美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢

楊子輝，薛 彬

（天津大學 海洋科學與技術學院，天津 300072）

0 引言

隨著第二次世界大戰(zhàn)的結束，美國與蘇聯(lián)兩國就開始了包括太空爭霸在內(nèi)的各種競賽。1957 年10 月4 日，蘇聯(lián)使用洲際彈道導彈R-7 發(fā)射了世界上第一顆進入地球軌道的人造衛(wèi)星斯普特尼克一號（Sputnik-1）。蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，給美國帶來了巨大的震撼，因為美國認為，領空是國土的自然延伸，必須要保護好美國領空的安全；美國甚至認為，蘇聯(lián)有能力用洲際彈道導彈R-7 將核彈頭送入美國領空，而美國卻無力偵測到蘇聯(lián)軍事活動的相關信息[1]。為了追趕上蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星技術，美國陸軍和海軍同時開展了人造衛(wèi)星項目的研究，1957 年11 月6 日，美國海軍研究實驗室（United States naval research laboratory, NRL）發(fā)射了尖兵試驗飛行器三號（vanguard test vehicle 3, TV3），但TV3 的發(fā)射以失敗告終；1958 年1 月31 日，美國陸軍成功發(fā)射了探索者一號（Explorer 1）衛(wèi)星[2]。

1958 年，美國約翰斯·霍普金斯大學（Johns Hopkins University）應用物理實驗室（applied physics laboratory, APL）的兩位杰出科學家威廉·H.吉耶（William H. Guier）和喬治·C.韋芬巴赫（George C. Weiffenbach）為了研究蘇聯(lián)人造衛(wèi)星Sputnik 的詳細情況，他們在地面已知點上，用自行研制的測量設備捕獲并跟蹤到了Sputnik 發(fā)射的無線電信號，測得了Sputnik 無線電信號的多普勒（Doppler）頻移，隨后他們編寫了一個計算機程序，利用該程序解算出了Sputnik 的軌道參數(shù)，依據(jù)他們的實驗成果，APL 的另外一位科學家弗蘭克·T.麥克盧爾（Frank T. McClure）博士，設想出了一個“反向觀測方案”，即如果已知衛(wèi)星的軌道參數(shù)，地面上的觀察者通過測量該顆衛(wèi)星的Doppler頻移，則可以計算出觀測者的點位坐標[3-4]，由此誕生了子午儀導航原理。與傳統(tǒng)的導航方式相比，基于人造衛(wèi)星的子午儀導航方式，可以提供全天候、全覆蓋、全天時的導航服務，開啟了人類基于人造衛(wèi)星導航定位的新時代。

1 美國子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)

蘇聯(lián)成功地發(fā)射了Sputnik 人造衛(wèi)星，對美國科技上的沖擊與第二次世界大戰(zhàn)中的“珍珠港事件”一樣，為了趕上并超越蘇聯(lián)在航空航天領域里的成就，美國政府決定加快軍事彈道導彈計劃、全面更新航空航天計劃，組建美國國家航空航天局（ National Aeronautics and Space Administration,NASA）[5]。1957 年，美國海軍特別項目辦公室要求 APL 協(xié)助美國海軍開發(fā)北極星艦隊彈道導彈（Polaris Fleet Ballistic Missile, FBM）戰(zhàn)略武器系統(tǒng)。McClure 博士向FBM 項目負責人理查德·B.克什納（Richard B. Kershner）博士匯報了他在跟蹤蘇聯(lián)人造衛(wèi)星時取得的研究成果，并一起探討了采用衛(wèi)星導航的可行性。1958 年12 月，美國海軍決定提供資金，用以支持Kershner 博士的星基導航計劃。Kershner 博士立即在APL 內(nèi)組建了一個科學家團隊，用來發(fā)展美國海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng)（U.S. navy navigation satellite system, NNSS）[3,6]。由于NNSS 的導航衛(wèi)星沿地球子午圈的軌道運行，因此，NNSS 又稱為子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Transit navigation satellite system, Transit）[4]。

從1959 年9 月17 日開始發(fā)射Transit-1A 衛(wèi)星開始，到1988 年6 月16 日發(fā)射Transit-Nova-2衛(wèi)星為止，美國共研制了33 顆Transit 導航衛(wèi)星，發(fā)射了26 顆，其具體情況如表1 所示。

表1 美國Transit 系統(tǒng)導航衛(wèi)星情況[7]

