楊子輝，薛 彬

（天津大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072）

0 引言

隨著第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束，美國(guó)與蘇聯(lián)兩國(guó)就開始了包括太空爭(zhēng)霸在內(nèi)的各種競(jìng)賽。1957 年10 月4 日，蘇聯(lián)使用洲際彈道導(dǎo)彈R-7 發(fā)射了世界上第一顆進(jìn)入地球軌道的人造衛(wèi)星斯普特尼克一號(hào)（Sputnik-1）。蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，給美國(guó)帶來(lái)了巨大的震撼，因?yàn)槊绹?guó)認(rèn)為，領(lǐng)空是國(guó)土的自然延伸，必須要保護(hù)好美國(guó)領(lǐng)空的安全；美國(guó)甚至認(rèn)為，蘇聯(lián)有能力用洲際彈道導(dǎo)彈R-7 將核彈頭送入美國(guó)領(lǐng)空，而美國(guó)卻無(wú)力偵測(cè)到蘇聯(lián)軍事活動(dòng)的相關(guān)信息[1]。為了追趕上蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星技術(shù)，美國(guó)陸軍和海軍同時(shí)開展了人造衛(wèi)星項(xiàng)目的研究，1957 年11 月6 日，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（United States naval research laboratory, NRL）發(fā)射了尖兵試驗(yàn)飛行器三號(hào)（vanguard test vehicle 3, TV3），但TV3 的發(fā)射以失敗告終；1958 年1 月31 日，美國(guó)陸軍成功發(fā)射了探索者一號(hào)（Explorer 1）衛(wèi)星[2]。

1958 年，美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University）應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（applied physics laboratory, APL）的兩位杰出科學(xué)家威廉·H.吉耶（William H. Guier）和喬治·C.韋芬巴赫（George C. Weiffenbach）為了研究蘇聯(lián)人造衛(wèi)星Sputnik 的詳細(xì)情況，他們?cè)诘孛嬉阎c(diǎn)上，用自行研制的測(cè)量設(shè)備捕獲并跟蹤到了Sputnik 發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，測(cè)得了Sputnik 無(wú)線電信號(hào)的多普勒（Doppler）頻移，隨后他們編寫了一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，利用該程序解算出了Sputnik 的軌道參數(shù)，依據(jù)他們的實(shí)驗(yàn)成果，APL 的另外一位科學(xué)家弗蘭克·T.麥克盧爾（Frank T. McClure）博士，設(shè)想出了一個(gè)“反向觀測(cè)方案”，即如果已知衛(wèi)星的軌道參數(shù)，地面上的觀察者通過(guò)測(cè)量該顆衛(wèi)星的Doppler頻移，則可以計(jì)算出觀測(cè)者的點(diǎn)位坐標(biāo)[3-4]，由此誕生了子午儀導(dǎo)航原理。與傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式相比，基于人造衛(wèi)星的子午儀導(dǎo)航方式，可以提供全天候、全覆蓋、全天時(shí)的導(dǎo)航服務(wù)，開啟了人類基于人造衛(wèi)星導(dǎo)航定位的新時(shí)代。

1 美國(guó)子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

蘇聯(lián)成功地發(fā)射了Sputnik 人造衛(wèi)星，對(duì)美國(guó)科技上的沖擊與第二次世界大戰(zhàn)中的“珍珠港事件”一樣，為了趕上并超越蘇聯(lián)在航空航天領(lǐng)域里的成就，美國(guó)政府決定加快軍事彈道導(dǎo)彈計(jì)劃、全面更新航空航天計(jì)劃，組建美國(guó)國(guó)家航空航天局（ National Aeronautics and Space Administration,NASA）[5]。1957 年，美國(guó)海軍特別項(xiàng)目辦公室要求 APL 協(xié)助美國(guó)海軍開發(fā)北極星艦隊(duì)彈道導(dǎo)彈（Polaris Fleet Ballistic Missile, FBM）戰(zhàn)略武器系統(tǒng)。McClure 博士向FBM 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人理查德·B.克什納（Richard B. Kershner）博士匯報(bào)了他在跟蹤蘇聯(lián)人造衛(wèi)星時(shí)取得的研究成果，并一起探討了采用衛(wèi)星導(dǎo)航的可行性。1958 年12 月，美國(guó)海軍決定提供資金，用以支持Kershner 博士的星基導(dǎo)航計(jì)劃。Kershner 博士立即在APL 內(nèi)組建了一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，用來(lái)發(fā)展美國(guó)海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（U.S. navy navigation satellite system, NNSS）[3,6]。由于NNSS 的導(dǎo)航衛(wèi)星沿地球子午圈的軌道運(yùn)行，因此，NNSS 又稱為子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Transit navigation satellite system, Transit）[4]。

從1959 年9 月17 日開始發(fā)射Transit-1A 衛(wèi)星開始，到1988 年6 月16 日發(fā)射Transit-Nova-2衛(wèi)星為止，美國(guó)共研制了33 顆Transit 導(dǎo)航衛(wèi)星，發(fā)射了26 顆，其具體情況如表1 所示。

表1 美國(guó)Transit 系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星情況[7]

（續(xù)）

圖1 為20 世紀(jì)60 年代初進(jìn)行Transit 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)的星座[6]，圖 2 為建成后的Transit 系統(tǒng)星座。雖然當(dāng)初設(shè)計(jì)Transit 系統(tǒng)星座時(shí)，只要用3 顆衛(wèi)星即可為用戶提供服務(wù)（如圖1所示），為了保證Transit 系統(tǒng)服務(wù)的可靠性，實(shí)際則建成了6 顆導(dǎo)航衛(wèi)星的Transit 系統(tǒng)星座，在這6 顆導(dǎo)航衛(wèi)星中，3 顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3 顆為備份衛(wèi)星[8]。

