美國ＧＰＳ的現(xiàn)代化建設及其最新進展

袁兆紅　王　寬　張文忠

美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)始建于20世紀70年代，是美國當年在與前蘇聯(lián)爭霸中，為滿足可能爆發(fā)的世界范圍的戰(zhàn)爭和軍事沖突需求，達成軍事目標而興建的。后來，前蘇聯(lián)解體，而美國出于局部戰(zhàn)爭和地區(qū)沖突的考慮，并沒有因此而廢除GPs系統(tǒng)。1991年，海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)美軍嘗試著用當時只有16顆在軌衛(wèi)星的GPS系統(tǒng)來支持多國部隊作戰(zhàn)，結果取得了前所未有的作戰(zhàn)效果。美國從中受到鼓舞，進而堅定了繼續(xù)發(fā)展GPS系統(tǒng)的決心。

GPS于1993年達到初始工作能力，1995年達到全運行工作能力，是目前符合國際民航組織(ICAO)標準的導航系統(tǒng)中惟一能夠實現(xiàn)全球性、全方位、全天候，高精度、快速實時的三維導航、定位、測速和授時功能的系統(tǒng)，目前在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中占據(jù)壟斷地位。

系統(tǒng)概述

GPS由空間星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設備三部分組成。空間星座由均勻分布在6個軌道面內的21+3顆衛(wèi)星組成，每個平面上4顆，軌道平均高度約為20200千米，運行周期為718分。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要控制整個系統(tǒng)和時間，負責軌道監(jiān)測和預報。用戶設備，即GPS接收機，它的主要作用是能夠直接實時地計算出三維位置，速度和時間。

GPS衛(wèi)星采用碼分多址(CDMA)技術在L1(1575.42 MHz)和L2(1227.6MHz)兩個頻率上廣播測距碼和導航數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供兩種信號服務；P碼和C／A碼。P碼，即精碼，用于為美國授權的軍方用戶和指定的政府機構以及盟軍提供精密定位服務，C／A碼，即粗碼，精度比P碼低容易被捕獲，用于為民用用戶提供標準定位服務因此，GPS是一種雙重用途的系統(tǒng)，在軍事方面，GPS可為部隊或裝備導航、定位，為精確武器制導，使C⁴ISR系統(tǒng)完整、有效、一體化。GPS是美軍全球快速投送?？罩衅脚_加油、遠程作戰(zhàn)精確打擊能力以及及時發(fā)現(xiàn)選擇，跟蹤和瞄準目標能力的重要支撐。

GPS的現(xiàn)代化計劃

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。為此，美軍把解決下列問題作為建設重點：

一是新技術的開發(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支援和保障軍事行動需求：

二是抗干擾能力的增強。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哚比較低，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。

三是衛(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”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)。

四是有效競爭。面對歐洲“伽利略”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的興建和俄羅斯“格洛納斯”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。于是，美國在1999年1月推出了“GPS現(xiàn)代化”計劃。

GPS現(xiàn)代化的主要內容及舉措

根據(jù)美軍GPS現(xiàn)代化建設要求，美軍重點采取了以下技術措施：一是取消SA政策(已在2000年5月1日零點開始執(zhí)行)，使民用實時定位和導航精度提高3～5倍，二是在L2頻道上增加第二民用碼，即C／A碼。這樣用戶就可以有更好的冗余觀測。提高定位精度，改善電離層誤差。此外增加L5民用頻率，頻段采用L1、L2和L5三個民用信號采用L1C／A，L1C，L2C，L3C共四個，將軍、民信號分開，避免相互影響，三是研發(fā)新一代GPS系統(tǒng)——GPSⅢ并改變未來GPSⅢ系統(tǒng)的結構設計。

