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        美國軍用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

        2022-04-14 07:27:30劉棟梁陸靜鄭紫霞張嵩
        全球定位系統(tǒng) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:板卡軍用接收機(jī)

        劉棟梁,陸靜,鄭紫霞,張嵩

        (中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所,北京 100071)

        0 引言

        衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為當(dāng)前社會使用最廣泛、最便捷、最有效的高精度、高實(shí)時、高可靠定位、導(dǎo)航和授時(PNT)手段.自問世以來深刻地改變了人類社會生產(chǎn)生活方式,顛覆了軍事領(lǐng)域戰(zhàn)爭形態(tài)和作戰(zhàn)樣式.

        20 世紀(jì)90 年代初,美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo 相繼建成,而我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)作為當(dāng)前全球四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一,已經(jīng)可以和美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo 相競爭[1-3].隨著信息技術(shù)以及通信導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,終端發(fā)展愈發(fā)必要,關(guān)于導(dǎo)航用戶裝備的研究也越來越多[4-6],希望能夠?qū)で笸黄?

        目前,美國衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備已在多個領(lǐng)域有實(shí)際應(yīng)用,并在近年的戰(zhàn)爭中發(fā)揮了關(guān)鍵作用.為提高“導(dǎo)航戰(zhàn)”能力,美國不斷研究并開發(fā)新的GPS 終端設(shè)備或接收機(jī),把各種新技術(shù)融入設(shè)備之中,真正做到了技術(shù)為裝備服務(wù).本文以美國軍用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備為主,對GPS 第一代、第二代、第三代典型用戶裝備現(xiàn)狀進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上總結(jié)了GPS 用戶裝備的發(fā)展特點(diǎn),并提出了GPS 用戶裝備的發(fā)展趨勢,為我國衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的研制提供了一定的參考價值.

        1 GPS 用戶裝備現(xiàn)狀

        自1990 年的海灣戰(zhàn)爭到目前美軍的GPS 用戶裝備已歷經(jīng)三代,走過了從箱式整機(jī)到板卡,再到模塊的技術(shù)演變歷程.形成了脈絡(luò)清晰、前后相承的裝備發(fā)展路線和具有通用化、系列化、模塊化特征的簡約實(shí)用的用戶裝備型譜.美軍研制并裝備過的主要用戶裝備及發(fā)展關(guān)系如圖1 所示[7].

        圖1 GPS 用戶裝備家族樹

        GPS 用戶裝備采用裝備形態(tài)與應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合的分類方式,總體上分為單機(jī)獨(dú)立應(yīng)用裝備(便攜或手持)、嵌入與集成應(yīng)用裝備、安全設(shè)備和天線系統(tǒng)四大類.其中單機(jī)獨(dú)立應(yīng)用裝備和嵌入式集成應(yīng)用裝備為終端裝備,安全設(shè)備和天線系統(tǒng)為模塊或芯片裝備.

        1.1 GPS 第一代用戶裝備

        第一代GPS 用戶終端裝備以整機(jī)為主,均為單頻接收機(jī),且有通道數(shù)少、體積和重量大等明顯不足的問題.安全裝備包括精密定位服務(wù)安全模塊(PPSSM)和輔助輸出芯片(AOC),由于不具備防撬功能,而且兩個安全設(shè)備之間有明文和加密數(shù)據(jù)傳輸,因此GPS 第一代用戶裝備被認(rèn)為是涉密裝備,其注冊管理和密鑰加注采用物理介質(zhì)傳輸方式,給勤務(wù)保障造成了極大負(fù)擔(dān).

        第一代GPS 用戶終端裝備實(shí)際上經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段,第一階段是上世紀(jì)80 年代末和90 年代初,圖2 為單兵便攜裝備Manpack 和SLGR,機(jī)載高動態(tài)裝備為3A 接收機(jī)、中低動態(tài)裝備為雙通道接收機(jī),船載為3S 接收機(jī).第二階段為90 年代中后期,單兵手持裝備被第一款真正手持軍用輕型精碼GPS 接收機(jī)(PLGR)所取代,同時PLGR 也是各種地面車輛的應(yīng)用裝備,機(jī)載裝備由功能相同,但體積重量僅有3A 接收機(jī)三分之一的微型機(jī)載GPS 接收器(MAGR)取代,船載裝備在開發(fā)了基于VME(VersaModule Eurocard)總線的GVRC 接收機(jī)卡以替換3S 接收機(jī)中的GPS 板卡,實(shí)現(xiàn)了對3S 接收機(jī)的升級.