圖1 Transit 系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)星座[6]【審圖號(hào)：GS（2021）5770 號(hào)】

圖2 Transit 系統(tǒng)實(shí)際使用的星座[3]

1963 年12 月5 日成功發(fā)射Transit-5BN-2 衛(wèi)星后，Transit 系統(tǒng)正式成為世界上第一個(gè)為用戶提供定位服務(wù)的星基導(dǎo)航系統(tǒng)，到1964 年11 月，美國(guó)海軍開始使用Transit 系統(tǒng)為潛艦提供導(dǎo)航定位服務(wù)[8]。Transit 系統(tǒng)在為全球用戶提供了32 年的導(dǎo)航定位服務(wù)后，于1996 年12 月31 日停止發(fā)射導(dǎo)航定位信號(hào)。Transit 系統(tǒng)在軌的可用衛(wèi)星繼續(xù)為美國(guó)海軍電離層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（navy ionospheric monitoring system, NIMS）提供服務(wù)[9]。

2 GPS 發(fā)明之前的技術(shù)探索

雖然Transit 系統(tǒng)能夠?yàn)榈孛嬗脩籼峁┒ㄎ环?wù)，但Transit 系統(tǒng)仍然存在明顯的缺陷：1）Transit接收機(jī)的觀測(cè)值是接收機(jī)中產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)頻率與從Transit 衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行比較，通常至少需要兩個(gè)觀測(cè)值才能夠確定Transit 接收機(jī)的位置。Transit 只有6 顆衛(wèi)星，為了得到這兩個(gè)觀測(cè)值，用戶有時(shí)候不得不等待90 min，這對(duì)于潛艦、導(dǎo)彈等軍用用戶，已經(jīng)失去了使用價(jià)值；2）Transit 衛(wèi)星的軌道距地面僅1 100 km，由于低軌衛(wèi)星特別容易受到大氣阻力和地球重力變化的影響，這使得精確確定Transit 衛(wèi)星的軌道參數(shù)變得特別困難，嚴(yán)重地影響了用戶的定位精度[10]。為了克服Transit 系統(tǒng)存在的缺陷，需要積極探索建立新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

2.1 美國(guó)空軍的621B 項(xiàng)目[11]

1962 年，美國(guó)航空航天公司總裁伊萬(wàn)·格廷（Ivan Getting）博士意識(shí)到，星基導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)在國(guó)防及民用領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，為此他設(shè)想了一種比Transit 系統(tǒng)更為精密的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用戶提供全天時(shí)、連續(xù)的3 維（3D）定位服務(wù)。Getting 博士將他的定位方案直接呈遞給美國(guó)國(guó)防部（U.S. Department of Defense, DoD），而且他一直為該定位方案奔走呼吁，Getting 博士的衛(wèi)星導(dǎo)航定位方案最終獲得了美國(guó)空軍的經(jīng)費(fèi)支持，并將該項(xiàng)目命名為621B 項(xiàng)目。

從1962 年開始，在美國(guó)空軍的資助下，美國(guó)航空航天公司的研究人員對(duì)該種新型導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)所涉及的各個(gè)方面進(jìn)行了仔細(xì)研究；從1964—1966 年，航空專家詹姆斯·伍德福德（James Woodford）和中村秀吉（Hideyoshi Nakamura）的貢獻(xiàn)尤為突出。1966 年8 月，美國(guó)國(guó)防部將伍德福德和中村秀吉的研究項(xiàng)目列為秘密，直到13 年后的1979 年，美國(guó)國(guó)防部才對(duì)他們的研究成果進(jìn)行解密。621B 項(xiàng)目的研究成果為美國(guó)全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）的成功做出了巨大貢獻(xiàn)，主要包括：1）詳細(xì)研究了被動(dòng)式測(cè)距即單程測(cè)距原理；2）研究了星載原子鐘并制定了星載原子鐘的驗(yàn)證方法與手段；3）研究了采用4 顆導(dǎo)航衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)用戶端只需要石英鐘即可以完成精密定位的原理； 4）研究了碼分多址（code division multiple access, CDMA）的導(dǎo)航信號(hào)體制。

2.2 美國(guó)海軍蒂馬申（TIMATION）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[11-12]

1964 年，在美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（United States naval research laboratory, NRL）科學(xué)家老羅杰·L.伊斯頓（Roger L. Easton，Sr.）的領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)海軍發(fā)起了第二個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航項(xiàng)目蒂馬申（TIMATION）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，TIMATION 是指時(shí)間（TIMe）和導(dǎo)航（navigATION）。TIMATION 項(xiàng)目的主要目的是探索星基被動(dòng)式測(cè)距技術(shù)、世界各國(guó)授時(shí)中心之間的時(shí)間傳遞方法，以期能夠在世界范圍內(nèi)為用戶提供全天候、全天時(shí)的高精度實(shí)時(shí)定位服務(wù)。美國(guó)海軍的 TIMATION 項(xiàng)目與美國(guó)空軍的621B 項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行，二者形成了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

