美國“全球定位系統”(GPS)要“升級”(附圖)
發(fā)布日期:: 2011/9/28 作者來(lái)源:: 新浪網(wǎng)/衛通達
GPS“星座”
美軍士兵利用GPS進(jìn)行精確定位
美國GPS系統要“升級”——透析美國GPS現代化計劃
栗靖 蔡君峰 周新心
美國的“全球定位系統”(GPS)，是目前世界上應用最廣泛的導航定位系統，該系統從提出到組建完畢歷時(shí)20年，耗資200多億美元。自海灣戰爭美軍首次使用GPS于實(shí)戰以來(lái)，G
核潛艇定位引出衛星導航系統
上世紀60年代初，美國研制成功潛射彈道導彈后，確定發(fā)射導彈的核潛艇位置，成為美軍的一個(gè)重要技術(shù)難題，促使美國成為世界上最早研制和應用導航衛星的國家。目前，美國已發(fā)展了兩代導航定位系統。
1964年，美國海軍初步建成并交付使用的“子午儀”，是美國第一代天基導航定位系統。該系統是基于雙頻多普勒測速導航體制設計的，由于使用衛星數量較少，不能實(shí)時(shí)定位；運行軌道低，難以精密定軌；導航信號頻率較低，難以修正電離層延遲誤差等，無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)軍事用戶(hù)實(shí)時(shí)、高精度的導航定位需求。為了更有效地滿(mǎn)足全球范圍精確導航定位的軍事需要，1973年，美國國防部批準海陸空聯(lián)合研制第二代導航定位系統，即能測時(shí)測距的“導航星全球定位系統”，簡(jiǎn)稱(chēng)“全球定位系統”(GPS)，1994年3月，由24顆衛星組成的導航“星座”部署完畢，標志著(zhù)GPS的正式建成。
30顆衛星構建現代GPS體系
GPS空間部分目前共有30顆、4種型號的導航衛星，其中6顆為技術(shù)試驗衛星。24顆導航星分布在6個(gè)軌道平面內，每個(gè)近似圓形的軌道平面內各有4顆衛星均勻分布，可以保證在全球任何地點(diǎn)、任何瞬間至少有4顆衛星同時(shí)出現在用戶(hù)視野中。
自GPS全部建成以后，它就晝夜不停地向地面發(fā)送導航定位信息，提供精確、連續的三維位置和速度、時(shí)間信息。通過(guò)GPS終端，使用戶(hù)在地球表面的任何地方，僅需幾秒鐘到十幾秒鐘就能夠確定自己的位置和精確時(shí)間，獲得相關(guān)的導航信息。由于GPS采用廣播的形式發(fā)送導航信息，地面用戶(hù)直接接收信號，因而可向無(wú)限多的用戶(hù)提供服務(wù)。
美國在GPS設計時(shí)提供兩種服務(wù)。一種為標準定位服務(wù)，利用粗碼(民碼)定位，提供給民間及商業(yè)用戶(hù)使用。目前GPS民碼單點(diǎn)定位精度可以達到25米，測速精度0.1米／秒，授時(shí)精度200納秒。另一種為精密定位服務(wù)，利用精碼(軍碼)定位，提供給軍方和得到特許的用戶(hù)使用，定位精度可達10米。
由衛星導航擴展到軍事各領(lǐng)域
在信息化時(shí)代，GPS已成為高技術(shù)戰爭的重要支持系統。它極大地提高了美軍的指揮控制、多軍兵種協(xié)同作戰和快速反應能力，大幅度地提高了武器裝備的打擊精度和效能。具體說(shuō)來(lái)，GPS在軍事上的應用主要有以下幾個(gè)方面：
全時(shí)域的自主導航。GPS的主要功能就是自主導航，利用接收終端向用戶(hù)提供位置、時(shí)間信息，也可結合電子地圖進(jìn)行移動(dòng)平臺航跡顯示、行駛線(xiàn)路規劃和行駛時(shí)間估算，從而大大提高部隊的機動(dòng)作戰和快速反應能力。
