美国GPS系统发展现状

目前，在美国GPS－2F导航卫星密集发射的同时，全新一代的GPS－3A的研制和生产以及地面段的现代化改造等工作也在紧锣密鼓地进行。

1 第3颗GPS－2F卫星成功发射

2012年10月4日，德尔他－4火箭携带一颗GPS－2F卫星从卡纳维拉尔角发射升空，3个多小时后卫星进入轨道。

美国空军于1996年将GPS－2F卫星的研制合同授予了波音公司。按照最初的计划，美国空军将采购33颗GPS－2F卫星，不过这份订单最终减少到12颗。此次发射的GPS－2F卫星为12颗卫星中的第3颗，之前的2颗卫星分别于2010年5月28日和2011年7月16日发射升空。第3颗GPS－2F卫星在轨测试完成之后，用于替代1993年6月26日发射的GPS－2A卫星。目前9颗未发射的GPS－2F卫星中已经有3颗制造完成并入库保存，另有6颗还处于制造和测试中。

GPS－2F卫星是目前美国发射的最先进的导航卫星，同时也是美国GPS现代化计划非常重要的组成部分。与前一代的GPS－2RM卫星相比，GPS－2F增加了一个高精度民用导航信号—L5频段，其中心频率为1176.45MHz，主要用于民用航空领域。星上采用了更加先进的原子钟和太阳电池，星载原子钟包括1台铯钟和2台铷钟，采用了美国海军研究实验室开发的数字化星钟技术，进一步提高了星钟系统的稳定性，误差达到8ns/天的等级；同时，为满足导航信号数量和功率增加的要求，GPS－2F卫星采用艾培尔（ABLE）公司开发的新型太阳电池翼，该太阳电池翼质量约54.93kg，设计在轨工作寿命为12年，并且可以在地面贮存8年，即使在寿命末期，仍能够提供超过2610W的功率。

此外，GPS－2F卫星还使用了更加安全、抗干扰能力更强的军用M码信号，并将军用码和民用码完全分开。由于克林顿时代取消了在民用码中增加干扰以降低其精度的选择可用性（SA）政策，所以目前的GPS民用码有足够的精度用于武器制导，很多的非美国盟国也能用GPS民用码进行武器制导。而GPS－2F卫星将军用和民用信号分开，在战争期间可使该卫星对特定地区关闭被敌方利用的民用信号，以保证己方使用加密的军用信号。

2 第1颗GPS－3A卫星完成发射预备演习

目前，美国新一代导航卫星GPS－3A的研制和生产工作也在紧锣密鼓地进行着。据全球导航卫星系统（GNSS）内参网站2012年9月7日消息，洛马和雷神公司已经于8月24日成功完成了GPS－3A首颗星的发射预备演习，对于计划于2014年发射该卫星的任务来说，迈出了重要里程碑式的一步。

2012年1月，洛马和雷神公司共同建立了“车间到车间”的通信链路，使得远在宾夕法尼亚州新城市的洛马公司车间中的GPS－3A卫星可以与位于科罗拉多州奥罗拉市的雷声公司新一代GPS运行控制系统（OCS）进行数据通信与控制测试。并在此基础上，成功进行了首颗GPS－3A卫星的发射预备演习。通过为期3天的演习，验证了卫星的基本指挥和控制功能，测试了软件和硬件接口，并对卫星发射和早期入轨任务中所需进行的各种操作程序进行了演示。

“一箭双星”发射GPS－3A卫星构想

美国空军GPS指挥部主任伯尼·格鲁伯上校说：“首颗GPS－3A发射预备演习的完成是整个GPS业界的一个重要里程碑，它标志着我们正在发展的下一代GPS卫星与下一代GPS操作控制系统正在协调稳步地向前发展。”

