化改進(jìn)，并命名為GPS-2RM，以便為美國在全球的軍方和民間GPS用戶提供不斷提升的導(dǎo)航能力。8顆GPS-2RM衛(wèi)星現(xiàn)已發(fā)射完畢。

在伊拉克戰(zhàn)爭中，美國GPS之所以抗干擾能力較差，是由于GPS衛(wèi)星中調(diào)制信號(hào)的軍碼P(Y)碼、民碼(C/A)沒有分離，捕獲其軍碼又需要民碼來引導(dǎo)，所以GPS接收機(jī)捕獲軍碼時(shí)間較長，而且民碼較易被干擾。

與GPS-2R相比，GPS-2RM的主要變化有兩個(gè)方面：其一是在L1和L2頻段增加2個(gè)新的M碼軍用導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)在L2頻段增加新的L2C碼民用導(dǎo)航信號(hào)，從而使GPS系統(tǒng)的測距信號(hào)增至6個(gè)；其二是通過采用現(xiàn)代化的天線面板來增加衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射功率。

GPS-2RM增加M碼信號(hào)后，不僅使每顆衛(wèi)星有兩路新的軍用信號(hào)，而且能把軍用信號(hào)與民用信號(hào)徹底分離，實(shí)現(xiàn)了不需民用信號(hào)引導(dǎo)就可直接訪問M碼軍用信號(hào)。這不但增加了軍用信號(hào)的安全性，而且由于實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)射功率的可重新分配，從而實(shí)現(xiàn)了拒絕、阻斷敵方使用GPS系統(tǒng)的能力。采用M碼比P(Y)碼具有較強(qiáng)的發(fā)射功率、抗干擾能力和保密性能，便于軍用接收機(jī)直接捕獲等優(yōu)點(diǎn)，能更好地為美國軍方及盟友提供精確度更高、加密能力更強(qiáng)并且具備抗干擾能力的導(dǎo)航服務(wù)。因此，新的軍用M碼信號(hào)是美國實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航戰(zhàn)戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)之一。

另外，雖然GPS-2RM在L2頻段新增加的L2C民用碼信號(hào)的速率仍為1.023兆赫，但具有不同于L1C/A碼的結(jié)構(gòu)和長度，因此比L1C/A碼有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)和信號(hào)跟蹤能力，進(jìn)一步提高導(dǎo)航定位精度，使民事用戶可以在不同頻率上為民間用戶提供可公開獲取的信號(hào)。

戰(zhàn)爭撒手锏

當(dāng)大多數(shù)GPS-2F衛(wèi)星進(jìn)入太空之后，用戶定位精度將由小于6米提高到優(yōu)于3米。GPS-2F的服役將使美國許多武器如虎添翼，精確打擊能力進(jìn)一步提高。

F-14戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射用GPS制導(dǎo)的戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈

大多數(shù)美軍士兵現(xiàn)都配有GPS接收機(jī)

在海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)之前，不少人曾預(yù)言，它可能成為又一場“越南戰(zhàn)爭”，美國大兵遠(yuǎn)涉重洋，面對茫茫戈壁，將付出數(shù)十萬的生命。伊拉克總統(tǒng)薩達(dá)姆當(dāng)時(shí)也狂稱，要祭起“戰(zhàn)爭之母”來重創(chuàng)美軍。即便是最樂觀的評論家也認(rèn)為，美國會(huì)付出上萬人傷亡的代價(jià)。然而，戰(zhàn)爭的結(jié)局卻讓人大跌眼鏡。戰(zhàn)爭過后，美軍第7騎兵師長道出了真諦，由于有了GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，所以他用9個(gè)士兵換取了伊拉克6個(gè)師。這話可能有些夸張，但表明了GPS的重要作用。

GPS系統(tǒng)是美國國防部開發(fā)的天基全球無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，所以它本質(zhì)上是軍用系統(tǒng)，優(yōu)先為軍方服務(wù)。GPS首次大出風(fēng)頭是在1991年的海灣戰(zhàn)爭中，雖然那時(shí)整個(gè)系統(tǒng)還未完全建成，只有16顆星，但從此一發(fā)不可收拾。1994年GPS星座開始正式服役后，它在武器精確制導(dǎo)、部隊(duì)調(diào)動(dòng)等許多方面都產(chǎn)生了重要作用，近些年發(fā)生的北約空襲南聯(lián)盟、阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭等幾乎一切軍事行動(dòng)都與它有關(guān)，而且作用日益凸顯。

