崔瀟瀟 趙煒渝 李秀紅（北京跟蹤與通信技術研究所）

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，部隊指揮控制和快速反應協(xié)同，提升武器裝備打擊精度和作戰(zhàn)效能等，都離不開衛(wèi)星導航系統(tǒng)。海灣戰(zhàn)爭中，美軍首次將衛(wèi)星導航系統(tǒng)投入現(xiàn)代戰(zhàn)爭使用。盡管當時“全球定位系統(tǒng)”（GPS）星座并未部署完畢，但臨時裝備GPS導航接收機的武器裝備戰(zhàn)斗力仍得到成倍提高。此后，科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭以及伊拉克戰(zhàn)爭中都能看到GPS導航系統(tǒng)的參戰(zhàn)身影。

GPS導航系統(tǒng)看似具有革命性影響，但技術缺點也尤為致命。該系統(tǒng)需要發(fā)送和接收衛(wèi)星信號，存在導航頻率公開、長距離傳輸信號弱、易受電磁和網(wǎng)絡攻擊等缺陷，且極易被拒止、削弱甚至欺騙。一旦衛(wèi)星出現(xiàn)故障無法提供服務時，將對依賴該系統(tǒng)的作戰(zhàn)人員和武器裝備帶來災難性后果。

早在伊拉克戰(zhàn)爭期間，伊軍曾使用干擾器對美軍部分制導武器實施干擾，使其偏離打擊目標。俄羅斯針對北約的制導導彈研制出信號干擾機，可在導彈飛行不同階段對其導航信號實施干擾。此外，還有其他種類繁多的干擾設備。

在GPS系統(tǒng)自身缺陷逐漸暴露和多元化的空間資源環(huán)境逐步形成的情況下,美國擔心其在歐洲的支配和主導地位受到削弱,也擔心對它具有潛在威脅的國家擁有衛(wèi)星導航定位技術之后,對其國家安全造成威脅。未避免其在衛(wèi)星導航領域內(nèi)的壟斷地位受到挑戰(zhàn)，美軍從21世紀初開始實施“GPS現(xiàn)代化”項目。

“GPS現(xiàn)代化”計劃由美國國防部研制和發(fā)展，1973年開始方案論證、仿真試驗、系統(tǒng)試驗和設備研制，經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和改進，共有7種衛(wèi)星，分別是GPS－1、GPS－2、GPS－2A、GPS－2R、GPS－2M、GPS－ 2F和GPS－3。截至2018年底，美國有31顆在軌運行的GPS衛(wèi)星，提供定位、導航與授時（PNT）服務，新發(fā)射的衛(wèi)星將逐步替換上一代GPS衛(wèi)星。

2 美國“GPS現(xiàn)代化”計劃概述

“GPS現(xiàn)代化”計劃將發(fā)射新一代導航衛(wèi)星，逐步代替上一代衛(wèi)星。旨在保持未來30年內(nèi)美國在衛(wèi)星導航系統(tǒng)上的優(yōu)勢地位，改進GPS的總體性能，推動美國的國家政策，確保在提供GPS全球服務和“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GNSS）全球應用上的領先地位。從目前情況來看，“GPS現(xiàn)代化”計劃的主要舉措包括以下幾方面。

空間段升級

（1）優(yōu)化星座布局

GPS衛(wèi)星分布在6個軌道面，這種星座布局不利于GPS用戶定位。因此，2009年11月5日，第14空軍中隊、空軍航天司令部、空間聯(lián)合功能部隊司令部和美國戰(zhàn)略司令部在范登堡空軍基地聯(lián)合向國家PNT咨詢委員會提出了重新配置GPS星座的提案。2010年1月，美國空軍宣布執(zhí)行24＋3星座布局方案。該方案依據(jù)2008年9月頒布的《GPS標準定位服務性能標準》中定義的24軌位星座的概念。該標準指出：24個軌位有3個是可擴展的，在1個可擴展的軌位上有1對衛(wèi)星連在一起，24＋3星座布局就是要將連在一起的衛(wèi)星分開，對其中部分重要衛(wèi)星的軌道位置進行調(diào)整。

（2）衛(wèi)星“推陳出新”

為了更新導航衛(wèi)星，承載更加強大的導航信號與服務，美軍積極開展相關導航衛(wèi)星的退役和增補工作。自2005年至今，美軍先后完成了20余次發(fā)射任務，成功將8顆GPS Block 2R（M）衛(wèi)星和12顆GPS Block 2F衛(wèi)星送入軌道，完成全面現(xiàn)代化計劃中的第一和第二步，這些衛(wèi)星進一步提高了導航信號服務質(zhì)量。