1967 年5 月31 日，NRL 發(fā)射了TIMATION-1實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星；1969 年 9 月 30 日，NRL 發(fā)射了TIMATION-2 實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。TIMATION 項(xiàng)目的研究成果，也為GPS 的成功做出了巨大貢獻(xiàn)，主要貢獻(xiàn)包括：1）仔細(xì)研究了接收機(jī)定位精度與導(dǎo)航衛(wèi)星間構(gòu)成的幾何精度衰減因子（geometric dilution of precision, GDOP）之間的關(guān)系，其結(jié)果表明，GDOP 可以用來(lái)識(shí)別所用導(dǎo)航星座的衛(wèi)星并消除其他衛(wèi)星的干擾信號(hào)；2）當(dāng)導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)周期為8 或12 h，衛(wèi)星軌道的傾斜為53°，導(dǎo)航衛(wèi)星分布在3 個(gè)衛(wèi)星軌道面、每個(gè)衛(wèi)星軌道上有9 顆導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)，在世界上任意位置，如果衛(wèi)星的高度截止角為5°，按照這樣星座布置的衛(wèi)星，則可以為全世界任何地方，提供全天候、全天時(shí)不間斷的導(dǎo)航定位服務(wù)，因此，TIMATION 項(xiàng)目建議將“3×9”這樣的星座結(jié)構(gòu)作為美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座。

2.3 美國(guó)陸軍的賽科爾（SECOR）系統(tǒng)[13-14]

美國(guó)陸軍為統(tǒng)一美國(guó)陸地、島嶼上大地控制點(diǎn)的坐標(biāo)，提高地形圖的精度，與美國(guó)海軍聯(lián)合開發(fā)了賽科爾（SECOR）系統(tǒng)。SECOR 系統(tǒng)是一種全天候、可移動(dòng)的大地測(cè)量定位系統(tǒng)，采用漸進(jìn)式測(cè)距（sequential collation of range）原理來(lái)確定未知點(diǎn)的坐標(biāo)。SECOR 系統(tǒng)由4 臺(tái)接收機(jī)、1 顆或者多顆定位衛(wèi)星組成，將3 臺(tái)接收機(jī)安置在已知點(diǎn)上，1 臺(tái)接收機(jī)安置在未知點(diǎn)上，4 臺(tái)接收機(jī)同時(shí)接收SECOR 衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)量信號(hào)，首先通過(guò)相位比較方法，來(lái)確定接收機(jī)與SECOR 衛(wèi)星間的斜距并將其記錄在磁帶上；然后使用3 個(gè)已知站與衛(wèi)星之間的距離來(lái)計(jì)算SECOR 衛(wèi)星的位置，這種方法不需要已知衛(wèi)星的軌道參數(shù)；最后利用未知點(diǎn)與SECOR 衛(wèi)星間的斜距及SECOR 衛(wèi)星的位置，計(jì)算出未知點(diǎn)的坐標(biāo)值。若4 臺(tái)接收機(jī)能夠同時(shí)觀測(cè)到同一顆SECOR 衛(wèi)星，則可以同時(shí)多次完成接收機(jī)與SECOR 衛(wèi)星之間的距離測(cè)量，獲得大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這樣可以提高未知點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量精度。例如，當(dāng)SECOR 衛(wèi)星的共視時(shí)間為10～12 min 時(shí)，用4 臺(tái)接收機(jī)可以獲得約為48 000 組距離測(cè)量值。為了提高測(cè)量結(jié)果的可靠性，一般情況下要求獲取2 顆以上SECOR 衛(wèi)星的共視觀測(cè)數(shù)據(jù)，或者獲取同一顆SECOR 衛(wèi)星通過(guò)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)2 次以上的觀測(cè)數(shù)據(jù)。SECOR 系統(tǒng)的地面距離測(cè)量范圍為160～4 800 km，未知點(diǎn)的位置精度為3～10 m。

從1961 年2 月21 日至1970 年4 月8 日，美國(guó)陸軍共發(fā)射了23 顆具有SECOR 載荷的衛(wèi)星，其中有些SECOR 載荷是安裝其他衛(wèi)星上，例如1961 年2 月21 日發(fā)射失敗的SECOR 載荷，就是安裝在美國(guó)海軍的Transit 衛(wèi)星上的；有些SECOR載荷是作為單獨(dú)衛(wèi)星發(fā)射的。

3 GPS 計(jì)劃的開啟與系統(tǒng)建設(shè)

到 1972 年，美國(guó)海軍的 Transit 項(xiàng)目、TIMATION 項(xiàng)目以及美國(guó)空軍的621B 項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)施了好幾年，取得了許多應(yīng)用成果，但在實(shí)施過(guò)程中也存在許多問題，因此他們也一直在研究改善星基無(wú)線電導(dǎo)航衛(wèi)星的可能性。早在 1969—1970 年間，美國(guó)航空航天公司總裁Getting 博士就向美國(guó)總統(tǒng)理查德·尼克松（Richard Nixon）的科學(xué)顧問李·杜布里奇（Lee DuBridge）建議，鑒于星基導(dǎo)航潛在用戶太多，應(yīng)該成立總統(tǒng)特別委員會(huì)，以指導(dǎo)美國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航工作。經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)星期的縝密思考后，DuBridge 顧問認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)Getting 博士的建議太困難了，因?yàn)镚etting 博士的建議涉及“四多”，即“涉及的人多，涉及的政府機(jī)構(gòu)多，涉及的政治操作多，涉及的公司及機(jī)構(gòu)多”。DuBridge 顧問希望美國(guó)空軍一如既往地推進(jìn)自己的星基導(dǎo)航項(xiàng)目[15]。