        圖2 Manpack 接收機(jī)和SLGR 接收機(jī)

        1.2 GPS 第二代用戶裝備

        第二代GPS 用戶裝備采用開放式架構(gòu)設(shè)計(jì),其核心是選擇可用性抗欺騙模塊(SAASM),這是新一代的GPS 安全模塊,是對第一代安全模塊進(jìn)行了整合,使其安全性更高,從而使GPS 軍用接收機(jī)從涉密裝備變?yōu)榉敲苎b備,解決了災(zāi)難性的管理保障困難,因此成為GPS 軍用裝備必不可少的核心組件,同時也成為二代用戶裝備的標(biāo)志.

        作為型號裝備,美軍重點(diǎn)發(fā)展了單兵/車載和機(jī)載裝備.手持裝備DAGR 繼承了第一代手持機(jī)PLGR 的功能特點(diǎn),但體積更小、重量更輕,實(shí)現(xiàn)了單手操作,且首次采用了圖形界面.MicroDAGR 是DAGR 的升級版,如圖3 所示,采用了彩色圖形界面,增加了攝像頭、MP3 等功能,并且體積減小到適合在手腕上佩戴.CSEL 是一款戰(zhàn)斗救生型裝備,實(shí)際上它不僅具有GPS 定位功能,還能通過通信衛(wèi)星發(fā)送生還者位置并接收指令,因此是一款多衛(wèi)星系統(tǒng)用戶裝備,而且還具有通過地面長波電臺通信的能力,但艦載裝備仍采用升級后的3S 接收機(jī)[7].

        圖3 MicroDAGR 接收機(jī)

        1)第二代GPS 用戶裝備發(fā)展重點(diǎn)是嵌入式板卡,即GPS 接收機(jī)應(yīng)用模塊(GRAM).如圖4 所示,這是一組由GPS 聯(lián)合工程辦公室(JPO)定義和認(rèn)證的GPS 軍用接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)板卡.

        圖4 GRAM 板卡

        根據(jù)美軍相關(guān)政策要求,在沒有獲得JPO 豁免的情況下,所有軍用接收機(jī)必須基于GRAM 進(jìn)行開發(fā),因此也標(biāo)志著GPS 裝備發(fā)展從箱式向板卡的過渡.

        1.3 GPS 第三代裝備及美軍軍用裝備現(xiàn)代化計(jì)劃

        根據(jù)GPS 聯(lián)合辦公室于2009 年啟動軍用GPS用戶裝備(MGUE)計(jì)劃,它的目標(biāo)是為已有的主用武器平臺開發(fā)、集成和生產(chǎn)能接收M 碼的GPS 接收機(jī).第三代GPS 裝備首先在現(xiàn)有SAASM基礎(chǔ)上研制安全性更好、芯片化程度更高,能提供核心的GPS 信號處理功能的通用GPS 模塊(CGM)[8].

        美國軍用裝備現(xiàn)代化計(jì)劃以分階段增量發(fā)展的模式開展,總體上分為兩個大的階段,一是現(xiàn)代化用戶設(shè)備(MUE)項(xiàng)目,二是軍用GPS 用戶設(shè)備(MGUE)計(jì)劃.

        1)MUE 項(xiàng)目

        GPS 現(xiàn)代化的一個最大特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)了軍隊(duì)專用的M 碼信號,實(shí)現(xiàn)了軍民信號的分離,從而提高軍用導(dǎo)航信號的對抗能力.美軍對GPS 軍用裝備現(xiàn)代化的最基本要求就是能夠接收和利用M 碼信號.美國空軍從2003 年就開始進(jìn)行M 碼接收技術(shù)的研究,2006 年開展了MUE 接收機(jī)卡開發(fā)項(xiàng)目,這一項(xiàng)目實(shí)質(zhì)上是軍用裝備現(xiàn)代化前期的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),是為了降低后續(xù)MGUE 計(jì)劃的技術(shù)和進(jìn)度風(fēng)險而開展的.MUE 項(xiàng)目2013 年才完成,歷時約7 年,耗資近5 億美元.