（3）史上最強大GPS衛(wèi)星－ GPS－3

美軍正在全力研制生產(chǎn)下一代也就是第三代GPS衛(wèi)星—GPS－3。該系統(tǒng)性能更加卓越，將進一步延長使用壽命、提高精度、增強抗干擾能力。美國計劃利用32顆GPS－3衛(wèi)星取代目前在軌的舊衛(wèi)星。

2018年12月23日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭成功發(fā)射了GPS－3的首顆衛(wèi)星，此次發(fā)射標志著期待已久的GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化升級之路終于邁出了實質(zhì)性的一步。

GPS－3整體性能的確有很大提升，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）定位精度進一步提高。GPS－3衛(wèi)星配備了經(jīng)過70%獨特數(shù)字設計的任務數(shù)據(jù)單元（MDU），連接了原子鐘、輻射強化計算機和強大的發(fā)射器。由于星載原子鐘、熱控單元、全數(shù)字導航信號生成等方面的技術升級，使其這類衛(wèi)星可提供更高穩(wěn)定度的定位信號，這使得GPS－3將把GPS－2時代的民用導航系統(tǒng)定位精度提高了3倍，將從目前的3m提升到1m。在實現(xiàn)1m民用精度后，GPS－3將令民用領域衛(wèi)星導航定位的運用場景獲得煥然一新的突破。

提供給美軍乃至北約盟國的定位精度至少要高出1個數(shù)量級，精度更高可使得美軍的精確打擊能力再次提升。對于美軍需要打擊的一些特定目標來說，提升定位精度的意義是非比尋常的。

測試中的GPS－3衛(wèi)星

GPS－3在軌示意圖

全球各大導航衛(wèi)星系統(tǒng)

2）發(fā)射功率更高，抗干擾能力更強。GPS－3導航衛(wèi)星使用了更新的大功率發(fā)送組件，令其信號功率更出色。其抗干擾能力是二代星的8倍，衛(wèi)星壽命將延長至15年。新一代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用綜合性、整體化抗干擾設計，旨在打造“攻守一體”能力。作為美國空軍的戰(zhàn)略級項目，GPS－3導航衛(wèi)星優(yōu)先考慮軍事用途，它圍繞著美軍“新世紀導航戰(zhàn)”的思想，采用了綜合性、整體化的抗干擾設計，能挫敗近年出現(xiàn)的一些GPS干擾手段。

在“進攻”策略方面，GPS－3衛(wèi)星實現(xiàn)了依據(jù)作戰(zhàn)需要，靈活切斷特定地理區(qū)域?qū)Ш叫盘柕哪芰?，可以有效地阻礙使用GPS民用信號及相關差分技術進行導航的敵方作戰(zhàn)平臺與武器。GPS－3衛(wèi)星的這種可迅速關閉特定位置導航服務的能力，可主動“打擊”敵人。另外，第三代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)將軍用信號與民用信號徹底分離，從根本上提升軍用信號的安全性。

3）各項新技術手段全面提升。GPS－3衛(wèi)星采用標準接口及靈活、輕松插入的模塊化架構，可更加智能、快速地構建下一代導航系統(tǒng)，使衛(wèi)星具備在軌編程和在軌升級能力，將可根據(jù)任務需求進行安裝，非常便捷；通過采取軍、民頻段分離，增加新的民用信號L1C，可實現(xiàn)與GNSS的互通。

GPS－3導航有效載荷通過采用新的一個任務數(shù)據(jù)單元，其70%采用數(shù)字化設計，連接原子鐘、輻射加固計算機和強大的發(fā)射機，這些新的技術手段將增強衛(wèi)星信號功率，以及信號與GNSS的兼容性。新一代導航有效載荷還將為新的GPS－3搜救有效載荷提供時鐘信號。

地面段升級

GPS系統(tǒng)的地面段是GPS地面運行控制系統(tǒng)（OCX）的核心部分，它承擔著整個系統(tǒng)運行監(jiān)測、控制和管理的功能，能夠?qū)崟r生成并向?qū)Ш叫l(wèi)星注入導航電文數(shù)據(jù)。目前，GPS地面控制段由1個主控站（MCS）、1個備用主控站、17個監(jiān)測站和12個地面天線組成。

