美國(guó)軍用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

劉棟梁，陸靜，鄭紫霞，張嵩

(中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所,北京 100071)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為當(dāng)前社會(huì)使用最廣泛、最便捷、最有效的高精度、高實(shí)時(shí)、高可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)手段.自問(wèn)世以來(lái)深刻地改變了人類社會(huì)生產(chǎn)生活方式，顛覆了軍事領(lǐng)域戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)和作戰(zhàn)樣式.

20 世紀(jì)90 年代初，美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo 相繼建成，而我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)作為當(dāng)前全球四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，已經(jīng)可以和美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo 相競(jìng)爭(zhēng)[1-3].隨著信息技術(shù)以及通信導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，終端發(fā)展愈發(fā)必要，關(guān)于導(dǎo)航用戶裝備的研究也越來(lái)越多[4-6]，希望能夠?qū)で笸黄?

目前，美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備已在多個(gè)領(lǐng)域有實(shí)際應(yīng)用，并在近年的戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用.為提高“導(dǎo)航戰(zhàn)”能力，美國(guó)不斷研究并開(kāi)發(fā)新的GPS 終端設(shè)備或接收機(jī)，把各種新技術(shù)融入設(shè)備之中，真正做到了技術(shù)為裝備服務(wù).本文以美國(guó)軍用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備為主，對(duì)GPS 第一代、第二代、第三代典型用戶裝備現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了GPS 用戶裝備的發(fā)展特點(diǎn)，并提出了GPS 用戶裝備的發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的研制提供了一定的參考價(jià)值.

1 GPS 用戶裝備現(xiàn)狀

自1990 年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)到目前美軍的GPS 用戶裝備已歷經(jīng)三代，走過(guò)了從箱式整機(jī)到板卡，再到模塊的技術(shù)演變歷程.形成了脈絡(luò)清晰、前后相承的裝備發(fā)展路線和具有通用化、系列化、模塊化特征的簡(jiǎn)約實(shí)用的用戶裝備型譜.美軍研制并裝備過(guò)的主要用戶裝備及發(fā)展關(guān)系如圖1 所示[7].

圖1 GPS 用戶裝備家族樹(shù)

GPS 用戶裝備采用裝備形態(tài)與應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合的分類方式，總體上分為單機(jī)獨(dú)立應(yīng)用裝備(便攜或手持)、嵌入與集成應(yīng)用裝備、安全設(shè)備和天線系統(tǒng)四大類.其中單機(jī)獨(dú)立應(yīng)用裝備和嵌入式集成應(yīng)用裝備為終端裝備，安全設(shè)備和天線系統(tǒng)為模塊或芯片裝備.

1.1 GPS 第一代用戶裝備

第一代GPS 用戶終端裝備以整機(jī)為主，均為單頻接收機(jī)，且有通道數(shù)少、體積和重量大等明顯不足的問(wèn)題.安全裝備包括精密定位服務(wù)安全模塊(PPSSM)和輔助輸出芯片(AOC)，由于不具備防撬功能，而且兩個(gè)安全設(shè)備之間有明文和加密數(shù)據(jù)傳輸，因此GPS 第一代用戶裝備被認(rèn)為是涉密裝備，其注冊(cè)管理和密鑰加注采用物理介質(zhì)傳輸方式，給勤務(wù)保障造成了極大負(fù)擔(dān).

第一代GPS 用戶終端裝備實(shí)際上經(jīng)歷了兩個(gè)發(fā)展階段，第一階段是上世紀(jì)80 年代末和90 年代初，圖2 為單兵便攜裝備Manpack 和SLGR，機(jī)載高動(dòng)態(tài)裝備為3A 接收機(jī)、中低動(dòng)態(tài)裝備為雙通道接收機(jī)，船載為3S 接收機(jī).第二階段為90 年代中后期，單兵手持裝備被第一款真正手持軍用輕型精碼GPS 接收機(jī)(PLGR)所取代，同時(shí)PLGR 也是各種地面車輛的應(yīng)用裝備，機(jī)載裝備由功能相同，但體積重量?jī)H有3A 接收機(jī)三分之一的微型機(jī)載GPS 接收器(MAGR)取代，船載裝備在開(kāi)發(fā)了基于VME(VersaModule Eurocard)總線的GVRC 接收機(jī)卡以替換3S 接收機(jī)中的GPS 板卡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)3S 接收機(jī)的升級(jí).