        2)MGUE 現(xiàn)代化計(jì)劃

        MGUE 計(jì)劃于2009 年正式提出,美國空軍在2011 年啟動了該計(jì)劃,雖然當(dāng)時MUE 項(xiàng)目還未最終完成,但已經(jīng)進(jìn)入了測試驗(yàn)證階段,奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ).MGUE 計(jì)劃的目的是開發(fā)具有M 碼接收能力的現(xiàn)代化GPS 接收機(jī),以滿足軍事需求.美國空軍將MGUE 計(jì)劃分為了兩個階段來開展,即增量1 和增量2 兩個階段.

        其中,MGUE 增量1 是在MUE技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā),為每個兵種指定的主戰(zhàn)武器平臺提供M 碼信號接收機(jī).此外,在增量1 中提出并研發(fā)了計(jì)算機(jī)圖形圖元文件(CGM)和組件,作為軍用終端的核心基礎(chǔ)安全模塊;MGUE 增量2 是在增量1 的建設(shè)成果的基礎(chǔ)上,將開發(fā)用于較小尺寸、重量和功耗需求的板卡組件,使其成為未來軍用GPS 接收機(jī)的“引擎”,是對技術(shù)性能的進(jìn)一步提升和對應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展[9].

        2 GPS 用戶裝備發(fā)展特點(diǎn)

        1)高度重視裝備安全性與密碼保障能力升級

        GPS 軍用裝備把確保安全使用作為首要前提,因此美軍把GPS 安全設(shè)施建設(shè)以及密碼保障能力升級作為重點(diǎn)發(fā)展.綜前所述,第一代安全設(shè)施包括其中AOC 和PPS-SM 兩個芯片,由于兩者完全獨(dú)立,明文與密文的交互對用戶可見,易于被逆向分析破解,一旦裝備丟失將可能造成重大安全問題,同時對密鑰分發(fā)的后勤保障難度極大.為了徹底改變軍用裝備安全性問題和后勤保障難題,美軍研制第二代用戶裝備安全設(shè)施—SAASM.SAASM 是將AOC 和PPSSM 兩個芯片的功能進(jìn)行了封裝,形成一個完整的模塊,該模塊具有防撬功能,所有加密數(shù)據(jù)的流動均在該模塊內(nèi)完成,對外只提供明文數(shù)據(jù).同時,SAASM改變以前采用的對稱密鑰體制,采用非對稱密鑰體制,使密鑰的傳輸可以采用公開方式進(jìn)行,并且具備接收空中分鑰的能力.在美軍GPS 第三代裝備中,CGM延續(xù)了SAASM 的架構(gòu),把具備防欺騙、防撬技術(shù)的能力作為選擇研發(fā)生產(chǎn)CGM 工業(yè)伙伴的必要條件.

        除此之外,美軍每一代GPS 用戶裝備不斷加強(qiáng)選擇可用性和反欺騙,高度重視抗干擾技術(shù)的研究,不斷提高與抗干擾能力密切相關(guān)的天線抗干擾能力,因此安全性與密碼保障能力得到極大地提高.

        2)注重裝備建設(shè)的通用性

        GPS 軍用裝備沒有按照各軍兵種單獨(dú)發(fā)展,而是由JPO 統(tǒng)管,在裝備建設(shè)上盡量擺脫軍兵種特色,堅(jiān)持能通不專的原則,盡可能把每一型號應(yīng)用范圍擴(kuò)大,使同一型號在不同軍兵種廣泛應(yīng)用,減少裝備型號,進(jìn)而減少裝備研發(fā)重復(fù)投入和技術(shù)風(fēng)險,擴(kuò)大每種型號的生產(chǎn)規(guī)模,降低生產(chǎn)成本.比如對于加裝在飛機(jī)和艦船上的用戶裝備進(jìn)行了最大程度上的通用性設(shè)計(jì),美軍絕大部分飛機(jī)采用MAGR2000 接收機(jī),艦船則主要采用3S 接收機(jī).