（續(xù)）

圖1 為20 世紀60 年代初進行Transit 系統(tǒng)原理設計時設計的星座[6]，圖 2 為建成后的Transit 系統(tǒng)星座。雖然當初設計Transit 系統(tǒng)星座時，只要用3 顆衛(wèi)星即可為用戶提供服務（如圖1所示），為了保證Transit 系統(tǒng)服務的可靠性，實際則建成了6 顆導航衛(wèi)星的Transit 系統(tǒng)星座，在這6 顆導航衛(wèi)星中，3 顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3 顆為備份衛(wèi)星[8]。

圖1 Transit 系統(tǒng)初始設計星座[6]【審圖號：GS（2021）5770 號】

圖2 Transit 系統(tǒng)實際使用的星座[3]

1963 年12 月5 日成功發(fā)射Transit-5BN-2 衛(wèi)星后，Transit 系統(tǒng)正式成為世界上第一個為用戶提供定位服務的星基導航系統(tǒng)，到1964 年11 月，美國海軍開始使用Transit 系統(tǒng)為潛艦提供導航定位服務[8]。Transit 系統(tǒng)在為全球用戶提供了32 年的導航定位服務后，于1996 年12 月31 日停止發(fā)射導航定位信號。Transit 系統(tǒng)在軌的可用衛(wèi)星繼續(xù)為美國海軍電離層監(jiān)測系統(tǒng)（navy ionospheric monitoring system, NIMS）提供服務[9]。

2 GPS 發(fā)明之前的技術探索

雖然Transit 系統(tǒng)能夠為地面用戶提供定位服務，但Transit 系統(tǒng)仍然存在明顯的缺陷：1）Transit接收機的觀測值是接收機中產(chǎn)生的標準頻率與從Transit 衛(wèi)星信號產(chǎn)生的多普勒頻移進行比較，通常至少需要兩個觀測值才能夠確定Transit 接收機的位置。Transit 只有6 顆衛(wèi)星，為了得到這兩個觀測值，用戶有時候不得不等待90 min，這對于潛艦、導彈等軍用用戶，已經(jīng)失去了使用價值；2）Transit 衛(wèi)星的軌道距地面僅1 100 km，由于低軌衛(wèi)星特別容易受到大氣阻力和地球重力變化的影響，這使得精確確定Transit 衛(wèi)星的軌道參數(shù)變得特別困難，嚴重地影響了用戶的定位精度[10]。為了克服Transit 系統(tǒng)存在的缺陷，需要積極探索建立新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

2.1 美國空軍的621B 項目[11]

1962 年，美國航空航天公司總裁伊萬·格廷（Ivan Getting）博士意識到，星基導航系統(tǒng)將會在國防及民用領域發(fā)揮巨大作用，為此他設想了一種比Transit 系統(tǒng)更為精密的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用戶提供全天時、連續(xù)的3 維（3D）定位服務。Getting 博士將他的定位方案直接呈遞給美國國防部（U.S. Department of Defense, DoD），而且他一直為該定位方案奔走呼吁，Getting 博士的衛(wèi)星導航定位方案最終獲得了美國空軍的經(jīng)費支持，并將該項目命名為621B 項目。

從1962 年開始，在美國空軍的資助下，美國航空航天公司的研究人員對該種新型導航衛(wèi)星系統(tǒng)所涉及的各個方面進行了仔細研究；從1964—1966 年，航空專家詹姆斯·伍德福德（James Woodford）和中村秀吉（Hideyoshi Nakamura）的貢獻尤為突出。1966 年8 月，美國國防部將伍德福德和中村秀吉的研究項目列為秘密，直到13 年后的1979 年，美國國防部才對他們的研究成果進行解密。621B 項目的研究成果為美國全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）的成功做出了巨大貢獻，主要包括：1）詳細研究了被動式測距即單程測距原理；2）研究了星載原子鐘并制定了星載原子鐘的驗證方法與手段；3）研究了采用4 顆導航衛(wèi)星就可以實現(xiàn)用戶端只需要石英鐘即可以完成精密定位的原理； 4）研究了碼分多址（code division multiple access, CDMA）的導航信號體制。

2.2 美國海軍蒂馬申（TIMATION）衛(wèi)星導航系統(tǒng)[11-12]

1964 年，在美國海軍研究實驗室（United States naval research laboratory, NRL）科學家老羅杰·L.伊斯頓（Roger L. Easton，Sr.）的領導下，美國海軍發(fā)起了第二個衛(wèi)星導航項目蒂馬申（TIMATION）衛(wèi)星導航系統(tǒng)，TIMATION 是指時間（TIMe）和導航（navigATION）。TIMATION 項目的主要目的是探索星基被動式測距技術、世界各國授時中心之間的時間傳遞方法，以期能夠在世界范圍內(nèi)為用戶提供全天候、全天時的高精度實時定位服務。美國海軍的 TIMATION 項目與美國空軍的621B 項目同時進行，二者形成了競爭關系。