圖2 Manpack 接收機(jī)和SLGR 接收機(jī)

1.2 GPS 第二代用戶裝備

第二代GPS 用戶裝備采用開(kāi)放式架構(gòu)設(shè)計(jì)，其核心是選擇可用性抗欺騙模塊(SAASM)，這是新一代的GPS 安全模塊，是對(duì)第一代安全模塊進(jìn)行了整合，使其安全性更高，從而使GPS 軍用接收機(jī)從涉密裝備變?yōu)榉敲苎b備，解決了災(zāi)難性的管理保障困難，因此成為GPS 軍用裝備必不可少的核心組件，同時(shí)也成為二代用戶裝備的標(biāo)志.

作為型號(hào)裝備，美軍重點(diǎn)發(fā)展了單兵/車載和機(jī)載裝備.手持裝備DAGR 繼承了第一代手持機(jī)PLGR 的功能特點(diǎn)，但體積更小、重量更輕，實(shí)現(xiàn)了單手操作，且首次采用了圖形界面.MicroDAGR 是DAGR 的升級(jí)版，如圖3 所示，采用了彩色圖形界面，增加了攝像頭、MP3 等功能，并且體積減小到適合在手腕上佩戴.CSEL 是一款戰(zhàn)斗救生型裝備，實(shí)際上它不僅具有GPS 定位功能，還能通過(guò)通信衛(wèi)星發(fā)送生還者位置并接收指令，因此是一款多衛(wèi)星系統(tǒng)用戶裝備，而且還具有通過(guò)地面長(zhǎng)波電臺(tái)通信的能力，但艦載裝備仍采用升級(jí)后的3S 接收機(jī)[7].

圖3 MicroDAGR 接收機(jī)

1)第二代GPS 用戶裝備發(fā)展重點(diǎn)是嵌入式板卡，即GPS 接收機(jī)應(yīng)用模塊(GRAM).如圖4 所示，這是一組由GPS 聯(lián)合工程辦公室(JPO)定義和認(rèn)證的GPS 軍用接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)板卡.

圖4 GRAM 板卡

根據(jù)美軍相關(guān)政策要求，在沒(méi)有獲得JPO 豁免的情況下，所有軍用接收機(jī)必須基于GRAM 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因此也標(biāo)志著GPS 裝備發(fā)展從箱式向板卡的過(guò)渡.

1.3 GPS 第三代裝備及美軍軍用裝備現(xiàn)代化計(jì)劃

根據(jù)GPS 聯(lián)合辦公室于2009 年啟動(dòng)軍用GPS用戶裝備(MGUE)計(jì)劃，它的目標(biāo)是為已有的主用武器平臺(tái)開(kāi)發(fā)、集成和生產(chǎn)能接收M 碼的GPS 接收機(jī).第三代GPS 裝備首先在現(xiàn)有SAASM基礎(chǔ)上研制安全性更好、芯片化程度更高，能提供核心的GPS 信號(hào)處理功能的通用GPS 模塊(CGM)[8].

美國(guó)軍用裝備現(xiàn)代化計(jì)劃以分階段增量發(fā)展的模式開(kāi)展，總體上分為兩個(gè)大的階段，一是現(xiàn)代化用戶設(shè)備(MUE)項(xiàng)目，二是軍用GPS 用戶設(shè)備(MGUE)計(jì)劃.

1)MUE 項(xiàng)目

GPS 現(xiàn)代化的一個(gè)最大特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)了軍隊(duì)專用的M 碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了軍民信號(hào)的分離，從而提高軍用導(dǎo)航信號(hào)的對(duì)抗能力.美軍對(duì)GPS 軍用裝備現(xiàn)代化的最基本要求就是能夠接收和利用M 碼信號(hào).美國(guó)空軍從2003 年就開(kāi)始進(jìn)行M 碼接收技術(shù)的研究，2006 年開(kāi)展了MUE 接收機(jī)卡開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，這一項(xiàng)目實(shí)質(zhì)上是軍用裝備現(xiàn)代化前期的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，是為了降低后續(xù)MGUE 計(jì)劃的技術(shù)和進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)而開(kāi)展的.MUE 項(xiàng)目2013 年才完成，歷時(shí)約7 年，耗資近5 億美元.