1973 年11 月17 日，DOD 決定將美國(guó)海軍的 Transit 項(xiàng)目、TIMATION 項(xiàng)目，美國(guó)空軍的621B 項(xiàng)目以及美國(guó)陸軍的SECOR 項(xiàng)目合并，成立納芙斯塔爾（NAVSTAR）GPS 聯(lián)合項(xiàng)目辦公室（Joint Program Office, JPO），并任命美國(guó)空軍上校布拉德福德·W.帕金森（Bradford W. Parkinson）博士為JPO 的首任主任。一段時(shí)間以來(lái)，人們認(rèn)為NAVSTAR 是授時(shí)和測(cè)距導(dǎo)航信號(hào)（navigation signal timing and ranging）或者是授時(shí)和測(cè)距導(dǎo)航衛(wèi)星（navigation satellite timing and ranging）的縮寫詞，其實(shí)這是一種誤讀，Parkinson 博士說(shuō)，在JPO 內(nèi)，從來(lái)沒有沒有人認(rèn)為NAVSTAR 是前述縮寫詞，NAVSTAR 只是負(fù)責(zé)（GPS）計(jì)劃預(yù)算的關(guān)鍵決策者約翰·沃爾什（John Walsh）給全球定位系統(tǒng) GPS 起的一個(gè)好聽的名字而已[15]，NAVSTAR-GPS 后來(lái)簡(jiǎn)稱為GPS，由美國(guó)空軍作為GPS 項(xiàng)目的負(fù)責(zé)單位。

GPS 由以下三部分組成：

1）空間部分[16]。由一組向用戶發(fā)送無(wú)線電信號(hào)的衛(wèi)星組成，為保證在95%的時(shí)間內(nèi)，能為GPS用戶提供可靠的服務(wù)，美國(guó)承諾要一直保持至少24 顆GPS 衛(wèi)星處于為用戶提供服務(wù)的狀態(tài)。為了兌現(xiàn)這一承諾，最近十多年，美國(guó)空軍一直在太空布設(shè)了31 顆GPS 在軌衛(wèi)星。GPS 衛(wèi)星運(yùn)行在位于距地表20 200 km 的中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）上，運(yùn)行周期為12 h。

GPS 星座中的24 顆衛(wèi)星均勻分布在6 個(gè)軌道面上，軌道傾角為55°，在每個(gè)軌道面上等間隔布置有4 顆GPS 衛(wèi)星，GPS 星座的這種布局方式，可確保用戶可以從地球上的任何位置，能夠觀測(cè)到至少4 顆衛(wèi)星。GPS 的星座如圖3 所示。

圖3 GPS 星座示意[17]

1 974 年 6 月，JPO 將 羅 克 韋 爾 國(guó) 際 公司（Rockwell International）作為GPS 衛(wèi)星的建造商。從1978 年2 月22 日發(fā)射GPS 星座的第一顆組網(wǎng)衛(wèi)星NAVSTAR 1 開始，到1993 年5 月12 日成功發(fā)射第24 顆組網(wǎng)衛(wèi)星 GPS-2A-11，美國(guó)共發(fā)射了31 顆NAVSTAR 衛(wèi)星、15 顆GPS 衛(wèi)星[18]。

特別需要提及的是，美國(guó)空軍為了驗(yàn)證星載原子鐘的性能，于1974 年7 月13 日發(fā)射了搭載了兩臺(tái)銣原子鐘的TIMATION-III 衛(wèi)星，TIMATION-III衛(wèi)星亦稱為第一代導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星（navigation technology satellite, NTS-1）。

2）控制部分[18-19]。GPS 控制部分由美國(guó)在全球設(shè)置的地面設(shè)施組成，這些地面設(shè)施可以完成對(duì)GPS 衛(wèi)星的跟蹤監(jiān)測(cè)，向GPS 衛(wèi)星傳輸各種指令和數(shù)據(jù)。目前控制設(shè)施包括：①主控站及備用主控站；②11 個(gè)指令傳輸及地面天線站；③16 個(gè)監(jiān)測(cè)站。控制部分的監(jiān)控設(shè)備分布如圖4 所示。圖4 中：AFSCN（air force satellite control network）為美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)；NGA（National Geospatial-Intelligence Agency）為美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局。

圖4 GPS 控制段的監(jiān)控設(shè)施分布【審圖號(hào)：GS（2021）5770 號(hào)】

3）用戶段。與互聯(lián)網(wǎng)一樣，GPS 是全球信息基礎(chǔ)架構(gòu)的重要組成部分。因?yàn)镚PS 具有自由、開放、免費(fèi)和可靠的特性，人們基于GPS 開發(fā)了各式各樣的應(yīng)用程序，GPS 已經(jīng)深深嵌入到軍事武器、國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人們生活中。GPS 可以提高包括農(nóng)業(yè)、建筑、采礦、測(cè)量、包裹運(yùn)送和物流供應(yīng)鏈管理等涉及整個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的生產(chǎn)力效率；在電信網(wǎng)絡(luò)、銀行系統(tǒng)、金融市場(chǎng)和電網(wǎng)等嚴(yán)重依賴精確時(shí)間同步的領(lǐng)域，GPS 可以為其提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)，完成時(shí)間同步。如果沒有GPS 的協(xié)助，遠(yuǎn)程建筑施工、自動(dòng)駕駛等服務(wù)將無(wú)法正常運(yùn)行。GPS 在應(yīng)急救援、地面交通安全管理、交通事故的預(yù)防、汽車自動(dòng)駕駛，飛航安全等領(lǐng)域都有廣泛的用途[20]。正如奧地利格拉茨大學(xué)伯恩哈德·霍夫曼-韋倫霍夫（Bernhard Hofmann-Wellenhof）教授1991 年指出的那樣，“GPS 將來(lái)的應(yīng)用，只受人們想象力的限制（The future uses of GPS are limited only by one’s imagination）”。

