美军ＧＰＳ系统及其技术发展

■　袁　俊   
《中国航天》2006年第05期　
　　一、GPS系统的基本组成，功能和作战使用
　　
　　GPS系统由导航卫星、地面监控设备和GPS接收机组成。
　　导航卫星由分布在6个地球椭圆轨道平面上的24颗卫星组成，距离地球17700km，若将与赤道面倾角55‘的轨道面作为第一个轨道面，其它5个轨道面则均以此为基准，彼此各以60‘相交。卫星运行周期11．58h，每个轨道平面上部署4颗卫星(21颗工作星，3颗备份星)，覆盖角为5‘。地球上任何地方任何时间都可以观测到4颗以上的GPS卫星，保持定位精度，从而提供连续的全球导航能力。导航卫星的任务是接收和储存来自地面监控设备发送来的导航定位控制指令，微处理器进行数据处理，原子钟产生基准信号和精确的时间基准，向用户连续发送导航定位信息。
　　地面监控设备由1个主控站、3个注人站和5个监测站组成，通过专用的通信数据链连接。
　　主控站设在美国科罗拉多州的彼得森空军基地，任务是汇总处理卫星观测数据和全球气象数据，编制导航定位指令，发送到注入站，调整卫星运行姿态，纠正卫星轨道偏差，进行卫星轨道和时钟校正参数计算，同时还协调、指挥、管理空间卫星和地面监控设备，监控卫星对用户的指令发送。
　　3个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰岛，任务是将主控站送来的导航、定位控制指令通过S波段发送至飞过头顶的卫星；5个监测站分别设在彼得森空军基地、阿森松岛、迪戈加西亚岛、卡瓦加兰岛和夏威夷，任务是监测卫星观测数据和全球气象数据，将数据发送到主控站。
　　GPS接收机是微波接收机，具有半球覆盖和抑制仰角小于5‘的信号能力，任务是对发送的导航、定位指令进行计算，得到用户所在的位置、速度和时间。
　　GPS信号的上行通道由用户和地面测控站向卫星发送导航定位控制指令；GPS信号的下行通道向用户接收机传送导航定位信息。导航卫星连续发射一定频率的无线电信号。这些卫星可以作为全球任何一个目标的参照物。GPS接收机只要选取4颗卫星的信号进行分析，就能够确定自己的位置。
　　导航卫星的核心是一个L频段振荡器，产生两个相关的载波Ll(1575．42MHz)和L(1227．6MHz)，GPS的信息由相位调制加载在LI和IQ频段上发射，可使GPS用户在任何时刻获得卫星的近似位置和卫星发射信号的时间(在GPS时间框架内)，由此确定自己的位置。
　　导航卫星能在全球范围内向任意多的用户全天候、实时、连续地精确提供三维位置坐标、三维速度和时间基准信息。这些信息包括：民用L1频段上的C/A码(粗捕获码)，实时定位精度30m左右，所有GPS用户都能接收；军用L1和L2频段上的P(Y)码，精度高于C/A码10倍。Y是P的加密型(P码也称精码或保密码)。
　　GPS系统提供标准定位服务(SPS)和其它特许服务(PPS)。
　　SPS是民用服务。它在和平时期为用户免费提供用于商业和科学领域的空间信号，包括地球科学研究，地图测绘，资源探测，火箭试验，空中通信，飞机、舰船导航，紧急救援，等等。
　　PPS是军用服务。GPS系统投入运行后，为确保美国的国家利益，采取了如下措施：在国家政策上，PPS仅限于美国及27个盟国和地区的军方使用；在系统安全上，只保证PPS的完好性；SPS受控使用，而且实施选择性战略，可人为地降低导航、定位精度。其核心有三点：一是保证在敌方进行导航战的情况下，美国能够正常使用GPS系统；二是阻止敌方利用GPS系统进行导航、定位；三是保障战区以外的民用用户正常使用GPS系统。
　　
　　二、GPS系统已成为美军实现未来作战思想和全球战略的关键
　　
　　1991年海湾战争爆发时，尚在研制的GPS系统提前投入使用。当时美军的导航卫星只有15颗，每天提供15h的服务。它为防区外发射的空对地导弹提供精确的中制导；在高密度空袭中，为几百架飞机提供精确导航，提高了F-16和B-52的攻击精度；为隐身飞机和巡航导弹选择隐蔽的进攻路线。在沙漠中，它为部队行军提供精确定位。美国国防部长切尼曾说，“GPS对战争的胜利起到了重要作用。伊拉克绝对不会想到，在没有任何地形特征的情况下，我军能够胜利地横穿西部沙漠”。
　　海湾战争期间，美军使用GPS制导的武器仅为8%，制导精度和抗干扰能力有限。到科索沃战争时，美军和北约盟军使用GPS制导的武器达到了90%，利用导航卫星对南联盟的军事和民用目标进行精确打击。