2)MGUE 現(xiàn)代化計(jì)劃

MGUE 計(jì)劃于2009 年正式提出，美國(guó)空軍在2011 年啟動(dòng)了該計(jì)劃，雖然當(dāng)時(shí)MUE 項(xiàng)目還未最終完成，但已經(jīng)進(jìn)入了測(cè)試驗(yàn)證階段，奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ).MGUE 計(jì)劃的目的是開(kāi)發(fā)具有M 碼接收能力的現(xiàn)代化GPS 接收機(jī)，以滿足軍事需求.美國(guó)空軍將MGUE 計(jì)劃分為了兩個(gè)階段來(lái)開(kāi)展，即增量1 和增量2 兩個(gè)階段.

其中，MGUE 增量1 是在MUE技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，為每個(gè)兵種指定的主戰(zhàn)武器平臺(tái)提供M 碼信號(hào)接收機(jī).此外，在增量1 中提出并研發(fā)了計(jì)算機(jī)圖形圖元文件(CGM)和組件，作為軍用終端的核心基礎(chǔ)安全模塊；MGUE 增量2 是在增量1 的建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，將開(kāi)發(fā)用于較小尺寸、重量和功耗需求的板卡組件，使其成為未來(lái)軍用GPS 接收機(jī)的“引擎”，是對(duì)技術(shù)性能的進(jìn)一步提升和對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展[9].

2 GPS 用戶裝備發(fā)展特點(diǎn)

1)高度重視裝備安全性與密碼保障能力升級(jí)

GPS 軍用裝備把確保安全使用作為首要前提，因此美軍把GPS 安全設(shè)施建設(shè)以及密碼保障能力升級(jí)作為重點(diǎn)發(fā)展.綜前所述，第一代安全設(shè)施包括其中AOC 和PPS-SM 兩個(gè)芯片，由于兩者完全獨(dú)立，明文與密文的交互對(duì)用戶可見(jiàn)，易于被逆向分析破解，一旦裝備丟失將可能造成重大安全問(wèn)題，同時(shí)對(duì)密鑰分發(fā)的后勤保障難度極大.為了徹底改變軍用裝備安全性問(wèn)題和后勤保障難題，美軍研制第二代用戶裝備安全設(shè)施—SAASM.SAASM 是將AOC 和PPSSM 兩個(gè)芯片的功能進(jìn)行了封裝，形成一個(gè)完整的模塊，該模塊具有防撬功能，所有加密數(shù)據(jù)的流動(dòng)均在該模塊內(nèi)完成，對(duì)外只提供明文數(shù)據(jù).同時(shí)，SAASM改變以前采用的對(duì)稱密鑰體制，采用非對(duì)稱密鑰體制，使密鑰的傳輸可以采用公開(kāi)方式進(jìn)行，并且具備接收空中分鑰的能力.在美軍GPS 第三代裝備中，CGM延續(xù)了SAASM 的架構(gòu)，把具備防欺騙、防撬技術(shù)的能力作為選擇研發(fā)生產(chǎn)CGM 工業(yè)伙伴的必要條件.

除此之外，美軍每一代GPS 用戶裝備不斷加強(qiáng)選擇可用性和反欺騙，高度重視抗干擾技術(shù)的研究，不斷提高與抗干擾能力密切相關(guān)的天線抗干擾能力，因此安全性與密碼保障能力得到極大地提高.

2)注重裝備建設(shè)的通用性

GPS 軍用裝備沒(méi)有按照各軍兵種單獨(dú)發(fā)展，而是由JPO 統(tǒng)管，在裝備建設(shè)上盡量擺脫軍兵種特色，堅(jiān)持能通不專的原則，盡可能把每一型號(hào)應(yīng)用范圍擴(kuò)大，使同一型號(hào)在不同軍兵種廣泛應(yīng)用，減少裝備型號(hào)，進(jìn)而減少裝備研發(fā)重復(fù)投入和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)大每種型號(hào)的生產(chǎn)規(guī)模，降低生產(chǎn)成本.比如對(duì)于加裝在飛機(jī)和艦船上的用戶裝備進(jìn)行了最大程度上的通用性設(shè)計(jì)，美軍絕大部分飛機(jī)采用MAGR2000 接收機(jī)，艦船則主要采用3S 接收機(jī).