各種作戰平臺的指揮監控。GPS的導航定位和數字短報文通信基本功能可以有機結合，利用系統特殊的定位體制，將移動(dòng)目標的位置信息和其他相關(guān)信息傳送至指揮所，完成移動(dòng)目標的動(dòng)態(tài)可視化顯示和指揮指令的發(fā)送，實(shí)現戰區移動(dòng)目標的指揮監控。
精確制導和打擊效果評估。GPS制導有精度高、制導方式靈活等特點(diǎn)，已成為精確制導武器的一種重要制導方式。在近幾場(chǎng)高技術(shù)局部戰爭中，美軍使用精確制導導彈和炸彈的比例比海灣戰爭時(shí)增加了近100倍，而它們全部或大部分都依靠GPS制導。GPS還可以對打擊目標命中率進(jìn)行評估。在裝有GPS接收終端的彈藥擊中目標引爆的瞬間，觸發(fā)用戶(hù)機進(jìn)行定位，并將位置信息和時(shí)間信息迅速傳送到指揮中心，從而進(jìn)行命中率評估，其評估效果已在伊拉克戰爭中得到充分檢驗。
未來(lái)單兵作戰系統保障。主要利用定位和通信功能，為單兵提供位置信息和時(shí)間信息服務(wù)，同時(shí)可將單兵的位置信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)傳送到指揮機構，并及時(shí)向單兵發(fā)送各種指令，提高單兵作戰和機動(dòng)能力。在科索沃戰爭中，美軍的F-117隱形飛機被擊落后，由于飛行員配備了GPS接收機的呼救裝置，從而使美軍能搶在南聯(lián)盟軍隊之前，在7小時(shí)內找到并救出飛行員。
軍用數字通信網(wǎng)絡(luò )授時(shí)。利用GPS可提供高精度授時(shí)，為軍用通信網(wǎng)絡(luò )提供統一的時(shí)標信息，從而使通信網(wǎng)絡(luò )速率同步，保證通信網(wǎng)中的所有數字通信設備工作于同一標準頻率上。
然而，在近幾場(chǎng)局部戰爭中，GPS也暴露出了一些問(wèn)題。首先是GPS信號的抗干擾能力較弱。因為在一般情況下，從衛星反饋到地面的信號很小，如果對方采取各種干擾措施，就會(huì )使GPS接收機無(wú)法正常工作，從而使其導航定位精度降低或產(chǎn)生誤導。在伊拉克戰爭中，伊軍在其境內部署了一些GPS干擾裝置，結果使美軍的GPS制導武器大失水準，有部分導彈甚至飛到了伊朗、土耳其境內。另?yè)蟮?，俄羅斯目前已經(jīng)研制成功一種手持式GPS干擾器，可干擾150公里范圍內的GPS信號。其次，各國目前都高度重視導航定位系統的發(fā)展，美國GPS一統天下的時(shí)代受到了威脅。俄羅斯和印度合作恢復“格魯納斯”系統，歐盟及其他國家合作建立“伽利略”系統，其性能都絲毫不遜色于美國的GPS。在美國看來(lái)，其他系統的建立對美國的太空利益構成了重大威脅。
五項計劃為GPS系統升級
為了能使GPS更好地滿(mǎn)足軍事、民間和商業(yè)用戶(hù)不斷增長(cháng)的應用需求，美國決定用先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)和完善GPS系統。其現代化計劃主要包括以下內容：
增加新的GPS信號。美國計劃在2005~2008年發(fā)射8顆改進(jìn)的導航衛星，在衛星上播發(fā)新的軍碼和第二民碼，同時(shí)計劃在2006~2010年發(fā)射的導航星上增設第三民碼。新增軍碼信號將比現在使用的信號強度高得多，具有較強的發(fā)射功率、抗干擾能力和保密性能等優(yōu)點(diǎn)，以便于軍用接收機直接捕獲。