　　GPS系统有如下优点：(1)提供精确的三维(经度、纬度、高度)导航数据，时间精确到百万分之一秒，速度精确到每小时千分之一英里(1英里≈1．609km)，定位精确到几英尺(1英尺≈0．3m)； (2)全天候工作，不受气候条件影响；(3)导航不受地形地貌变化影响； (4)定位精度不随距离和时间漂移； (5)采用GPS精确制导的武器，重量减轻，具备远距离、大纵深的目标攻击能力。
　　目前，GPS系统为美军几万个GPS用户提供空间导航、定位和精确武器制导服务，主要包括：
　　●采用GPS/INS制导的弹道导弹、巡航导弹、空空导弹、防区外发射的空对地导弹、反辐射导弹和反舰导弹等。
　　●GPS/INS制导炸弹。利用卫星给出的经纬度和速度进行炸弹飞行的惯性误差修正，使GPS/INS制导炸弹可全天候使用，命中精度达lO～15m，用于装备B-2隐形轰炸机。
　　●GPS辅助制导炸弹、GPS辅助瞄准系统，装备B-2隐形轰炸机。
　　●军用飞机内置GPS/INS制导系统。
　　●采用GPS精确定位的常规空射巡航导弹，用于装备B—52战略轰炸机。
　　●在电子对抗、反潜、扫雷、救援作战中，广泛采用GPS系统。例如，飞行员在飞机被击落后，使用HOOK-112无线救生装置，为营救人员指引方向。新研制的“作战幸存者逃逸者定位器” (CSEL)具有与友邻部队超视距安全通信的能力。海军航母编队目前装备的数据链系统可通过导航卫星来了解战场环境和态势。
　　GPS/INS制导系统属于“发射后不管”的自主制导方式，成本低，全天候工作，是空对地导弹制导方式的首选。随着GPS/INS制导系统成本的降低，美陆军和海军的一些炮弹也将采用GPS/INS制导。美国IEC公司已研制了微型GPS接收机，安装
在带有辅助器的炮弹头上。它能够承受炮弹发射时12500g以上的过载，可在6s之内截获GPS信号，并接收8颗卫星的信号。
　　美空军科学顾问委员会认为， “获取全球状况的几乎所有过程都需要绝对精确的定位、定时信息，而采用GPS卫星系统是最可靠、费用最低的方法”。GPS系统有助于提高美军快速战略机动能力(精确着陆和全球任何地点投放)、快速反应能力、精确打击能力和威慑能力。利用GPS系统后将逐步减少或取代陆基导航系统。
　　美国公共法案规定，2000年9月30日以后，国防部任何飞机、舰船、装甲车辆以及非直接火力武器系统，如果不配备GPS接收机，将不能获得采购或改进资金。美国防部已制定了GPS接收机采购的综合计划，将在所有100多种不同类型和型号的18000多架飞机上使用GPS接收机。
　　GPS系统对保持美军全球作战的信息优势和快捷的战场支援十分重要。按照“美军空间司令部2020年构想”，到2020年，陆、海、空军的导航、通信、气象、侦察、预警等航天器将以网络形式互联成为空间网络，空间网络的时间和空间信息都来自GPS系统，向各种武器平台提供联合作战能力，实现全球战场信息态势和全球打击力量共享。这将极大地扩展卫星的应用领域，真正体现GPS系统无所不在的应用潜力。
　　欧盟与美国经过多年的艰苦谈判，于2004年6月26日签署了《关于促进、提供和使用伽利略与GPS星基导航系统及其相关应用的协议》，从而使两个系统实现相互兼容与相互操作性。从协议中可以看出，美国最终迫使欧盟同意将伽利略系统纳人美国导航战的轨道，并严防伽利略系统的敏感技术、产品和有安全保障的政府服务(PRS)转移到第三方国家。
　　
　　三、GPS系统的改进和展
　　
　　GPS系统的第一颗导航卫星于1978年2月22日发射。目前在轨运行的卫星GPS-2/2A属第二代。GPS-2/2A的外形尺寸为2．4mx2Amx3．7m，质量为986kg。GPS-2的电源功率为700W，设计寿命为6年。GPS-2A的电源功率为1136W，设计寿命为7．5年。
　　第二代导航卫星存在如下缺陷：
　　●抗干扰性能差，发送的信号很弱。即使在头顶上运行的卫星，其信号到达GPS接收机天线时，也只有3．7x10-10W。如此微弱的信号，极易受到干扰。
　　●导航精度低。为保持测距精度，地面监控设备要每天更新星历和星钟系统；一旦地面监控设备受到破坏，GPS系统难以正常工作，用户就不能得到高精度定位。
　　●导航资源容易被别国利用。GPS系统是典型的军民两用系统，别国可借用美国的卫星对飞机、舰艇、导弹和军事行动进行导航，对武器提供GPS精确制导。
　　提高导航和定位精度已成为美军提高全球作战打击能力的主要措施之一。美军从1995年开始研制第三代导航卫星GPS-2R/2Po GPS-2R将替换GPS-2，而GPS-2F将替换GPS-2A。GPS-2R由洛克希德．马丁公司研制，GPS-2F由波音公司研制。目前GPS-2R/2F卫星只发射了3颗。1997年7月23日发射的GPS-2R外形尺寸为2Amxl．8mx3m，质量1075kg，设计寿命10年。2003年发射的GPS-2R-M和2005年发射的GPS-2F设计寿命为15年。