4 GPS 帶來(lái)的效益與風(fēng)險(xiǎn)

4.1 GPS 帶來(lái)的軍事效益[21]

無(wú)論對(duì)士兵還是對(duì)武器設(shè)備攜帶的導(dǎo)航設(shè)備而言，都需要具有以下特點(diǎn)：1）定位精度高；2）環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可全天候使用；3）操作簡(jiǎn)便；4）重量輕，便于攜帶；5）保密性好，不易被敵方發(fā)現(xiàn)。

在不同的國(guó)家，雖然軍隊(duì)的作用可能千差萬(wàn)別，但每個(gè)國(guó)家軍隊(duì)都必須滿足這兩個(gè)基本要求：和平時(shí)期的訓(xùn)練和戰(zhàn)時(shí)的實(shí)際戰(zhàn)斗。和平時(shí)期的訓(xùn)練包括戰(zhàn)斗訓(xùn)練、救災(zāi)、維和及大型基地/設(shè)施的管理；當(dāng)有戰(zhàn)事時(shí)，軍隊(duì)就會(huì)上戰(zhàn)場(chǎng)，參與戰(zhàn)場(chǎng)上的所有戰(zhàn)時(shí)活動(dòng)。GPS 可以為這些軍事活動(dòng)提供以下服務(wù)：

1）導(dǎo)航。當(dāng)士兵身處陌生地方，特別是在黑夜及沒有明顯的地標(biāo)供他們辨別方向時(shí)，他們就無(wú)法確定自己的位置，使其處于茫然無(wú)序的狀態(tài)，這樣不僅會(huì)貽誤戰(zhàn)機(jī)，甚至?xí)倮徒o敵方。例如在1990 年，美國(guó)首次將GPS 應(yīng)用到海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中就取得了極好的軍事效益。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)是以美國(guó)為首的聯(lián)盟軍隊(duì)，在1990 年8 月2 日至1991年2 月28 日間，對(duì)入侵科威特境內(nèi)的伊拉克軍隊(duì)和伊拉克境內(nèi)的伊拉克軍隊(duì)發(fā)動(dòng)軍事進(jìn)攻，在戰(zhàn)爭(zhēng)開始前，美國(guó)為聯(lián)盟軍配備了1 000 臺(tái)GPS 接收機(jī)，到這次軍事行動(dòng)快結(jié)束時(shí)，在聯(lián)盟軍中使用的GPS 接收機(jī)達(dá)到了近9 000 臺(tái)，在短短7 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，GPS 接收機(jī)的使用量增加了8 倍，美軍第 7 騎兵師在GPS 接收機(jī)的指引下，橫穿了毫無(wú)地面標(biāo)識(shí)物的沙漠，千里突襲，直搗巴格達(dá)，一舉擊潰了伊拉克的6 個(gè)主力師。反觀1999 年印度和巴基斯坦在卡吉爾（Kargil）的沖突，由于剛剛開始時(shí)，印度巡邏隊(duì)沿著崎嶇的山路，誤入了巴基斯坦軍隊(duì)控制區(qū)并造成了印軍的嚴(yán)重傷亡，最后是在手持GPS 接收機(jī)的幫助下，印軍才脫離了險(xiǎn)地。

2）跟蹤。在某些軍事應(yīng)用場(chǎng)景中，需要連續(xù)跟蹤一些可疑目標(biāo)，當(dāng)掌握了較為可靠的信息后，才能夠宣布這些目標(biāo)為敵對(duì)目標(biāo)并用各種武器對(duì)其加以摧毀。在摧毀這些敵對(duì)目標(biāo)前，需要依據(jù)這些跟蹤數(shù)據(jù)生成作戰(zhàn)數(shù)據(jù)，并將其輸入到導(dǎo)彈和智能炸彈等現(xiàn)代武器系統(tǒng)中。例如美國(guó)陸軍開發(fā)的GPS 全真數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及顯示系統(tǒng)（GPS truth data acquisition, recording, and display system, TDARDS），就是一種緊湊、輕便、低成本、易于攜帶的GPS 移動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。TDARDS 使用最新的GPS 數(shù)據(jù)、無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，為使用者提供10 個(gè)跟蹤目標(biāo)精確的實(shí)時(shí)、時(shí)空位置信息（time-space position information,TSPI）。被跟蹤的目標(biāo)可以是地面車輛、空中直升機(jī)或者固定翼飛機(jī)。TDARDS 具有高度模塊化的結(jié)構(gòu)，用現(xiàn)有的商用硬件構(gòu)建，而且可以輕松地修改硬件結(jié)構(gòu)，以滿足對(duì)某些特殊目標(biāo)的跟蹤需求。