1967 年5 月31 日，NRL 發(fā)射了TIMATION-1實驗衛(wèi)星；1969 年 9 月 30 日，NRL 發(fā)射了TIMATION-2 實驗衛(wèi)星。TIMATION 項目的研究成果，也為GPS 的成功做出了巨大貢獻，主要貢獻包括：1）仔細研究了接收機定位精度與導航衛(wèi)星間構成的幾何精度衰減因子（geometric dilution of precision, GDOP）之間的關系，其結果表明，GDOP 可以用來識別所用導航星座的衛(wèi)星并消除其他衛(wèi)星的干擾信號；2）當導航衛(wèi)星的運動周期為8 或12 h，衛(wèi)星軌道的傾斜為53°，導航衛(wèi)星分布在3 個衛(wèi)星軌道面、每個衛(wèi)星軌道上有9 顆導航衛(wèi)星時，在世界上任意位置，如果衛(wèi)星的高度截止角為5°，按照這樣星座布置的衛(wèi)星，則可以為全世界任何地方，提供全天候、全天時不間斷的導航定位服務，因此，TIMATION 項目建議將“3×9”這樣的星座結構作為美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座。

2.3 美國陸軍的賽科爾（SECOR）系統(tǒng)[13-14]

美國陸軍為統(tǒng)一美國陸地、島嶼上大地控制點的坐標，提高地形圖的精度，與美國海軍聯(lián)合開發(fā)了賽科爾（SECOR）系統(tǒng)。SECOR 系統(tǒng)是一種全天候、可移動的大地測量定位系統(tǒng)，采用漸進式測距（sequential collation of range）原理來確定未知點的坐標。SECOR 系統(tǒng)由4 臺接收機、1 顆或者多顆定位衛(wèi)星組成，將3 臺接收機安置在已知點上，1 臺接收機安置在未知點上，4 臺接收機同時接收SECOR 衛(wèi)星發(fā)射的測量信號，首先通過相位比較方法，來確定接收機與SECOR 衛(wèi)星間的斜距并將其記錄在磁帶上；然后使用3 個已知站與衛(wèi)星之間的距離來計算SECOR 衛(wèi)星的位置，這種方法不需要已知衛(wèi)星的軌道參數(shù)；最后利用未知點與SECOR 衛(wèi)星間的斜距及SECOR 衛(wèi)星的位置，計算出未知點的坐標值。若4 臺接收機能夠同時觀測到同一顆SECOR 衛(wèi)星，則可以同時多次完成接收機與SECOR 衛(wèi)星之間的距離測量，獲得大量的觀測數(shù)據(jù)，這樣可以提高未知點坐標的測量精度。例如，當SECOR 衛(wèi)星的共視時間為10～12 min 時，用4 臺接收機可以獲得約為48 000 組距離測量值。為了提高測量結果的可靠性，一般情況下要求獲取2 顆以上SECOR 衛(wèi)星的共視觀測數(shù)據(jù)，或者獲取同一顆SECOR 衛(wèi)星通過測量現(xiàn)場2 次以上的觀測數(shù)據(jù)。SECOR 系統(tǒng)的地面距離測量范圍為160～4 800 km，未知點的位置精度為3～10 m。

從1961 年2 月21 日至1970 年4 月8 日，美國陸軍共發(fā)射了23 顆具有SECOR 載荷的衛(wèi)星，其中有些SECOR 載荷是安裝其他衛(wèi)星上，例如1961 年2 月21 日發(fā)射失敗的SECOR 載荷，就是安裝在美國海軍的Transit 衛(wèi)星上的；有些SECOR載荷是作為單獨衛(wèi)星發(fā)射的。

3 GPS 計劃的開啟與系統(tǒng)建設

到 1972 年，美國海軍的 Transit 項目、TIMATION 項目以及美國空軍的621B 項目已經(jīng)實施了好幾年，取得了許多應用成果，但在實施過程中也存在許多問題，因此他們也一直在研究改善星基無線電導航衛(wèi)星的可能性。早在 1969—1970 年間，美國航空航天公司總裁Getting 博士就向美國總統(tǒng)理查德·尼克松（Richard Nixon）的科學顧問李·杜布里奇（Lee DuBridge）建議，鑒于星基導航潛在用戶太多，應該成立總統(tǒng)特別委員會，以指導美國的衛(wèi)星導航工作。經(jīng)過數(shù)個星期的縝密思考后，DuBridge 顧問認為要實現(xiàn)Getting 博士的建議太困難了，因為Getting 博士的建議涉及“四多”，即“涉及的人多，涉及的政府機構多，涉及的政治操作多，涉及的公司及機構多”。DuBridge 顧問希望美國空軍一如既往地推進自己的星基導航項目[15]。