GPS的現(xiàn)代化進程

GPS現(xiàn)代化計劃以空間部分的建設為重中之重，這部分大體分為三個階段實施第一階段，首先進行GPS ⅡA、GPS ⅡR衛(wèi)星向改進型GPS ⅡR衛(wèi)星過渡，此階段以發(fā)射GPS ⅡR－M衛(wèi)星為標志，第二階段以發(fā)射GPS ⅡF衛(wèi)星為標志，計劃到2010年以后使GPS ⅡF具備初始工作能力，到2020年以后，星座全部成為GPS ⅡF衛(wèi)星，第三階段計劃用20年左右的時間，完全取代GPSⅡ代衛(wèi)星。這一階段以發(fā)射GPS ⅢA、GPSⅢB和GPS ⅢC衛(wèi)星為標志，GPS系統(tǒng)的現(xiàn)代化建設進程如表1所示。

從上表中可以發(fā)現(xiàn)，美國從GPSⅡR－M衛(wèi)星和不久可能發(fā)射升空的GPS ⅡF衛(wèi)星開始，其上都采用了M碼，M碼是一種新的加密軍用信號，加載在L1和L2載波上，具有發(fā)射功率高、抗干擾能力強和保密性能好等特點。增加M碼后使軍民信號徹底分開，實現(xiàn)了無需民用信號引導就可直接訪問M碼信號能力，能更好地滿足軍事需求。

GPS經(jīng)現(xiàn)代化改造后能夠使民用用戶獲得更多好處，其一是獲得增強的抗干擾能力，其二是能夠補償電離層延遲帶來的誤差：其三是可在精確載波相位測量模式下解決因跳周而引起的整數(shù)模糊。而就軍用而言，新的頻譜分離信號將提供的好處也有三個方面，一是保護友方使用，二是阻止敵方使用，三是保持選定操作區(qū)域(Areas of Operation，AOO)以外的民用信號繼續(xù)使用，就軍民兩種應用而言，系統(tǒng)都會在精確性、有效性、完整性和可靠性方面有極大提高，從而增強了GPS的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的精度和安全性。

現(xiàn)狀與發(fā)展

GPS衛(wèi)星目前共發(fā)展了兩代，第一代即GPS Ⅰ，屬于雙頻率L1和L2基本型。第二代，即GPSⅡ，分為4個系列：GPS Ⅱ、GPSⅡA、GPS ⅡR(GPS ⅡR－M)和GPS ⅡF其中后面的大寫字母，A表示“新型”，R表示“替補”，M表示“現(xiàn)代化”，F(xiàn)則表示“后續(xù)”。目前，GPS的在軌衛(wèi)星主要是第二代的GPS ⅡA、GPS ⅡR和GPS ⅡR－M系列；GPS ⅡF衛(wèi)星尚未發(fā)射，GPSⅢ正在研發(fā)中。GPS衛(wèi)星星座組成及發(fā)展情況見表2。

GPS ⅡF衛(wèi)星

GPSⅡF衛(wèi)星屬于GPSⅡA和GPSⅡR的后續(xù)衛(wèi)星系列，GPS ⅡF由波音公司研制，衛(wèi)星設計壽命為15年。GPSⅡF衛(wèi)星具備更強的抗干擾、抗打擊能力，其軍用定位、授時精度都得到了大幅度的增強。最主要的改進包括在1176 45MHz頻段上增加第三個民用信號L5，衛(wèi)星采用柔性的有效載荷軟，硬件設計，并采用特高頻(uHF)星間鏈路與星座中的其他衛(wèi)星連接，使系統(tǒng)具有執(zhí)行自主導航能力和支持核爆炸探測附屬有效載荷的星間鏈路操作能力。

GPSⅢ衛(wèi)星

為了克服GPS Ⅱ系統(tǒng)結構固有的缺陷，GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設計方案，改變現(xiàn)有的體系結構有可能采用與俄羅斯

的“格洛納斯”和歐洲“伽利略”系統(tǒng)相同的3軌道面的地球靜止軌道設計方案，系統(tǒng)具備柔性的在軌可編程和冗余硬件自主管理功能，可在L1，L2、L3、L4和L5頻段上調制導航及相關信號；具有向后兼容能力，可滿足未來30年系統(tǒng)技術擴展需求，衛(wèi)星設計壽命為15年。GPSⅢ主要性能指標見表3。