目前，美國空軍正在加快新一代GPS地面系統(tǒng)即GPS OCX的開發(fā)和部署工作。新一代GPS OCX是下一代地面高性能實時運行系統(tǒng)，它旨在為軍用、商業(yè)和民用用戶提供安全、精確、可靠的導航與授時信息。GPS OCX將集成地面段、空間段和用戶段的服務于一體，以加強其無縫支持全球數(shù)十億用戶的任務指揮、控制及態(tài)勢感知能力。OCX控制段將增加系統(tǒng)容量，支持新型GPS－3衛(wèi)星。

與上一代OCX相比，新一代的GPS OCX計劃性能顯著增強，大大提高了整個系統(tǒng)的性能和效率，主要包括：①采用新的Kalman濾波器提升所有用戶精度；②解除對GPS星座中衛(wèi)星數(shù)量的上限，允許更多的衛(wèi)星參與運行；③所有關鍵的OCX外部接口將采用數(shù)字簽名，保護信息不被篡改。

信號體制升級

為了更加全面地增強GPS系統(tǒng)的信號體制，提升系統(tǒng)的應用性能及與其他系統(tǒng)的兼容互操作能力，在GPS現(xiàn)代化計劃中新增了部分新型信號類型，主要包括：①第二民用信號：在GPS 現(xiàn)代化計劃中由GPS Block 2R（M）衛(wèi)星首次搭載，是播發(fā)在 L2頻點上的民用信號，使得民用接收機實現(xiàn)雙頻測量成為可能，滿足了民用用戶在復雜環(huán)境下的高精度定位導航需求；②第三民用信號：在GPS現(xiàn)代化計劃中由GPS Block 2F衛(wèi)星首次搭載，是播發(fā)在 L5 頻點上的民用信號，主要為滿足生命安全救援及其他高精度應用需求，同時支持包括航空應用等在內(nèi)的高可靠性導航定位業(yè)務；③第四民用信號：使用了低密度壓縮編碼（LDPC）等先進編碼技術，同等發(fā)射功率下具有更強的抗干擾、糾錯能力，意味著在樹蔭遮蔽、車內(nèi)、室內(nèi)等微弱信號條件下的定位能力和可用性將大大加強；④軍用碼/M碼：首次搭載于 GPS Block 2R（M）衛(wèi)星上，是同時播發(fā)在L1和L2頻點的新型軍用信號，與之前的P碼不同，軍用碼可以實現(xiàn)自主定位，不需要粗捕獲碼的輔助，是未來10余年美軍及其授權用戶的主要軍用信號。

3 未來發(fā)展規(guī)劃

未來，第三代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)將進一步提升美軍在未來導航領域的博弈實力，目前還有總價值至少為126億美元的23顆新型衛(wèi)星需要進行制造或者發(fā)射。第二顆GPS－3衛(wèi)星將于2019年升空。

最終，美國空軍計劃在未來20年發(fā)射32顆軍民兩用的第三代GPS衛(wèi)星，用于全面替換目前運行的第二代GPS衛(wèi)星。據(jù)計劃，新一代導航衛(wèi)星GPS－3共有36 顆衛(wèi)星，包括 A、B、C三種類型。其中，GPS－3A衛(wèi)星12顆、GPS－3B衛(wèi)星8顆、GPS－3C衛(wèi)星16顆。

1）GPS－3A 衛(wèi)星：主要任務是提高定位精度，擴大信號覆蓋范圍，該類衛(wèi)星搭載播發(fā)在 L1 頻點的第四民用信號（L1C信號），以實現(xiàn)與未來其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼容互操作。

2）GPS－3B 衛(wèi)星：主要任務是增加星間鏈路載荷，衛(wèi)星安裝4副反射面天線，可以實現(xiàn)衛(wèi)星注入電文和測控數(shù)據(jù)的星間傳遞，從而確保在地面測控和注入部分失效情況下的星座自主運行能力，提高系統(tǒng)抗毀生存能力。

3）GPS－3C 衛(wèi)星：主要任務是提升軍用碼的能力，該類衛(wèi)星計劃裝備大功率、點波束發(fā)射系統(tǒng)，可以將局部地區(qū)軍用碼功率提升100倍，實現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)的點波束增強應用，從而提升GPS對于重點戰(zhàn)區(qū)的服務可用性。

到2034年，第三代全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網(wǎng)“星座”部署完畢，將在高效導航、精確定位、快速通信和精準授時領域發(fā)揮重要作用。

4 綜合分析

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)先權及其在衛(wèi)星導航領域中的核心地位，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。

美軍加緊構建彈性、穩(wěn)健的GPS系統(tǒng)