GPS在軍事上最重要的應(yīng)用就是精確制導(dǎo)，它使彈藥具有百步穿針之功。現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)已由機(jī)械化轉(zhuǎn)為信息化，戰(zhàn)爭方式由核冷戰(zhàn)、核威懾向精確打擊轉(zhuǎn)化。據(jù)測算，美空軍二戰(zhàn)時(shí)期出動(dòng)4500架次B-17轟炸機(jī)、投彈9000枚的效果僅相當(dāng)于越戰(zhàn)期間出動(dòng)95架次、投擲109枚炸彈的效果，但若與當(dāng)前的水平相比，只相當(dāng)于1架F-117出動(dòng)1次投擲1枚炸彈的效果。由此可見，提高武器打擊精度能夠成倍地減少彈藥的消耗量。以美國空襲南聯(lián)盟為例，在戰(zhàn)爭前15天，北約使用的精確制導(dǎo)武器占總彈藥使用量的90%，取得了較大的成效。精確打擊現(xiàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭的一個(gè)重要特征。研究和實(shí)戰(zhàn)表明，如果使彈藥命中精度提高1倍，相當(dāng)于使彈藥數(shù)量增加3倍，或者TNT當(dāng)量增大7倍。

導(dǎo)航戰(zhàn)開始

美軍GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在伊拉克戰(zhàn)爭中遇到了伊拉克GPS干擾機(jī)的干擾，標(biāo)志真正的“導(dǎo)航戰(zhàn)”序幕已經(jīng)拉開的?，F(xiàn)在，隨著GPS在戰(zhàn)爭中的巨大作用不斷顯現(xiàn)，美軍對GPS的依賴越來越強(qiáng)，并對GPS的抗干擾能力也越來越擔(dān)心；另外，其他國家的部隊(duì)也在裝備GPS。為保證美國軍隊(duì)可靠的使用GPS，同時(shí)防止敵對國家在戰(zhàn)時(shí)使用，使美國決定開展“導(dǎo)航戰(zhàn)”。

“導(dǎo)航戰(zhàn)”是繼“電子戰(zhàn)”、“信息戰(zhàn)”等之后的一個(gè)新名詞，其核心內(nèi)容：一是保證GPS導(dǎo)航系統(tǒng)正常運(yùn)行，友軍能充分利用GPS導(dǎo)航的優(yōu)勢；二是不讓敵方使用自己的導(dǎo)航信息；三是阻止敵方導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

摧毀或使敵方衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)癱瘓目前有以下手段：干擾GPS接收機(jī)接收信號(hào)、破壞地面臺(tái)站、使用反衛(wèi)星武器。

地面臺(tái)站的任務(wù)是跟蹤和監(jiān)視GPS衛(wèi)星，實(shí)施對衛(wèi)星軌道控制及參數(shù)修正，保證衛(wèi)星導(dǎo)航的數(shù)據(jù)質(zhì)量。所以，通過攻擊敵人地面臺(tái)站，可使衛(wèi)星星歷無法更新，從而影響衛(wèi)星發(fā)布的導(dǎo)航信號(hào)精度。

用反衛(wèi)星武器來直接摧毀導(dǎo)航衛(wèi)星，可切斷發(fā)布導(dǎo)航信息的信號(hào)源。

不過，用微波武器或其他強(qiáng)力干擾信號(hào)在用戶接收機(jī)周圍制造強(qiáng)烈的背景干擾，使用戶無法獲得衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，是目前GPS最大的天敵。因?yàn)镚PS精確制導(dǎo)武器現(xiàn)已成為最具威懾力的武器，是武器效果的倍增器，但假如導(dǎo)彈突然失去所依賴的衛(wèi)星導(dǎo)航信息，天知道它會(huì)飛向何處。發(fā)展成本低廉的干擾機(jī)來達(dá)到最大的破壞效果，是弱國對付強(qiáng)國，特別是對導(dǎo)航衛(wèi)星依賴嚴(yán)重的國家的有效手段。

據(jù)韓國《朝鮮日報(bào)》2011年9月23日報(bào)道，2010年8月和2011年3月朝鮮發(fā)射GPS干擾電波時(shí)，韓國政府曾表示，“將采取應(yīng)對措施”。但是韓政府所采取的措施竟然是拿廚房用錫箔紙包裹幾十個(gè)GPS天線。另外，還有把設(shè)置在屋頂?shù)奶炀€移到建筑下方或干脆把天線藏到建筑后面的情況。有意見指出，這種方式固然可以避免朝鮮的干擾，但手機(jī)通話時(shí)間和位置信息也將出現(xiàn)錯(cuò)誤，通話也會(huì)經(jīng)常斷線。2010年8月韓國政府表示，將推進(jìn)防電波干擾的基礎(chǔ)技術(shù)。但是目前韓國沒有對朝鮮的干擾電波頻率進(jìn)行甄別并加以過濾的技術(shù)，如果徹底防止干擾，必然會(huì)屏蔽部分正常電波。

