美軍升級(jí)GPS意欲何為？

朱江明

近日，埃隆·馬斯克的太空探索技術(shù)公司SpaceX發(fā)射了美國(guó)太空軍第5顆第三代系列全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星，即 GPS-III 05號(hào)衛(wèi)星 （SV05/GPS III-5）。由于最近中國(guó)三名宇航員成功登陸天宮號(hào)空間站，并開(kāi)始了一系列太空實(shí)驗(yàn)工作，美國(guó)太空軍對(duì)這個(gè)三代GPS系統(tǒng)也進(jìn)行了廣泛的宣傳，在接受媒體采訪時(shí)甚至表示，這是其2021年5月發(fā)布的數(shù)字服務(wù)愿景文件的核心能力之一。到底這個(gè)GPS-III有何特殊之處，它所對(duì)標(biāo)的系統(tǒng)又有哪些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)呢？

要解釋這個(gè)問(wèn)題，我們首先要了解一下美國(guó)太空軍這個(gè)最年輕的軍種。根據(jù)美國(guó)太空軍公布的文件，這份“愿景”描述了太空軍承擔(dān)“數(shù)字服務(wù)”的含義，并概述了實(shí)現(xiàn)這一愿景所必需的重點(diǎn)領(lǐng)域。

在愿景文件中，美軍開(kāi)宗明義地承認(rèn)，太空現(xiàn)在是唯一沒(méi)有人類(lèi)進(jìn)行軍事行動(dòng)的物理疆域，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)，美國(guó)陸海空軍以及海岸警衛(wèi)隊(duì)非常依賴來(lái)自于太空的數(shù)據(jù)支持。太空領(lǐng)域雖然現(xiàn)在還未軍事化，卻是所有美國(guó)軍事單位的核心數(shù)據(jù)支援區(qū)。因此，太空軍的愿景和使命就是運(yùn)營(yíng)互聯(lián)、創(chuàng)新、數(shù)字主導(dǎo)的太空力量，同時(shí)應(yīng)對(duì)所有對(duì)美軍太空數(shù)據(jù)支援業(yè)務(wù)的威脅。

從功能上來(lái)看，GPS可以說(shuō)是美國(guó)最核心的太空數(shù)據(jù)支援業(yè)務(wù)資產(chǎn)，因?yàn)檫@套系統(tǒng)可以提供全球性不間斷的位置、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。這對(duì)于指揮、通信和精確制導(dǎo)武器運(yùn)用等領(lǐng)域都至關(guān)重要，尤其是當(dāng)無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位越來(lái)越重要時(shí)，而GPS又是無(wú)人機(jī)自主飛行甚至發(fā)動(dòng)攻擊的關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。然而，近年來(lái)各種干擾和欺騙GPS系統(tǒng)的裝備越來(lái)越盛行，甚至民用市場(chǎng)都很容易買(mǎi)到此類(lèi)物件，連恐怖組織都有可能干擾美軍的GPS信號(hào)。伊朗更是曾經(jīng)成功通過(guò)干擾和欺騙GPS，俘獲了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的隱形無(wú)人機(jī)RQ-170。