        3)不斷提高模塊和芯片化水平

        美軍GPS 用戶裝備的發(fā)展道路經(jīng)歷了從箱式到插件,再到模塊的演化過程.圖5 為2008 年開始的MGUE 計(jì)劃,提出了以CGM 為核心的裝備建設(shè)發(fā)展思路,并基于CGM 開展GB-GRAM-M 和GRAMS/M 兩種嵌入式板卡.CGM 是美軍第三代GPS 裝備的核心組件,其實(shí)質(zhì)是對SAASM 模塊的進(jìn)一步強(qiáng)化,功能性能更為強(qiáng)大、安全性更高、體積功耗更小,集成應(yīng)用更為靈活.

        圖5 美軍現(xiàn)代化GPS 用戶裝備計(jì)劃

        4)重視裝備的向下兼容性

        GPS 用戶裝備每5~8 年進(jìn)行一次較大的裝備技術(shù)升級改造,約10~15 年進(jìn)行一次裝備換代.GPS用戶裝備在發(fā)展過程中具有高度的向后兼容性,每一次升級或換代都是在原有裝備基礎(chǔ)上的一次功能、接口的拓展和性能提升.以手持裝備為例,第一代手持機(jī)PLGR 經(jīng)歷了1997 和1999 年兩次升級,2004 年第二代手持裝備DAGR 開始裝備部隊(duì),第三代手持裝備也將不久開始裝備部隊(duì).DAGR 與PLGR 相比提升了裝備的安全性能、增加了圖形用戶界面和多項(xiàng)與作戰(zhàn)結(jié)合的實(shí)用功能,體積重量和功耗也大幅降低;而開發(fā)中第三代手持機(jī)在DAGR基礎(chǔ)上增加了M 碼的應(yīng)用能力.裝備的持續(xù)升級和向下兼容不僅最大限度地繼承了早期的技術(shù)成果,減小了研發(fā)投入和生產(chǎn)成本,而且極大減輕了裝備培訓(xùn)和維修保障難度.

        5)高度重視用戶裝備研制

        GPS 用戶裝備普遍具有功能強(qiáng)、性能好、應(yīng)用質(zhì)量可靠性高的特點(diǎn),受到美軍及其盟軍的高度認(rèn)可.例如,絕大部分用戶裝備的平均無故障時間(MTBF)指標(biāo)都在15 000 h 以上,訂貨量最大的GRAM 板卡超過了20 000 h,整機(jī)、天線、板卡的質(zhì)保期都達(dá)到10 年.GPS 用戶裝備之所以具備如此品質(zhì)與美軍對裝備研發(fā)階段的高度重視密不可分.

        美軍新一款GPS 用戶裝備從簽訂合同到大批量生產(chǎn)裝備部隊(duì)這個過程分為三個階段,即需求論證、總體設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程化、部隊(duì)試用和裝備完善,其中需求論證和總體設(shè)計(jì)在整個GPS 用戶裝備研制過程中是工作量最大也是最關(guān)鍵的階段,而大批量列裝前的部隊(duì)試用和裝備完善階段也得到高度重視.

        3 GPS 用戶裝備發(fā)展趨勢

        上世紀(jì)90 年代美軍提出了GPS 用戶裝備發(fā)展從箱式整機(jī)到板卡再到模塊、芯片,最終到嵌入式軟件的技術(shù)演化路線,并始終沿著這一路線發(fā)展,具體如圖6 所示.目前已進(jìn)入到模塊階段,可以預(yù)計(jì),未來10 年內(nèi)GPS 用戶裝備發(fā)展總的技術(shù)發(fā)展趨勢是向單芯片系統(tǒng)發(fā)展.此外,作為面向用戶的裝備,美軍還在以下幾個方面提出了裝備現(xiàn)代化的發(fā)展需求和思路.