1973 年11 月17 日，DOD 決定將美國海軍的 Transit 項目、TIMATION 項目，美國空軍的621B 項目以及美國陸軍的SECOR 項目合并，成立納芙斯塔爾（NAVSTAR）GPS 聯(lián)合項目辦公室（Joint Program Office, JPO），并任命美國空軍上校布拉德福德·W.帕金森（Bradford W. Parkinson）博士為JPO 的首任主任。一段時間以來，人們認為NAVSTAR 是授時和測距導航信號（navigation signal timing and ranging）或者是授時和測距導航衛(wèi)星（navigation satellite timing and ranging）的縮寫詞，其實這是一種誤讀，Parkinson 博士說，在JPO 內(nèi)，從來沒有沒有人認為NAVSTAR 是前述縮寫詞，NAVSTAR 只是負責（GPS）計劃預算的關鍵決策者約翰·沃爾什（John Walsh）給全球定位系統(tǒng) GPS 起的一個好聽的名字而已[15]，NAVSTAR-GPS 后來簡稱為GPS，由美國空軍作為GPS 項目的負責單位。

GPS 由以下三部分組成：

1）空間部分[16]。由一組向用戶發(fā)送無線電信號的衛(wèi)星組成，為保證在95%的時間內(nèi)，能為GPS用戶提供可靠的服務，美國承諾要一直保持至少24 顆GPS 衛(wèi)星處于為用戶提供服務的狀態(tài)。為了兌現(xiàn)這一承諾，最近十多年，美國空軍一直在太空布設了31 顆GPS 在軌衛(wèi)星。GPS 衛(wèi)星運行在位于距地表20 200 km 的中圓地球軌道（medium Earth orbit, MEO）上，運行周期為12 h。

GPS 星座中的24 顆衛(wèi)星均勻分布在6 個軌道面上，軌道傾角為55°，在每個軌道面上等間隔布置有4 顆GPS 衛(wèi)星，GPS 星座的這種布局方式，可確保用戶可以從地球上的任何位置，能夠觀測到至少4 顆衛(wèi)星。GPS 的星座如圖3 所示。

圖3 GPS 星座示意[17]

1 974 年 6 月，JPO 將 羅 克 韋 爾 國 際 公司（Rockwell International）作為GPS 衛(wèi)星的建造商。從1978 年2 月22 日發(fā)射GPS 星座的第一顆組網(wǎng)衛(wèi)星NAVSTAR 1 開始，到1993 年5 月12 日成功發(fā)射第24 顆組網(wǎng)衛(wèi)星 GPS-2A-11，美國共發(fā)射了31 顆NAVSTAR 衛(wèi)星、15 顆GPS 衛(wèi)星[18]。

特別需要提及的是，美國空軍為了驗證星載原子鐘的性能，于1974 年7 月13 日發(fā)射了搭載了兩臺銣原子鐘的TIMATION-III 衛(wèi)星，TIMATION-III衛(wèi)星亦稱為第一代導航技術衛(wèi)星（navigation technology satellite, NTS-1）。

2）控制部分[18-19]。GPS 控制部分由美國在全球設置的地面設施組成，這些地面設施可以完成對GPS 衛(wèi)星的跟蹤監(jiān)測，向GPS 衛(wèi)星傳輸各種指令和數(shù)據(jù)。目前控制設施包括：①主控站及備用主控站；②11 個指令傳輸及地面天線站；③16 個監(jiān)測站?？刂撇糠值谋O(jiān)控設備分布如圖4 所示。圖4 中：AFSCN（air force satellite control network）為美國空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)；NGA（National Geospatial-Intelligence Agency）為美國國家地理空間情報局。

圖4 GPS 控制段的監(jiān)控設施分布【審圖號：GS（2021）5770 號】

3）用戶段。與互聯(lián)網(wǎng)一樣，GPS 是全球信息基礎架構的重要組成部分。因為GPS 具有自由、開放、免費和可靠的特性，人們基于GPS 開發(fā)了各式各樣的應用程序，GPS 已經(jīng)深深嵌入到軍事武器、國民經(jīng)濟及人們生活中。GPS 可以提高包括農(nóng)業(yè)、建筑、采礦、測量、包裹運送和物流供應鏈管理等涉及整個經(jīng)濟領域的生產(chǎn)力效率；在電信網(wǎng)絡、銀行系統(tǒng)、金融市場和電網(wǎng)等嚴重依賴精確時間同步的領域，GPS 可以為其提供準確的時間基準，完成時間同步。如果沒有GPS 的協(xié)助，遠程建筑施工、自動駕駛等服務將無法正常運行。GPS 在應急救援、地面交通安全管理、交通事故的預防、汽車自動駕駛，飛航安全等領域都有廣泛的用途[20]。正如奧地利格拉茨大學伯恩哈德·霍夫曼-韋倫霍夫（Bernhard Hofmann-Wellenhof）教授1991 年指出的那樣，“GPS 將來的應用，只受人們想象力的限制（The future uses of GPS are limited only by one’s imagination）”。