　　1996年，美国总统克林顿宣布，美国政府将在10年内逐步废除GPS系统的定位参数选择，为军用频段提供尽可能高的导航、定位精度。1996年3月29日，美国政府发表GPS政策声明。美国国防部声称，要“发展防止敌方使用GPS的措施，以确保美国在不严重破坏和降低民用情况下保持其军事优势。”1998年，美国副总统戈尔宣布，美国政府决定对GPS系统进行改进，以加强美国及其盟国对GPS系统抗干扰能力和美国军事行动信号使用的安全性。GPS系统改进的内容主要包括：
　　●提高卫星的集成度、可靠性和抗干扰能力。增强卫星发射信号强度，增加GPS系统的军用信号强度和抗干扰能力，采取技术措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰。
　　●设计新的卫星信号结构。在GPS-2F上，将民用和军用信号频段分开，在新的军用信号结构中增加密码和保密功能。
　　●改进卫星导航和定位精度，定位精度达到米级，定时精度达到纳秒级。在GPS-2F上增加第 3个民用频段L5(1176．45MHz)，在16载波上加载第2个C/A码信号。L5频段的信号使导航卫星具有更优越的定位性能，同时在L2载波上增加两个新的民用信号。
　　●卫星发射两种信号：提供民用的C/A码；提供美军、盟军以及美国政府批准的用户使用的P码。L1频段以1575．42MHz发射C/A码和P码，L2频段以1227．6MHz发射P码。
　　GPS-2/2A的信号发射功率只有20～30W，GPS-2R/2F在近期有可能提高到500W以上，届时GPS接受机收到的信号噪声比将有很大的提高，从而提高抗干扰能力。
　　目前，美军正在对GPS系统进行的改进内容包括：
　　(1)更新地面监控设备，增加“可调功率”，提高地面监控设备监测卫星信号的能力和抗干扰能力。
　　(2)采用P(Y)码直接捕获信号、自适应调零天线、L1自适应天线补偿器，提高GPS接收机的抗干扰性能，最终使其获得120dB的抗干扰能力。
　　(3)设立第2、第3民用信号频段，进行军民信号隔离，确保军用信号频段的可靠使用。在2003年开始发射的GPS-2R上设立第2民用信号频段，2007年在18颗卫星上实现，进而在整个轨道面上获得这种能力。在2005年开始发射的GPS-2F上，将第2民用信号频段改为第3个民用频段L5,2011年在18颗卫星上实现。
　　(4)在GPS-2R上，设计要求具备在核战争中生存下来的能力。为此，改进了卫星天线，采用可控的窄波束天线，集中至少4颗卫星发射的信号，并将其指向地球的某一区域，而其它区域接受信号的强度不会明显降低，抗核辐射和激光辐射的能力有所提高；采用新的结构，提高卫星的抗毁能力；卫星无需地面监控设备的干预，当地面监控设备遭到破坏时，依靠空间的通信链路，能够实现自主运行180天高精度的导航、定位服务。
　　(5)在GPS-2F上，抗干扰、抗核打击的能力进一步提高。到2011年，所有卫星将由GPS-2F组成，导航、定位精度达到3m，定时精度达到3ns，可覆盖地球的陆地、海面、空中、地球低轨道和50%的地球中轨道。
　　为满足未来30年对导航战的需求，美军已开始研制性能更加优越的导航卫星GPS-3系统。它由分布在3个地球同步轨道平面的33颗卫星组成，计划于2011年开始发射。美军称，GPS-3的信号比GPS-2R/2F增加了20dB，测距误差控制在lm之内。除具备GPS-2R/2F的性能外，GPS-3还有以下特点：
　　●P(Y)码功率比现有功率提高20～30dB。
　　●军用频率带宽为80～100MHz，频率由L波段上升到S、C波段。设立专门的军用M码，其信号发射功率大，不干涉C/A码和P码的接收。M码有单独的发射链路和天线孔径，卫星可在同一载波上发射两个M码，同时能干扰敌方对M码的利用。
　　●改进计时系统，用铯原子钟代替铷原子钟，以提高定时精度。
　　．提高空间导航信号的可靠性和安全性，一旦卫星出现故障或信号超差，报警时间由30min缩短为lmin。
　　●卫星上增加一个3m的可调制L波段天线，增加天线增益20dB，加装“GPS空间时间干扰接收机”，大幅度提高抗干扰能力。
　　●改善卫星之间的通信链路，卫星信号采用点波束。可控制的高功率点波束照射地球的某一区域，使该区域GPS接收机的信号功率大大增加。
　　●采用射频干扰检测、前端滤波、环码和载波环跟踪增强、窄带干扰处理以及模块化等技术，提高抗干扰能力等。