3)不斷提高模塊和芯片化水平

美軍GPS 用戶裝備的發(fā)展道路經(jīng)歷了從箱式到插件，再到模塊的演化過(guò)程.圖5 為2008 年開(kāi)始的MGUE 計(jì)劃，提出了以CGM 為核心的裝備建設(shè)發(fā)展思路，并基于CGM 開(kāi)展GB-GRAM-M 和GRAMS/M 兩種嵌入式板卡.CGM 是美軍第三代GPS 裝備的核心組件，其實(shí)質(zhì)是對(duì)SAASM 模塊的進(jìn)一步強(qiáng)化，功能性能更為強(qiáng)大、安全性更高、體積功耗更小，集成應(yīng)用更為靈活.

圖5 美軍現(xiàn)代化GPS 用戶裝備計(jì)劃

4)重視裝備的向下兼容性

GPS 用戶裝備每5～8 年進(jìn)行一次較大的裝備技術(shù)升級(jí)改造，約10～15 年進(jìn)行一次裝備換代.GPS用戶裝備在發(fā)展過(guò)程中具有高度的向后兼容性，每一次升級(jí)或換代都是在原有裝備基礎(chǔ)上的一次功能、接口的拓展和性能提升.以手持裝備為例，第一代手持機(jī)PLGR 經(jīng)歷了1997 和1999 年兩次升級(jí)，2004 年第二代手持裝備DAGR 開(kāi)始裝備部隊(duì)，第三代手持裝備也將不久開(kāi)始裝備部隊(duì).DAGR 與PLGR 相比提升了裝備的安全性能、增加了圖形用戶界面和多項(xiàng)與作戰(zhàn)結(jié)合的實(shí)用功能，體積重量和功耗也大幅降低；而開(kāi)發(fā)中第三代手持機(jī)在DAGR基礎(chǔ)上增加了M 碼的應(yīng)用能力.裝備的持續(xù)升級(jí)和向下兼容不僅最大限度地繼承了早期的技術(shù)成果，減小了研發(fā)投入和生產(chǎn)成本，而且極大減輕了裝備培訓(xùn)和維修保障難度.

5)高度重視用戶裝備研制

GPS 用戶裝備普遍具有功能強(qiáng)、性能好、應(yīng)用質(zhì)量可靠性高的特點(diǎn)，受到美軍及其盟軍的高度認(rèn)可.例如，絕大部分用戶裝備的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)指標(biāo)都在15 000 h 以上，訂貨量最大的GRAM 板卡超過(guò)了20 000 h，整機(jī)、天線、板卡的質(zhì)保期都達(dá)到10 年.GPS 用戶裝備之所以具備如此品質(zhì)與美軍對(duì)裝備研發(fā)階段的高度重視密不可分.

美軍新一款GPS 用戶裝備從簽訂合同到大批量生產(chǎn)裝備部隊(duì)這個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段，即需求論證、總體設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程化、部隊(duì)試用和裝備完善，其中需求論證和總體設(shè)計(jì)在整個(gè)GPS 用戶裝備研制過(guò)程中是工作量最大也是最關(guān)鍵的階段，而大批量列裝前的部隊(duì)試用和裝備完善階段也得到高度重視.

3 GPS 用戶裝備發(fā)展趨勢(shì)

上世紀(jì)90 年代美軍提出了GPS 用戶裝備發(fā)展從箱式整機(jī)到板卡再到模塊、芯片，最終到嵌入式軟件的技術(shù)演化路線，并始終沿著這一路線發(fā)展，具體如圖6 所示.目前已進(jìn)入到模塊階段，可以預(yù)計(jì)，未來(lái)10 年內(nèi)GPS 用戶裝備發(fā)展總的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是向單芯片系統(tǒng)發(fā)展.此外，作為面向用戶的裝備，美軍還在以下幾個(gè)方面提出了裝備現(xiàn)代化的發(fā)展需求和思路.