4 GPS 帶來的效益與風險

4.1 GPS 帶來的軍事效益[21]

無論對士兵還是對武器設備攜帶的導航設備而言，都需要具有以下特點：1）定位精度高；2）環(huán)境適應能力強，可全天候使用；3）操作簡便；4）重量輕，便于攜帶；5）保密性好，不易被敵方發(fā)現(xiàn)。

在不同的國家，雖然軍隊的作用可能千差萬別，但每個國家軍隊都必須滿足這兩個基本要求：和平時期的訓練和戰(zhàn)時的實際戰(zhàn)斗。和平時期的訓練包括戰(zhàn)斗訓練、救災、維和及大型基地/設施的管理；當有戰(zhàn)事時，軍隊就會上戰(zhàn)場，參與戰(zhàn)場上的所有戰(zhàn)時活動。GPS 可以為這些軍事活動提供以下服務：

1）導航。當士兵身處陌生地方，特別是在黑夜及沒有明顯的地標供他們辨別方向時，他們就無法確定自己的位置，使其處于茫然無序的狀態(tài)，這樣不僅會貽誤戰(zhàn)機，甚至會將勝利送給敵方。例如在1990 年，美國首次將GPS 應用到海灣戰(zhàn)爭中就取得了極好的軍事效益。海灣戰(zhàn)爭是以美國為首的聯(lián)盟軍隊，在1990 年8 月2 日至1991年2 月28 日間，對入侵科威特境內(nèi)的伊拉克軍隊和伊拉克境內(nèi)的伊拉克軍隊發(fā)動軍事進攻，在戰(zhàn)爭開始前，美國為聯(lián)盟軍配備了1 000 臺GPS 接收機，到這次軍事行動快結束時，在聯(lián)盟軍中使用的GPS 接收機達到了近9 000 臺，在短短7 個月的時間內(nèi)，GPS 接收機的使用量增加了8 倍，美軍第 7 騎兵師在GPS 接收機的指引下，橫穿了毫無地面標識物的沙漠，千里突襲，直搗巴格達，一舉擊潰了伊拉克的6 個主力師。反觀1999 年印度和巴基斯坦在卡吉爾（Kargil）的沖突，由于剛剛開始時，印度巡邏隊沿著崎嶇的山路，誤入了巴基斯坦軍隊控制區(qū)并造成了印軍的嚴重傷亡，最后是在手持GPS 接收機的幫助下，印軍才脫離了險地。

2）跟蹤。在某些軍事應用場景中，需要連續(xù)跟蹤一些可疑目標，當掌握了較為可靠的信息后，才能夠宣布這些目標為敵對目標并用各種武器對其加以摧毀。在摧毀這些敵對目標前，需要依據(jù)這些跟蹤數(shù)據(jù)生成作戰(zhàn)數(shù)據(jù)，并將其輸入到導彈和智能炸彈等現(xiàn)代武器系統(tǒng)中。例如美國陸軍開發(fā)的GPS 全真數(shù)據(jù)采集、存儲及顯示系統(tǒng)（GPS truth data acquisition, recording, and display system, TDARDS），就是一種緊湊、輕便、低成本、易于攜帶的GPS 移動跟蹤系統(tǒng)。TDARDS 使用最新的GPS 數(shù)據(jù)、無線電數(shù)據(jù)鏈路和計算機技術，為使用者提供10 個跟蹤目標精確的實時、時空位置信息（time-space position information,TSPI）。被跟蹤的目標可以是地面車輛、空中直升機或者固定翼飛機。TDARDS 具有高度模塊化的結構，用現(xiàn)有的商用硬件構建，而且可以輕松地修改硬件結構，以滿足對某些特殊目標的跟蹤需求。