        圖6 GPS 用戶裝備形態(tài)技術(shù)演化

        1)多GNSS 軍用接收機(jī)

        開發(fā)能夠接收GNSS 系統(tǒng)信號的軍用接收機(jī)是相關(guān)機(jī)構(gòu)在對上千名一線美軍士兵調(diào)研后得出的需求和建議.隨著世界各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)推進(jìn),用戶可接收的衛(wèi)星信號越來越多,應(yīng)用資源越來越豐富.相比于當(dāng)前只能接收兩個頻點(diǎn)的軍用信號的GPS 用戶裝備而言,多GNSS 接收機(jī)的抗干擾能力更強(qiáng),可用性更好,且定位精度更高.美軍自2008 開始的MGUE 計(jì)劃開發(fā)的CGM 模塊已能夠處理和應(yīng)用在L1、L2 兩個頻點(diǎn)上的所有軍、民導(dǎo)航信號,下一代CGM 將能夠接收GPS 所有信號和Galielo 的E1、E2、E5 信號.美軍的一些專家建議,應(yīng)當(dāng)開發(fā)能夠接收所有天基和地基PNT 信號的多GNSS 軍用接收機(jī).

        2)具有網(wǎng)絡(luò)中心能力

        美軍認(rèn)為,未來的GPS 用戶裝備不再僅作為獨(dú)立的用戶裝備,而且是作為具有自動上報(bào)功能的位置、時間和其他戰(zhàn)場信息的傳感器,因此未來的GPS 用戶裝備應(yīng)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合,具備豐富的通信手段和強(qiáng)大的通信能力.應(yīng)當(dāng)集成移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、Wi-Fi、藍(lán)牙等各種無線通信能力,為每個用戶裝備作為網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點(diǎn).

        3)不斷提高安全性與密碼保障能力

        美軍高度重視裝備的安全性,重點(diǎn)發(fā)展GPS 安全設(shè)施建設(shè),不斷提高密碼保障能力.GPS 用戶裝備在硬件結(jié)構(gòu)和密鑰結(jié)構(gòu)上極大提高了安全性,并通過改變GPS 軍用裝備的管理保障模式以及相關(guān)政策法規(guī)的保障,實(shí)現(xiàn)對軍用設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加注和最終應(yīng)用去向全過程的嚴(yán)格監(jiān)管與控制.因此,將安全性作為首要前提,通過技術(shù)改革和政策保障,不斷實(shí)現(xiàn)安全性與密碼保障能力的迭代提升,是GPS 用戶裝備的一大發(fā)展趨勢.

        4)不斷吸納民用技術(shù)優(yōu)勢

        軍用裝備具有安全性高、抗干擾能力強(qiáng),能在復(fù)雜電磁環(huán)境下獲得可靠的PNT 信息,但也存在人機(jī)界面不友好,應(yīng)用功能較為單一,便攜性不強(qiáng)等缺點(diǎn).因此,將先進(jìn)的民用產(chǎn)品技術(shù)和特色融入軍用產(chǎn)品中成為GPS 用戶裝備的又一發(fā)展趨勢.具體包括以下幾個方面:一是進(jìn)一步縮小裝備的體積、重量和功耗,提高裝備的便攜性和對各種主戰(zhàn)平臺的安裝適應(yīng)性;二是向智能化發(fā)展,采用Windows、Android、iOS等通用的操作系統(tǒng),開發(fā)友好、直觀的人機(jī)界面,具備應(yīng)用程序下載功能,通過軟件不斷豐富裝備功能;三是能夠?qū)崟r顯示三維地圖數(shù)據(jù)以及谷歌、衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù).

        4 結(jié)束語

        BDS 作為我國研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),對于我國軍事等領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義[10],而終端發(fā)展也十分必要.本文以美國軍用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備為主,對GPS 第一代、第二代、第三代典型用戶裝備及實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上總結(jié)GPS 用戶裝備的發(fā)展特點(diǎn),并對未來衛(wèi)星導(dǎo)航終端裝備的發(fā)展重點(diǎn)、最新發(fā)展計(jì)劃及發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析與預(yù)測,希望能夠?qū)ξ覈鳥DS 終端發(fā)展提供一定借鑒.

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