3）攻擊性武器的制導(dǎo)。例如美國(guó)通常使用的巡航導(dǎo)彈，就是從很遠(yuǎn)的地方發(fā)射，去精確攻擊預(yù)定的敵方目標(biāo)。在巡航導(dǎo)彈的飛行過(guò)程中，會(huì)使用多通道GPS 接收機(jī)實(shí)時(shí)確定巡航導(dǎo)彈的位置，并根據(jù)實(shí)際位置與預(yù)定位置的偏差對(duì)其飛行路徑進(jìn)行修正，以達(dá)到準(zhǔn)確攻擊敵方目標(biāo)的目的。美國(guó)運(yùn)載多管發(fā)射火箭系統(tǒng)（multiple launched rocket system, MLRS）的車輛，也是使用GPS 及慣性組合定位的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)MLRS 運(yùn)載車的定位，這樣可以在很短的時(shí)間內(nèi)設(shè)定MLRS 的打擊參數(shù)，完成對(duì)敵對(duì)目標(biāo)的攻擊。美國(guó)陸軍為了提高炸彈的命中精度，還基于差分 GPS（differential GPS,DGPS），提出了制導(dǎo)能力增強(qiáng)（exploitation of DGPS for guidance enhancement, EDGE）計(jì)劃。美國(guó)陸軍已經(jīng)將EDGE 計(jì)劃應(yīng)用到了某種重型炸彈的制導(dǎo)上，取得了理想的效果：使用4 個(gè)距落點(diǎn)2 000 km 外的DGPS 站對(duì)炸彈進(jìn)行制導(dǎo)，在距落點(diǎn)20 km 外發(fā)射這種型號(hào)的炸彈時(shí)，炸彈也能夠精確地命中目標(biāo)。

4）救援。救援和應(yīng)急響應(yīng)也是軍隊(duì)的一個(gè)重要職能，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，救援人員必須首先確定傷亡人員的位置，這樣才能夠縮短救援時(shí)間。例如，美國(guó)空軍利用GPS 技術(shù)，開發(fā)了戰(zhàn)場(chǎng)幸存者定位器（combat survivor evader locator, CSEL）系統(tǒng)。CSEL 系統(tǒng)將GPS 接收器與無(wú)線電通信集成在一起，搜索和救援團(tuán)隊(duì)可以比以前更快、更準(zhǔn)確地找到遇難人員。

5）地圖更新。即使在信息化高度發(fā)達(dá)的今天，美國(guó)國(guó)防部仍然需要根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的需要，繪制不同比例尺的軍事地圖，為了保證這些軍事地圖的精確性及現(xiàn)勢(shì)性，必須采取遙感和地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）技術(shù)來(lái)繪制可用的地形圖，這樣就需要首先利用安置在遙感衛(wèi)星上的GPS 接收機(jī)，確定遙感衛(wèi)星的位置后，才能夠獲取地面目標(biāo)的空間位置。

GPS 在軍隊(duì)的成功應(yīng)用，同樣的技術(shù)也可以民用，例如利用DGPS、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位（real-time kinematic positioning, RTK）等技術(shù)，可以引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸、汽車的自動(dòng)駕駛、精細(xì)農(nóng)業(yè)等，GPS的時(shí)間傳遞技術(shù)，可以解決電力系統(tǒng)及金融服務(wù)等的時(shí)間統(tǒng)一同步問題。

4.2 GPS 帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益[22-23]

2019 年6 月，美國(guó)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology,NIST）發(fā)布了《全球定位系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益（Economic benefits of the global positioning system（GPS））》。據(jù)NIST 估計(jì)，僅在美國(guó)，自1980 年代GPS 開始民用和商用以來(lái)，GPS 產(chǎn)生了約1.4 萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)效益，特別是近十年來(lái)，GPS 創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益更是特別顯著，占到了美國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（gross domestic product, GDP）的0.4%，成為美國(guó)的重要高科技產(chǎn)業(yè)。

4.3 GPS 帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)

從戰(zhàn)時(shí)的武器制導(dǎo)、駕駛員的行車導(dǎo)航，再到跨國(guó)公司協(xié)調(diào)復(fù)雜的物流網(wǎng)絡(luò)，每天都有數(shù)以億計(jì)的用戶依靠GPS 進(jìn)行導(dǎo)航和定位。GPS 的精確定時(shí)功能，也為金融、電力和電信等行業(yè)提供了時(shí)間同步的基準(zhǔn)。 甚至“GPS”一詞，也偏離“全球定位系統(tǒng)”的本意，成了表示“某人在特定時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)在特定位置”這樣的流行語(yǔ)[22]。 用戶過(guò)度依賴GPS，必然會(huì)給GPS 用戶帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。

早在 2012 年，美國(guó)國(guó)土安全部（U.S.Department of Homeland Security, DHS）就向美國(guó)國(guó)會(huì)提交了《國(guó)家風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：全球定位系統(tǒng)中斷給美國(guó)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)（National Risk Estimate:risks to U.S.Critical infrastructure from global positioning system disruptions）》[24]，該報(bào)告列舉了GPS 服務(wù)中斷或者GPS 信號(hào)受到干擾后，對(duì)美國(guó)通信及運(yùn)輸?shù)?6 個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)帶來(lái)的影響，GPS 作為“一種看不見的工具”，其結(jié)果是，各個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的管理者，“大大低估了”本行業(yè)主要用戶對(duì)GPS 的依賴程度。因此，DHS 要求各行業(yè)需對(duì)本行業(yè)提出GPS 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以減輕GPS 潛在危險(xiǎn)對(duì)本行業(yè)可能造成的影響。

5 GPS 的現(xiàn)代化

5.1 星載計(jì)時(shí)器的現(xiàn)代化

文獻(xiàn)[25]論述了GPS 的定位原理，如圖5所示。

圖5 GPS 的定位原理[25]