現(xiàn)在，美國已提出了多項(xiàng)GPS抗干擾措施：一是研制抗干擾的軍用接收機(jī)，通過改進(jìn)軟件或預(yù)先設(shè)置抗干擾措施，過濾掉干擾信號(hào)；二是對衛(wèi)星進(jìn)行改造，增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度，增加新的導(dǎo)航信號(hào)，開發(fā)新的軍用密碼，來保證在現(xiàn)有信號(hào)受到敵方干擾而失效時(shí)，衛(wèi)星仍然能夠發(fā)揮作用；三是提高自主能力，使導(dǎo)航衛(wèi)星能短時(shí)期擺對地面系統(tǒng)的依賴。

此外，引入慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相組合，可以顯著提高衛(wèi)星制導(dǎo)彈藥的抗干擾能力。這種組合技術(shù)能使系統(tǒng)的抗干擾性能提高15%左右。

為了不讓敵方使用自己的導(dǎo)航信息，美國對GPS導(dǎo)航信號(hào)采取加密、分級使用等手段。雖然美國通過公布民用導(dǎo)航信號(hào)格式來占領(lǐng)市場，但它對軍用導(dǎo)航信號(hào)格式嚴(yán)格保密，不到關(guān)鍵時(shí)刻決不輕易使用，即便在海灣戰(zhàn)爭和“盟軍”行動(dòng)中，美國僅使用民用導(dǎo)航信號(hào)。而且，美國國防部還具備隨時(shí)降低GPS導(dǎo)航信號(hào)精度、甚至是中止發(fā)布GPS導(dǎo)航信號(hào)的能力。

未來的前景

美軍通過GPS接收機(jī)提供的信息研究作戰(zhàn)行動(dòng)

定于2013年左右開始發(fā)射的GPS-3衛(wèi)星將選擇全新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。一旦部署完成，其性能至少不亞于歐洲“伽利略”衛(wèi)星。例如，將使用點(diǎn)波束技術(shù)來大大加強(qiáng)M碼信號(hào)的功率，使信號(hào)功率比現(xiàn)有系統(tǒng)提高100倍，信號(hào)強(qiáng)度至少增強(qiáng)20分貝；采用更高性能的空間原子鐘（如氫鐘等），以增加衛(wèi)星使用壽命；還有可能改變衛(wèi)星軌道構(gòu)形和軌道高度，放棄額定24顆中地球軌道衛(wèi)星的星座配置方案，而采用由33顆中地球軌道、高橢圓軌道和地球靜止軌道衛(wèi)星共同構(gòu)成的空間星座。GPS-3衛(wèi)星的定位、定時(shí)精度有可能分別達(dá)到30厘米和1納秒，使GPS制導(dǎo)彈藥的精度達(dá)到1米以內(nèi)。GPS-3計(jì)劃的實(shí)施，將會(huì)再次掀起衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的技術(shù)革新浪潮。

與現(xiàn)行的GPS系統(tǒng)相比，GPS-3有3個(gè)特點(diǎn)：①首先是其傳輸能力是現(xiàn)在GPS的500倍，而抗干擾能力也較現(xiàn)在的GPS翻番，這意味著GPS的數(shù)據(jù)和音像傳輸速度大增，用戶享受的“適時(shí)服務(wù)”也更加完善，且GPS遭干擾中斷的風(fēng)險(xiǎn)也將大減。②其次是其精確性將有極大提高，能讓所有的用戶精確定位地球上任何一個(gè)點(diǎn)，且精確度達(dá)1米，而此前美國GPS的精確度只有數(shù)米。③為民間開放更大的使用空間，按美國五角大樓的設(shè)想，GPS-3將新開放兩個(gè)民用頻段——1227.60兆赫和1176.45兆赫，讓民間用戶更方便使用GPS。

美國計(jì)劃2013年（第一階段）開始發(fā)射8顆衛(wèi)星GPS-3A，2016年（第二階段）開始發(fā)射另外8顆衛(wèi)星GPS-3B，最后的16顆衛(wèi)星GPS-3C計(jì)劃在2019年（第三階段）開始發(fā)射。到目前為止，波音公司已經(jīng)建造了43顆GPS衛(wèi)星，分別屬于GPS-1、2、2A、2F，但GPS-2R、2RM是洛馬公司研制的。

此外，美國現(xiàn)在還正著手實(shí)施更先進(jìn)的X射線脈沖星導(dǎo)航計(jì)劃，它已納入美國國防部長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要，并逐年追加研究經(jīng)費(fèi)。

GPS接收機(jī)

GPS電子地圖