顯然，上一代GPS技術(shù)已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)越來(lái)越強(qiáng)的地面干擾設(shè)備影響。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)做了兩手準(zhǔn)備。A方案是通過(guò)發(fā)射GPS第三代衛(wèi)星，提高軍用GPS編碼的抗干擾能力。洛克希德公司公布的數(shù)據(jù)顯示，新的GPS定位精度提高了三倍，抗干擾保護(hù)能力則提高了八倍。洛克希德公司表示，衛(wèi)星采用了新的軍用廣播編碼，這是一種更安全、更難被干擾或欺騙的廣播信號(hào)。新衛(wèi)星所用的M軍用編碼從功能上來(lái)看，確實(shí)具有更強(qiáng)的安全性，首先它具有更強(qiáng)的發(fā)射功率來(lái)應(yīng)對(duì)干擾，其次M碼還加入了安全驗(yàn)證功能，可以避免未曾通過(guò)安全驗(yàn)證的終端接收數(shù)據(jù)服務(wù)，或者向這類(lèi)終端提供服務(wù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，新的M碼系統(tǒng)可以拒絕非授權(quán)終端使用，也可以讓終端識(shí)別來(lái)自干擾設(shè)備的信號(hào)。這當(dāng)然是GPS應(yīng)對(duì)干擾的一個(gè)重大的進(jìn)步，畢竟雙向安全驗(yàn)證能夠極大地提高系統(tǒng)的安全性。今年美國(guó)之所以高調(diào)宣布GPS系統(tǒng)升級(jí)到第三代，除了因?yàn)榈谖孱w衛(wèi)星發(fā)射后，三代星占比已經(jīng)達(dá)到16%，可以提供基礎(chǔ)的三代衛(wèi)星定位服務(wù)，還因?yàn)镸軍用編碼2021年開(kāi)始投入使用。

當(dāng)然，除了升級(jí)GPS之外，美國(guó)軍方還準(zhǔn)備了B方案，也就是完全不依賴衛(wèi)星的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。實(shí)際上這并不是什么新科技，在沒(méi)有衛(wèi)星之前，人類(lèi)也可以實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)航，GPS系統(tǒng)的出現(xiàn)只是把這件事變得更為容易。然而，由于干擾和欺騙在不斷的升級(jí)，美國(guó)必須準(zhǔn)備好在沒(méi)有導(dǎo)航衛(wèi)星支援下也能作戰(zhàn)。

美國(guó)之所以高調(diào)宣布GPS系統(tǒng)升級(jí)到第三代，除了因?yàn)榈谖孱w衛(wèi)星發(fā)射后，三代星占比已經(jīng)達(dá)到16%，可以提供基礎(chǔ)的三代衛(wèi)星定位服務(wù)，還因?yàn)镸軍用編碼今年開(kāi)始投入使用

那么，新的GPS系統(tǒng)與中國(guó)的北斗相比到底有何優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)呢？如果僅僅從定位精度來(lái)看，升級(jí)后的GPS系統(tǒng)比北斗的定位精度可能更勝一籌，但是這種優(yōu)勢(shì)并非決定性的。真正值得比對(duì)的是兩者設(shè)計(jì)思路的區(qū)別，北斗系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就考慮到了被干擾的情況，因此除了提供定位服務(wù)之外，還可以提供有限度的通信服務(wù)，也就是發(fā)送短報(bào)文或者圖片。如果僅僅從通信技術(shù)來(lái)看，這談不上什么高科技，但是增加了安全性。因?yàn)楸倍奋娪每赏ㄐ沤K端需要裝入一張專用的Sim卡才能使用發(fā)送短報(bào)文功能，換句話說(shuō)，必須通過(guò)雙向安全認(rèn)證才能使用。由此看來(lái)，其實(shí)北斗早就具備了三代GPS M碼的核心抗干擾和欺騙功能，畢竟授權(quán)終端數(shù)量是可以增減控制的。

而過(guò)去美國(guó)并沒(méi)有興趣在GPS系統(tǒng)上增加任何通信模塊，因?yàn)槊儡姷脑O(shè)計(jì)思路是，通信是通信，定位導(dǎo)航是定位導(dǎo)航，GPS定位信息的發(fā)送并不依賴定位衛(wèi)星本身，而是通過(guò)軍用無(wú)線電或者衛(wèi)星通信鏈路發(fā)送。這樣的好處是，如果定位系統(tǒng)被干擾，通信仍可以繼續(xù)使用，反之亦然。不過(guò)，這導(dǎo)致GPS系統(tǒng)本身沒(méi)有任何雙向驗(yàn)證的能力，新的M碼算是補(bǔ)上了這一課。根據(jù)美軍公布的信息來(lái)看，M碼的安全應(yīng)答驗(yàn)證并不具備通信功能，只是作為保障安全的一種自動(dòng)驗(yàn)證手段。