近期，GPS系統(tǒng)取得了如下重要進展：

其一，GPS ⅡR-18M、19M發(fā)射成功，并開始提供在軌服務。成功發(fā)射的GPS ⅡR-18M衛(wèi)星已于2008年1月全面投入運行；GPS ⅡR-19M也于同年3月發(fā)射成功，并完成在軌部署，現(xiàn)已開始向全球軍民用戶提供服務。GPS ⅡR-M由美國洛克希德·馬丁公司研制。按計劃，該公司應為美空軍研發(fā)20顆GPS ⅡR衛(wèi)星，后來根據(jù)美軍GPS現(xiàn)代化計劃要求，要對其中的8顆GPS ⅡR衛(wèi)星進行現(xiàn)代化改造。經(jīng)過改造的衛(wèi)星就是前面提到的GPS ⅡR－M衛(wèi)星。新近發(fā)射成功的GPS ⅡR-18M和GPS ⅡR一19M兩顆衛(wèi)星分別是美軍8顆現(xiàn)代化GPS ⅡR-M系列衛(wèi)星中的第5顆和第6顆。待全部8顆帶有M碼的衛(wèi)星發(fā)射完成后，衛(wèi)星星座將會得到極大優(yōu)化，能力得到增強。

其二，首顆GPS ⅡF衛(wèi)星完成環(huán)境試驗。首顆GPS ⅡF衛(wèi)星現(xiàn)已完成了環(huán)境試驗、機械太陽能帆板部署等多項試驗。此外，經(jīng)過升級改造的控制段軟件也已交付。軟件的交付日期比計劃安排提前了一個月，工作進展順利。上述試驗對于GPS ⅡF衛(wèi)星來說非常重要，“具有里程碑意義?！?/p>

其三，GPS ⅢA衛(wèi)星合同授出。一份價值為14.64億美元的GPS ⅢA合同現(xiàn)已授出，合同期是2008至2017財年。GPS Ⅲ采購戰(zhàn)略分三步實施，劃分為：GPSⅢA，GPS ⅢB和GPS ⅢC。GPS ⅢA合同將采辦8顆衛(wèi)星(可能追加采辦4顆)，GPSⅢB將采辦8顆衛(wèi)星，合同預計在2013年授出，GPS ⅢC將采辦16顆衛(wèi)星，合同預計在2015年授出。此次授出的GPS ⅢA合同將為GPS系統(tǒng)提供更大的增強功能，包括增加了新的與“伽利略”系統(tǒng)兼容的民用L1C信號，增強地面覆蓋軍碼(M碼)的抗干擾能力等。

今后授出的GPS ⅢB和GPS ⅢC衛(wèi)星還將有新的進步：GPS ⅢB將實現(xiàn)交叉鏈接的指揮與控制結構，這將允許所有GPSⅢ衛(wèi)星可通過單個的地面站升級，而無需等到每顆衛(wèi)星都處于地面天線的視野內時才進行。GPS ⅢC將配備一個高功率的點波束，用來傳遞更為強大的軍碼信號，以此增強抗干擾能力。

其四，GPS地面站升級演示驗證完成。GPS地面站控制著目前在軌的GPS衛(wèi)星以及將來加入該衛(wèi)星星座的新型GPS衛(wèi)星。美軍現(xiàn)已成功地完成了GPS地面站“結構改進計劃”(ArchitectureEvolution Program，AEP)的系統(tǒng)演示。AEP系統(tǒng)是為了改進GPS系統(tǒng)主控站的性能而設計的，由軟件和硬件兩部分組成。AEP使GPS主控站的指揮控制系統(tǒng)模塊化，更便于日后更新，AEP也極大地提高了主控站維持GPS系統(tǒng)能力以及用戶終端定位精度。GPS系統(tǒng)的地面控制部分在過去的20年里也進行了許多重要的改進，但此次的升級改造則是首次對GPS指揮控制操作能力的重要更新，同時，也是整個GPS計劃中最大，最復雜的升級工作。此次升級除了能夠實現(xiàn)對所有現(xiàn)役GPS衛(wèi)星進行控制外，還有助于GPS ⅡR－M衛(wèi)星新信號的投入使用，將來也可對GPSⅢ提供支持。