新增軍碼還使得美軍在戰時(shí)有權對某一地區的其他信號進(jìn)行干擾或暫時(shí)關(guān)閉，剝奪對方使用GPS信號的能力。
第二民碼與以前的民碼相比，具有較強的數據恢復和信號跟蹤能力，能進(jìn)一步提高導航定位精度。
增設第三民碼，主要是為了防止機場(chǎng)的地面引導雷達對民航使用的GPS信號造成干擾。
研發(fā)新一代軍用GPS接收機。為提高GPS的抗干擾能力，美國正在研制新一代軍用GPS接收機。在新型GPS接收機中，最重要的兩項技術(shù)是GPS接收機應用組件和防欺騙模塊。其中接收機應用組件是一種標準電子插件，可將其加在未來(lái)的飛機、艦艇、導彈和各種武器中，目的是確保安全性、互通性，減少非標準接口、定義和功能的數目。防欺騙模塊是第二代的GPS技術(shù)產(chǎn)品安全模塊，用于保護保密的GPS算法、數據和校準。
增強和關(guān)閉GPS發(fā)射信號。針對GPS信號容易受干擾和被他國戰時(shí)利用的弱點(diǎn)，目前美軍正設法增加GPS導航衛星的1個(gè)可控窄波束天線(xiàn)，并通過(guò)該窄波束天線(xiàn)增大發(fā)射功率來(lái)提高信號強度。其中可控天線(xiàn)至少能使4顆衛星的波束指向某一作戰區域，而地球上其他區域的接收信號強度卻不會(huì )明顯降低。這樣就會(huì )迫使敵方提高干擾機的信號功率，以確保其干擾的有效性。隨著(zhù)干擾機體積的增大和干擾功率的增加，干擾機更容易被探測，更容易受到“哈姆”反輻射導彈武器的攻擊。同時(shí)，美軍在戰時(shí)也可通過(guò)控制衛星波束天線(xiàn)的指向，暫時(shí)關(guān)閉某一地區的GPS信號，從而可使對方軍隊難以利用GPS系統。
改善地面設備。主要工作包括：更新GPS地面測控設備，增加地面測控站的數量；用新的數字接收機和計算機來(lái)更新專(zhuān)用的GPS監測站和有關(guān)的地面天線(xiàn)；采用新的算法和軟件，提高測控系統的數據處理與傳輸能力等。
GPSⅢ計劃。當前的GPS現代化工作能使星座維持運行到2010年，為了滿(mǎn)足到2030年的軍、民用要求，美國已著(zhù)手開(kāi)發(fā)GPSⅢ和相關(guān)的地面控制網(wǎng)，以便在2010年后使用。
GPSⅢ計劃的目標是，提供能滿(mǎn)足當前和未來(lái)軍、民兩用需要的GPS結構方案。從2004年起，美國國防部開(kāi)始研究GPSⅢ的采購和結構概念，以便驗證系統要求。GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設計方案，放棄現有的24顆中軌道衛星，采用全新的33顆高軌道加靜止軌道衛星組成。GPSⅢ的衛星首次發(fā)射計劃定于2009年，全部衛星在軌運行將在2015~2020年實(shí)現。據介紹，與現有GPS相比，GPSⅢ的信號發(fā)射功率將提高100倍，信號抗干擾能力提高1000倍以上，授時(shí)精度將達到1納秒，定位精度提高到0.2~0.5米，這樣可以使GPS制導彈藥的精度達到1米以?xún)取?
通過(guò)實(shí)施現代化計劃，GPS的定位、導航和授時(shí)能力將得到進(jìn)一步提高。改善后的GPS將為美軍提供抗干擾能力更高和信號安全性更好的服務(wù)，同時(shí)可在未來(lái)作戰中剝奪其他國家使用GPS的權力。
整理：洪麓豐