3）攻擊性武器的制導。例如美國通常使用的巡航導彈，就是從很遠的地方發(fā)射，去精確攻擊預定的敵方目標。在巡航導彈的飛行過程中，會使用多通道GPS 接收機實時確定巡航導彈的位置，并根據(jù)實際位置與預定位置的偏差對其飛行路徑進行修正，以達到準確攻擊敵方目標的目的。美國運載多管發(fā)射火箭系統(tǒng)（multiple launched rocket system, MLRS）的車輛，也是使用GPS 及慣性組合定位的方式，來實現(xiàn)MLRS 運載車的定位，這樣可以在很短的時間內(nèi)設定MLRS 的打擊參數(shù)，完成對敵對目標的攻擊。美國陸軍為了提高炸彈的命中精度，還基于差分 GPS（differential GPS,DGPS），提出了制導能力增強（exploitation of DGPS for guidance enhancement, EDGE）計劃。美國陸軍已經(jīng)將EDGE 計劃應用到了某種重型炸彈的制導上，取得了理想的效果：使用4 個距落點2 000 km 外的DGPS 站對炸彈進行制導，在距落點20 km 外發(fā)射這種型號的炸彈時，炸彈也能夠精確地命中目標。

4）救援。救援和應急響應也是軍隊的一個重要職能，當發(fā)生緊急情況時，救援人員必須首先確定傷亡人員的位置，這樣才能夠縮短救援時間。例如，美國空軍利用GPS 技術，開發(fā)了戰(zhàn)場幸存者定位器（combat survivor evader locator, CSEL）系統(tǒng)。CSEL 系統(tǒng)將GPS 接收器與無線電通信集成在一起，搜索和救援團隊可以比以前更快、更準確地找到遇難人員。

5）地圖更新。即使在信息化高度發(fā)達的今天，美國國防部仍然需要根據(jù)作戰(zhàn)任務的需要，繪制不同比例尺的軍事地圖，為了保證這些軍事地圖的精確性及現(xiàn)勢性，必須采取遙感和地理信息系統(tǒng)（geographic information system, GIS）技術來繪制可用的地形圖，這樣就需要首先利用安置在遙感衛(wèi)星上的GPS 接收機，確定遙感衛(wèi)星的位置后，才能夠獲取地面目標的空間位置。

GPS 在軍隊的成功應用，同樣的技術也可以民用，例如利用DGPS、實時動態(tài)差分定位（real-time kinematic positioning, RTK）等技術，可以引導飛機進場著陸、汽車的自動駕駛、精細農(nóng)業(yè)等，GPS的時間傳遞技術，可以解決電力系統(tǒng)及金融服務等的時間統(tǒng)一同步問題。

4.2 GPS 帶來的經(jīng)濟效益[22-23]

2019 年6 月，美國美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology,NIST）發(fā)布了《全球定位系統(tǒng)的經(jīng)濟效益（Economic benefits of the global positioning system（GPS））》。據(jù)NIST 估計，僅在美國，自1980 年代GPS 開始民用和商用以來，GPS 產(chǎn)生了約1.4 萬億美元的經(jīng)濟效益，特別是近十年來，GPS 創(chuàng)造的經(jīng)濟效益更是特別顯著，占到了美國國內(nèi)生產(chǎn)總值（gross domestic product, GDP）的0.4%，成為美國的重要高科技產(chǎn)業(yè)。

4.3 GPS 帶來的風險

從戰(zhàn)時的武器制導、駕駛員的行車導航，再到跨國公司協(xié)調(diào)復雜的物流網(wǎng)絡，每天都有數(shù)以億計的用戶依靠GPS 進行導航和定位。GPS 的精確定時功能，也為金融、電力和電信等行業(yè)提供了時間同步的基準。 甚至“GPS”一詞，也偏離“全球定位系統(tǒng)”的本意，成了表示“某人在特定時間點出現(xiàn)在特定位置”這樣的流行語[22]。 用戶過度依賴GPS，必然會給GPS 用戶帶來潛在風險。

早在 2012 年，美國國土安全部（U.S.Department of Homeland Security, DHS）就向美國國會提交了《國家風險評估：全球定位系統(tǒng)中斷給美國關鍵基礎設施帶來的風險（National Risk Estimate:risks to U.S.Critical infrastructure from global positioning system disruptions）》[24]，該報告列舉了GPS 服務中斷或者GPS 信號受到干擾后，對美國通信及運輸?shù)?6 個關鍵基礎設施行業(yè)帶來的影響，GPS 作為“一種看不見的工具”，其結果是，各個關鍵基礎設施領域的管理者，“大大低估了”本行業(yè)主要用戶對GPS 的依賴程度。因此，DHS 要求各行業(yè)需對本行業(yè)提出GPS 風險評估報告，制定相應的應對措施，以減輕GPS 潛在危險對本行業(yè)可能造成的影響。

5 GPS 的現(xiàn)代化

5.1 星載計時器的現(xiàn)代化

文獻[25]論述了GPS 的定位原理，如圖5所示。

圖5 GPS 的定位原理[25]