GPS 衛(wèi)星與用戶接收機(jī)之間的測(cè)距公式[25]為

式中：c為信號(hào)傳播速度即光速，其值為3×108m/s；T2和T1分別為導(dǎo)航信號(hào)被接收的時(shí)刻和導(dǎo)航信號(hào)播發(fā)的時(shí)刻。

微分式（2）并按照方差協(xié)方差傳播定律，在假定導(dǎo)航信號(hào)接收時(shí)刻和導(dǎo)航信號(hào)播發(fā)時(shí)刻的測(cè)時(shí)精度相等的情況下，可得導(dǎo)航衛(wèi)星到用戶接收機(jī)距離ρi的精度mρ為

5.2 空間部分的現(xiàn)代化

文獻(xiàn)[31]給出了美國(guó)已經(jīng)發(fā)射及即將發(fā)射的GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星型號(hào)，如圖6 所示。

圖6 美國(guó)已經(jīng)發(fā)射及即將發(fā)射的導(dǎo)航衛(wèi)星型號(hào)[31]

有關(guān)GPS II 型衛(wèi)星，國(guó)內(nèi)已有文獻(xiàn)對(duì)其性能進(jìn)行過(guò)詳細(xì)介紹，這里不再重復(fù)。GPS III 型衛(wèi)星，是美國(guó)研發(fā)的新型GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星，在2018 年12月23 日、美國(guó)東部時(shí)間上午8 時(shí)51 分，美國(guó)空間探索技術(shù)公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）用“獵鷹9 號(hào)（Falcon 9）”運(yùn)載火箭，將首顆GPS III 衛(wèi)星從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空，GPS III 衛(wèi)星具有以下特點(diǎn)[31-32]：

1）具有4 個(gè)民用信號(hào)。除發(fā)送GPS Block IIF衛(wèi)星所有導(dǎo)航信號(hào)外，增加了第4 個(gè)民用信號(hào)L1C，GPS Block IIF 具有GPS L1 頻率上的C/A 碼信號(hào)、L1/L2 頻率上的P(Y)碼信號(hào)、L1 頻率上的民用信號(hào)L2C、L1/L2 頻率上的軍用M 碼、L5 頻率上的民用信號(hào)。

2）進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)可靠性、準(zhǔn)確性和完整性，定位精度是GPS II 衛(wèi)星的3 倍。

3）進(jìn)一步提高了抗干擾能力，抗干擾能力是GPS II 衛(wèi)星的8 倍。

4）衛(wèi)星在軌壽命延長(zhǎng)至15 年。

美國(guó)計(jì)劃發(fā)射10 顆GPS III 衛(wèi)星，編號(hào)為SV01至SV10，從SV11 號(hào)開始，GPS III 衛(wèi)星升級(jí)為GPS IIIF 衛(wèi)星，美國(guó)計(jì)劃在2026—2034 年間，共發(fā)射22 顆GPS IIIF 衛(wèi)星，GPS IIIF 衛(wèi)星除具有GPS III 衛(wèi)星的功能外，還會(huì)增加以下功能：1）建立統(tǒng)一的 S 波段遙測(cè)、跟蹤及指令體制；2）搭載有效搜救載荷；3）搭載激光后向反射器陣列，用于精確測(cè)定衛(wèi)星的軌道；4）搭載重新設(shè)計(jì)的核爆探測(cè)系統(tǒng)（nuclear detonation detection system, NDS）；5）提高區(qū)域軍事保護(hù)（regional military protection, RMP）能力，即導(dǎo)航衛(wèi)星在飛越預(yù)期會(huì)受影響的區(qū)域（area of intended effect, AOIE）時(shí)，導(dǎo)航衛(wèi)星能夠產(chǎn)生比覆蓋其他區(qū)域高得多的軍用導(dǎo)航信號(hào)，圖7 為提高RMP 能力示意圖[33]。

圖7 GPS IIIF 衛(wèi)星的增強(qiáng)特定區(qū)域軍用導(dǎo)航信號(hào)示意[33]

時(shí)任美國(guó)空軍部長(zhǎng)的希瑟·威爾遜（Heather Wilson）在2018 年夏天指出，為美國(guó)導(dǎo)彈提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)（positioning, navigation and time,PNT）的GPS，猶如是在錘子發(fā)明之前建造的一個(gè)共全世界使用的玻璃屋，在緊急情況下，GPS 可能會(huì)受到敵方的干擾，而使軍隊(duì)的作戰(zhàn)系統(tǒng)陷入癱瘓[34]。

為了確保美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)處于領(lǐng)先地位，而且在戰(zhàn)時(shí)不受對(duì)方的干擾，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory, AFRL）開始研發(fā)導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星3 號(hào)（navigation technology satellite 3,NTS-3），NTS-3 預(yù)計(jì)在2022 年底之前發(fā)射入軌[35]。

在NTS-3 上，美國(guó)將采用很多新技術(shù)，包括：1）搭載在軌可重編程的PNT 載荷；2）搭載能夠覆蓋全球和區(qū)域范圍的電子掃描天線陣列；3）進(jìn)一步提高導(dǎo)航信號(hào)安全性和抗干擾的能力；4）搭載具有多種授時(shí)來(lái)源的守時(shí)系統(tǒng)，這樣可以提高守時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高異常狀況的檢測(cè)能力和減小授時(shí)誤差[36]。