近年來，隨著國外衛(wèi)星導航領域的飛速發(fā)展，多個國家衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展取得了里程碑式的階段性成果，衛(wèi)星導航領域競爭態(tài)勢加劇。衛(wèi)星導航作為最重要的空間信息基礎設施，已廣泛滲透到了國家安全和經(jīng)濟運行中。

美國一直以來將衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為維護本國空間利益和安全、占據(jù)太空優(yōu)勢地位的重要手段，從戰(zhàn)略上、體系上謀劃衛(wèi)星導航系統(tǒng)裝備技術的發(fā)展。近年來，更是加緊了對新一代GPS－3衛(wèi)星系統(tǒng)的建設。目前，正在以強勁勢頭構建彈性、穩(wěn)健的GPS系統(tǒng)。主要建設重點包括：

1）新技術的開發(fā)利用，采用新技術研發(fā)新產(chǎn)品，推動GPS系統(tǒng)的應用向各個級別、各個方面深入發(fā)展，滿足不斷增長的各種需求，尤其是支援和保障軍事行動的需求。

2）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,信噪比較低，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“GPS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。

3）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”的問題。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)。

4）有效競爭。面對歐洲“伽利略”(Galileo)衛(wèi)星導航系統(tǒng)的興建和俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）衛(wèi)星導航系統(tǒng)的快速復蘇，美國要確保GPS具有并保持先進性。為此，美軍正在加速推進“GPS現(xiàn)代化”，助力美軍導航戰(zhàn)。

美軍開發(fā)多途徑緩解“GPS依賴癥”以提高導航系統(tǒng)整體性能

根據(jù)美軍的“導航戰(zhàn)”概念，戰(zhàn)爭中，美軍將著力阻止敵方使用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號，并保證己方和盟友可以有效利用衛(wèi)星導航信息，同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外區(qū)域和平利用衛(wèi)星導航信息。不僅如此，美軍還根據(jù)任務需要,將導航戰(zhàn)劃分為進攻導航戰(zhàn)和防御導航戰(zhàn)。前者具有指使敵方衛(wèi)星導航系統(tǒng)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)失效的能力，后者則具有設法阻止敵方具備對衛(wèi)星導航系統(tǒng)實施進攻的能力。

即便如此，美軍仍在開發(fā)新一代PNT系統(tǒng)，或通過多種新型導航定位手段緩解美軍的“GPS依賴癥”。近年來，美軍還大力推動慣性導航技術研究，實現(xiàn)與全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)協(xié)同使用，使導航系統(tǒng)的整體抗干擾能力大幅提升。

美軍改進GPS系統(tǒng)為其作戰(zhàn)能力和武器裝備效能提升提供重要支撐

第三代GPS系統(tǒng)是美國在兼顧軍事應用和領先全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的前提下，對GPS系統(tǒng)進行重大改進，將成為美軍作戰(zhàn)能力和武器裝備效能提升的重要支撐。一方面，GPS系統(tǒng)定位與授時精度及抗干擾能力，將隨著GPS-3衛(wèi)星部署大幅提高，不僅可提升美軍以及盟友精確制導武器打擊精度，強化以GPS系統(tǒng)為核心的時空基準對美軍聯(lián)合作戰(zhàn)的保障作用，還將幫助美國繼續(xù)掌控制定衛(wèi)星導航系統(tǒng)標準的話語權。另一方面，GPS-3衛(wèi)星以及相應的信號屏蔽技術將成為美軍實施導航戰(zhàn)的重要支撐，能達到阻止敵對勢力利用GPS系統(tǒng)的目的，為美軍搶奪戰(zhàn)場“制導航權”、獲取作戰(zhàn)信息優(yōu)勢提供重要基礎；性能先進的GPS-3衛(wèi)星還將促進世界各國加強對其制衡措施的研究，推動電子戰(zhàn)、賽博電磁對抗等能力的深入發(fā)展。

5 結束語

美國GPS系統(tǒng)是已經(jīng)發(fā)展了30多年的成熟系統(tǒng)，全球覆蓋，軍用價值極高；人類歷史上僅次于“國際空間站”、航天飛機和“阿波羅”登月的第四大航天項目，技術最先進，軍用精度極高；是目前世界上最先進的導航衛(wèi)星。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要信息來源，作為世界上最早的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，GPS正不斷地進行其現(xiàn)代化革新進程，積極研究美軍GPS系統(tǒng)的相關技術，跟上世界衛(wèi)星導航技術的發(fā)展步伐具有重要意義。