GPS 衛(wèi)星與用戶接收機之間的測距公式[25]為

式中：c為信號傳播速度即光速，其值為3×108m/s；T2和T1分別為導航信號被接收的時刻和導航信號播發(fā)的時刻。

微分式（2）并按照方差協(xié)方差傳播定律，在假定導航信號接收時刻和導航信號播發(fā)時刻的測時精度相等的情況下，可得導航衛(wèi)星到用戶接收機距離ρi的精度mρ為

5.2 空間部分的現(xiàn)代化

文獻[31]給出了美國已經(jīng)發(fā)射及即將發(fā)射的GPS 導航衛(wèi)星型號，如圖6 所示。

圖6 美國已經(jīng)發(fā)射及即將發(fā)射的導航衛(wèi)星型號[31]

有關GPS II 型衛(wèi)星，國內(nèi)已有文獻對其性能進行過詳細介紹，這里不再重復。GPS III 型衛(wèi)星，是美國研發(fā)的新型GPS 導航衛(wèi)星，在2018 年12月23 日、美國東部時間上午8 時51 分，美國空間探索技術公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）用“獵鷹9 號（Falcon 9）”運載火箭，將首顆GPS III 衛(wèi)星從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空，GPS III 衛(wèi)星具有以下特點[31-32]：

1）具有4 個民用信號。除發(fā)送GPS Block IIF衛(wèi)星所有導航信號外，增加了第4 個民用信號L1C，GPS Block IIF 具有GPS L1 頻率上的C/A 碼信號、L1/L2 頻率上的P(Y)碼信號、L1 頻率上的民用信號L2C、L1/L2 頻率上的軍用M 碼、L5 頻率上的民用信號。

2）進一步增強導航信號可靠性、準確性和完整性，定位精度是GPS II 衛(wèi)星的3 倍。

3）進一步提高了抗干擾能力，抗干擾能力是GPS II 衛(wèi)星的8 倍。

4）衛(wèi)星在軌壽命延長至15 年。

美國計劃發(fā)射10 顆GPS III 衛(wèi)星，編號為SV01至SV10，從SV11 號開始，GPS III 衛(wèi)星升級為GPS IIIF 衛(wèi)星，美國計劃在2026—2034 年間，共發(fā)射22 顆GPS IIIF 衛(wèi)星，GPS IIIF 衛(wèi)星除具有GPS III 衛(wèi)星的功能外，還會增加以下功能：1）建立統(tǒng)一的 S 波段遙測、跟蹤及指令體制；2）搭載有效搜救載荷；3）搭載激光后向反射器陣列，用于精確測定衛(wèi)星的軌道；4）搭載重新設計的核爆探測系統(tǒng)（nuclear detonation detection system, NDS）；5）提高區(qū)域軍事保護（regional military protection, RMP）能力，即導航衛(wèi)星在飛越預期會受影響的區(qū)域（area of intended effect, AOIE）時，導航衛(wèi)星能夠產(chǎn)生比覆蓋其他區(qū)域高得多的軍用導航信號，圖7 為提高RMP 能力示意圖[33]。

圖7 GPS IIIF 衛(wèi)星的增強特定區(qū)域軍用導航信號示意[33]

時任美國空軍部長的希瑟·威爾遜（Heather Wilson）在2018 年夏天指出，為美國導彈提供定位、導航、授時（positioning, navigation and time,PNT）的GPS，猶如是在錘子發(fā)明之前建造的一個共全世界使用的玻璃屋，在緊急情況下，GPS 可能會受到敵方的干擾，而使軍隊的作戰(zhàn)系統(tǒng)陷入癱瘓[34]。

為了確保美國衛(wèi)星導航技術處于領先地位，而且在戰(zhàn)時不受對方的干擾，美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）開始研發(fā)導航技術衛(wèi)星3 號（navigation technology satellite 3,NTS-3），NTS-3 預計在2022 年底之前發(fā)射入軌[35]。

在NTS-3 上，美國將采用很多新技術，包括：1）搭載在軌可重編程的PNT 載荷；2）搭載能夠覆蓋全球和區(qū)域范圍的電子掃描天線陣列；3）進一步提高導航信號安全性和抗干擾的能力；4）搭載具有多種授時來源的守時系統(tǒng)，這樣可以提高守時系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高異常狀況的檢測能力和減小授時誤差[36]。