圖6 GPS 用戶裝備形態(tài)技術(shù)演化

1)多GNSS 軍用接收機(jī)

開(kāi)發(fā)能夠接收GNSS 系統(tǒng)信號(hào)的軍用接收機(jī)是相關(guān)機(jī)構(gòu)在對(duì)上千名一線美軍士兵調(diào)研后得出的需求和建議.隨著世界各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)推進(jìn)，用戶可接收的衛(wèi)星信號(hào)越來(lái)越多，應(yīng)用資源越來(lái)越豐富.相比于當(dāng)前只能接收兩個(gè)頻點(diǎn)的軍用信號(hào)的GPS 用戶裝備而言，多GNSS 接收機(jī)的抗干擾能力更強(qiáng)，可用性更好，且定位精度更高.美軍自2008 開(kāi)始的MGUE 計(jì)劃開(kāi)發(fā)的CGM 模塊已能夠處理和應(yīng)用在L1、L2 兩個(gè)頻點(diǎn)上的所有軍、民導(dǎo)航信號(hào)，下一代CGM 將能夠接收GPS 所有信號(hào)和Galielo 的E1、E2、E5 信號(hào).美軍的一些專家建議，應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)能夠接收所有天基和地基PNT 信號(hào)的多GNSS 軍用接收機(jī).

2)具有網(wǎng)絡(luò)中心能力

美軍認(rèn)為，未來(lái)的GPS 用戶裝備不再僅作為獨(dú)立的用戶裝備，而且是作為具有自動(dòng)上報(bào)功能的位置、時(shí)間和其他戰(zhàn)場(chǎng)信息的傳感器，因此未來(lái)的GPS 用戶裝備應(yīng)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，具備豐富的通信手段和強(qiáng)大的通信能力.應(yīng)當(dāng)集成移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、Wi-Fi、藍(lán)牙等各種無(wú)線通信能力，為每個(gè)用戶裝備作為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn).

3)不斷提高安全性與密碼保障能力

美軍高度重視裝備的安全性，重點(diǎn)發(fā)展GPS 安全設(shè)施建設(shè)，不斷提高密碼保障能力.GPS 用戶裝備在硬件結(jié)構(gòu)和密鑰結(jié)構(gòu)上極大提高了安全性，并通過(guò)改變GPS 軍用裝備的管理保障模式以及相關(guān)政策法規(guī)的保障，實(shí)現(xiàn)對(duì)軍用設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加注和最終應(yīng)用去向全過(guò)程的嚴(yán)格監(jiān)管與控制.因此，將安全性作為首要前提，通過(guò)技術(shù)改革和政策保障，不斷實(shí)現(xiàn)安全性與密碼保障能力的迭代提升，是GPS 用戶裝備的一大發(fā)展趨勢(shì).

4)不斷吸納民用技術(shù)優(yōu)勢(shì)

軍用裝備具有安全性高、抗干擾能力強(qiáng)，能在復(fù)雜電磁環(huán)境下獲得可靠的PNT 信息，但也存在人機(jī)界面不友好，應(yīng)用功能較為單一，便攜性不強(qiáng)等缺點(diǎn).因此，將先進(jìn)的民用產(chǎn)品技術(shù)和特色融入軍用產(chǎn)品中成為GPS 用戶裝備的又一發(fā)展趨勢(shì).具體包括以下幾個(gè)方面：一是進(jìn)一步縮小裝備的體積、重量和功耗，提高裝備的便攜性和對(duì)各種主戰(zhàn)平臺(tái)的安裝適應(yīng)性；二是向智能化發(fā)展，采用Windows、Android、iOS等通用的操作系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)友好、直觀的人機(jī)界面，具備應(yīng)用程序下載功能，通過(guò)軟件不斷豐富裝備功能；三是能夠?qū)崟r(shí)顯示三維地圖數(shù)據(jù)以及谷歌、衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù).

4 結(jié)束語(yǔ)

BDS 作為我國(guó)研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，對(duì)于我國(guó)軍事等領(lǐng)域發(fā)展具有重要意義[10]，而終端發(fā)展也十分必要.本文以美國(guó)軍用衛(wèi)星導(dǎo)航用戶裝備為主，對(duì)GPS 第一代、第二代、第三代典型用戶裝備及實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上總結(jié)GPS 用戶裝備的發(fā)展特點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航終端裝備的發(fā)展重點(diǎn)、最新發(fā)展計(jì)劃及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)，希望能夠?qū)ξ覈?guó)BDS 終端發(fā)展提供一定借鑒.