2030 年以后，美國(guó)將發(fā)射第四代GPS 衛(wèi)星GEN IV，目前還沒有資料公布GEN IV 衛(wèi)星的性能。

5.3 控制部分的現(xiàn)代化

GPS 最初的控制部分（亦稱為地面系統(tǒng)）僅能夠完成GPS 星座的維持、控制命令的發(fā)送及衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的監(jiān)視等任務(wù)，在運(yùn)行了22 年后，2007年9 月13 日，美國(guó)空軍航天司令部用體系結(jié)構(gòu)演化計(jì)劃（architecture evolution plan，AEP）系統(tǒng)，首次向GPS 衛(wèi)星注入了導(dǎo)航及授時(shí)數(shù)據(jù)[37]，AEP系統(tǒng)的特點(diǎn)為：1）采用分布式架構(gòu)；2）增強(qiáng)了信號(hào)的強(qiáng)度及監(jiān)視信號(hào)的覆蓋范圍；3）增加了信號(hào)的安全性；4）提高了信號(hào)的精度；5）具有發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星軌道、異常處理及替換操作（launch, anomaly and disposal operations, LADO）的能力[38]。到2018 年11 月16 日，AEP 已經(jīng)更新至AEP 7.5 版，AEP 7.5版以下的版本，是為GPS IIF 以下衛(wèi)星型號(hào)服務(wù)的，AEP 8.0 則是用來(lái)控制GPS III 衛(wèi)星的[39]。在更新AEP 系統(tǒng)的同時(shí)，美國(guó)在2005 年2 月18 日宣布，要開發(fā)GPS 下一代運(yùn)行控制系統(tǒng)（next generation operational control system，OCX），OCX 能夠完成以下工作[40]：

1）控制所有現(xiàn)代化的民用信號(hào)（L1C、L2C 和L5），控制現(xiàn)代化的軍事信號(hào)（M 碼信號(hào)），發(fā)射和操作GPS III 衛(wèi)星，促進(jìn)未來(lái)GPS 架構(gòu)的發(fā)展；

2）能夠預(yù)防及檢測(cè)到遭受敵方攻擊的情況，在遭受到網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)，能夠隔離、遏制攻擊信號(hào)，并使己方信號(hào)能夠正常發(fā)射；

3）主控站和備用主控站與星座管理功能結(jié)合，通過(guò)命令與控制，任務(wù)計(jì)劃，導(dǎo)航和數(shù)據(jù)分析與發(fā)布功能，為每一個(gè)移動(dòng)端用戶提供完善的服務(wù)；

4）對(duì)監(jiān)測(cè)站和地面天線之間、支持控制系統(tǒng)與航天器之間的數(shù)據(jù)鏈路和信號(hào)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控；

5）開發(fā)GPS 仿真裝置，用于開發(fā)、維護(hù)和測(cè)試主控站（master control station, MCS）軟件和遠(yuǎn)程地面設(shè)施；

6）開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)太空教練機(jī)，為GPS 操作員提供專用的培訓(xùn)系統(tǒng)服務(wù)。

OCX 將其功能集成到“模塊（Block）”中，并與GPS III 及相應(yīng)的軍事裝備的功能保持一致。Block 分為3 個(gè)階段[41]：

1）OCX Block 0。Block 0 是發(fā)射和控制系統(tǒng)（launch and control system, LCS），用于控制、在軌檢驗(yàn)早期發(fā)射的所有GPS III 衛(wèi)星，這些GPS III 衛(wèi)星為低軌（low Earth orbit, LEO）衛(wèi)星，OCX Block 0為OCX Block 1 的試驗(yàn)產(chǎn)品，其目的是為Block 1的硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)安全提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）OCX Block 1。Block 1 可以控制GPS 所有型號(hào)衛(wèi)星的民用信號(hào)（L1 C/A）、軍用信號(hào)L1 P（Y）及L2 P（Y）、GPS III 衛(wèi)星、現(xiàn)代化的民用信號(hào)（L2 C）、航空飛行安全信號(hào)（L5）、現(xiàn)代化的軍事信號(hào)L1 M 及L2 M、兼容其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的L1 C 信號(hào)。 Block 1 還完全符合信息保證/網(wǎng)絡(luò)防御的要求。

3）OCX Block 2。Block 2 具有與Block 1 相同的功能，但增加了與現(xiàn)代化信號(hào)廣播和授時(shí)同步的功能。Block 2 與Block 1 將同時(shí)交付給用戶。

5.4 用戶端的現(xiàn)代化

用戶端的現(xiàn)代化圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行：1）進(jìn)一步減小接收機(jī)的尺寸、減輕重量、降低能耗；2）提高接收機(jī)的安全性；3）提高接收機(jī)及天線的抗干擾能力；4）能夠更加快捷地分發(fā)加密密鑰；5）提高接收機(jī)的測(cè)量精度；6）研發(fā)GPS 接收機(jī)通用模塊；7）提高軍用碼的訪問權(quán)限；8）提高導(dǎo)航信號(hào)的可用性；9）增加防篡改防欺騙能力；10）增加在干擾環(huán)境情況下，獲取正確導(dǎo)航信號(hào)的能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

穩(wěn)健的導(dǎo)航定位授時(shí)系統(tǒng)，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，作為世界上第一個(gè)建成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并一直處于技術(shù)領(lǐng)先的美國(guó)，有許多成功的經(jīng)驗(yàn)值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

我國(guó)于2020 年7 月31 日建成了北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3），已經(jīng)向全世界提供了衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，成為我國(guó)走向世界的一張國(guó)家名片，需要借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)增加BDS-3 衛(wèi)星上的有效新載荷，增強(qiáng)BDS-3 衛(wèi)星的抗干擾能力，以滿足世界各國(guó)對(duì)衛(wèi)星定位的新要求。