2030 年以后，美國將發(fā)射第四代GPS 衛(wèi)星GEN IV，目前還沒有資料公布GEN IV 衛(wèi)星的性能。

5.3 控制部分的現(xiàn)代化

GPS 最初的控制部分（亦稱為地面系統(tǒng)）僅能夠完成GPS 星座的維持、控制命令的發(fā)送及衛(wèi)星導航信號的監(jiān)視等任務，在運行了22 年后，2007年9 月13 日，美國空軍航天司令部用體系結構演化計劃（architecture evolution plan，AEP）系統(tǒng)，首次向GPS 衛(wèi)星注入了導航及授時數(shù)據(jù)[37]，AEP系統(tǒng)的特點為：1）采用分布式架構；2）增強了信號的強度及監(jiān)視信號的覆蓋范圍；3）增加了信號的安全性；4）提高了信號的精度；5）具有發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星軌道、異常處理及替換操作（launch, anomaly and disposal operations, LADO）的能力[38]。到2018 年11 月16 日，AEP 已經(jīng)更新至AEP 7.5 版，AEP 7.5版以下的版本，是為GPS IIF 以下衛(wèi)星型號服務的，AEP 8.0 則是用來控制GPS III 衛(wèi)星的[39]。在更新AEP 系統(tǒng)的同時，美國在2005 年2 月18 日宣布，要開發(fā)GPS 下一代運行控制系統(tǒng)（next generation operational control system，OCX），OCX 能夠完成以下工作[40]：

1）控制所有現(xiàn)代化的民用信號（L1C、L2C 和L5），控制現(xiàn)代化的軍事信號（M 碼信號），發(fā)射和操作GPS III 衛(wèi)星，促進未來GPS 架構的發(fā)展；

2）能夠預防及檢測到遭受敵方攻擊的情況，在遭受到網(wǎng)絡攻擊時，能夠隔離、遏制攻擊信號，并使己方信號能夠正常發(fā)射；

3）主控站和備用主控站與星座管理功能結合，通過命令與控制，任務計劃，導航和數(shù)據(jù)分析與發(fā)布功能，為每一個移動端用戶提供完善的服務；

4）對監(jiān)測站和地面天線之間、支持控制系統(tǒng)與航天器之間的數(shù)據(jù)鏈路和信號實施遠程監(jiān)控；

5）開發(fā)GPS 仿真裝置，用于開發(fā)、維護和測試主控站（master control station, MCS）軟件和遠程地面設施；

6）開發(fā)標準太空教練機，為GPS 操作員提供專用的培訓系統(tǒng)服務。

OCX 將其功能集成到“模塊（Block）”中，并與GPS III 及相應的軍事裝備的功能保持一致。Block 分為3 個階段[41]：

1）OCX Block 0。Block 0 是發(fā)射和控制系統(tǒng)（launch and control system, LCS），用于控制、在軌檢驗早期發(fā)射的所有GPS III 衛(wèi)星，這些GPS III 衛(wèi)星為低軌（low Earth orbit, LEO）衛(wèi)星，OCX Block 0為OCX Block 1 的試驗產(chǎn)品，其目的是為Block 1的硬件、軟件和網(wǎng)絡安全提供實驗基礎數(shù)據(jù)。

2）OCX Block 1。Block 1 可以控制GPS 所有型號衛(wèi)星的民用信號（L1 C/A）、軍用信號L1 P（Y）及L2 P（Y）、GPS III 衛(wèi)星、現(xiàn)代化的民用信號（L2 C）、航空飛行安全信號（L5）、現(xiàn)代化的軍事信號L1 M 及L2 M、兼容其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的L1 C 信號。 Block 1 還完全符合信息保證/網(wǎng)絡防御的要求。

3）OCX Block 2。Block 2 具有與Block 1 相同的功能，但增加了與現(xiàn)代化信號廣播和授時同步的功能。Block 2 與Block 1 將同時交付給用戶。

5.4 用戶端的現(xiàn)代化

用戶端的現(xiàn)代化圍繞以下幾個方面進行：1）進一步減小接收機的尺寸、減輕重量、降低能耗；2）提高接收機的安全性；3）提高接收機及天線的抗干擾能力；4）能夠更加快捷地分發(fā)加密密鑰；5）提高接收機的測量精度；6）研發(fā)GPS 接收機通用模塊；7）提高軍用碼的訪問權限；8）提高導航信號的可用性；9）增加防篡改防欺騙能力；10）增加在干擾環(huán)境情況下，獲取正確導航信號的能力。

6 結束語

穩(wěn)健的導航定位授時系統(tǒng)，已經(jīng)成為一個國家的重要基礎設施，作為世界上第一個建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)并一直處于技術領先的美國，有許多成功的經(jīng)驗值得我們學習和借鑒。

我國于2020 年7 月31 日建成了北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3），已經(jīng)向全世界提供了衛(wèi)星導航定位服務，成為我國走向世界的一張國家名片，需要借鑒國外的先進經(jīng)驗，持續(xù)增加BDS-3 衛(wèi)星上的有效新載荷，增強BDS-3 衛(wèi)星的抗干擾能力，以滿足世界各國對衛(wèi)星定位的新要求。