根据2008年5月15日美国空军授予的合同，洛马公司将研制和生产8颗GPS－3A卫星。与GPS－2F卫星相比，GPS－3A卫星的M码信号将更强，具有更好的抗干扰能力。同时，GPS－3A卫星还将在L1频段增加与欧洲“伽利略”（Galileo）系统完全兼容、并具有互操作性的L1C民用信号。GPS－3A卫星还将开展GPS星间链路的演示与验证工作，为GPS星间链路的建立奠定基础。与目前GPS卫星已经具有的星间链路不同，GPS－3卫星的星间链路将采用Ka频段（原为UHF频段），星间链路的信号播发方式也由广播式改为点对点的传输，从而能大大提高安全性。届时，星－星与星－地的通信能力将提高到100Mbit/s。

美国空军计划从第9颗GPS－3卫星开始，使用“一箭双星”方式发射卫星，以降低发射成本，预计平均每颗卫星的发射费用将降低5000万美元。目前，研究小组已经提交了一种采用宇宙神－5火箭捆绑5个固体火箭助推器的发射方案，该方案将2颗GPS－3卫星采用上下堆叠的方式置于5m高的整流罩中。

3 GPS系统在轨卫星运转良好

截止到2013年2月20日，GPS星座中正在工作的卫星共计有31颗，其中包括9颗波音公司制造的GPS－2A卫星、12颗洛马公司制造的GPS－2R卫星、7颗洛马公司制造GPS－2RM及3颗波音公司制造GPS－2F卫星。

这些在轨卫星中，运行时间最长的达22年。根据目前的美国国防部计划，为了确保在轨卫星数目的充足以及对老旧卫星的及时更替，预计到2030年美国国防部还将发射40到50颗卫星，这其中不但包括12颗GPS－2F的后9颗、8颗GPS－3A卫星，还将包括更为先进的16颗GPS－3B卫星以及8～16颗GPS－3C卫星，其中最先进的GPS－3C卫星将具备播发“点波束”M码信号的能力，从而实现对未来导航战的支持。

4 地面段建设有条不紊

GPS系统地面控制段主控站位于科罗拉多州施里弗空军基地，4个地面天线（注入站）分别位于卡那维拉尔角、阿松森、迭戈加西亚和夸贾林环礁，6个监测站分别位于施里弗空军基地、卡那维拉尔角、阿松森、夏威夷、迭戈加西亚和夸贾林环礁。

1999年美国提出了GPS现代化计划，其中地面控制段的现代化分为3个阶段，包括体系结构演进计划（AEP）、新一代运行控制段 1（OCX 1）和OCX 2。

AEP阶段主要增强对现代化改进的GPS－2RM和2F卫星的运行控制能力，主要内容包括GPS主控站改造、新建GPS备份主控站（位于加利福尼亚的范登堡空军基地），增加抗干扰、抗欺骗能力，并将原属美国国家地理空间情报局（NGA）的10个GPS监测站纳入到GPS地面控制段的体系中，增强GPS星座的监测与控制能力；利用美国空军卫星控制网（AFSCN）的8副地面天线对GPS系统原有的4副地面天线进行补充，增强上行注入能力。

OCX 1阶段与OCX 2阶段主要内容包括建立全新的GPS地面控制段体系结构；实现对新导航信号（L1C、L2C、L5C和军用M码信号）的监测；增加对GPS－3卫星新增能力的管理与控制能力，如灵活的信号功率配置、星－星和星－地链路及点波束能力等。按照目前计划，OCX 1阶段将在2016年具备全面运行能力，从而实现对L2C和L5信号的监测；而到OCX 2阶段完成时，GPS系统地面控制段将具备管理32颗卫星组成的GPS星座的能力。

美国GPS卫星在轨情况统计表

SA关闭前后定位精度对比

GPS系统定位精度统计图

5 定位精度提高，应用领域扩大

2000年5月2日前，美国采取SA政策，人为地将误差引入GPS卫星星钟和卫星数据中，故意降低GPS精度，其直接影响是C/A码的精度从20m降低到100m。车载导航系统不能提供精确转向，民用GPS装置也不能精确定位到某个街区，更不要说定位某条道路了。2000年5月2日后，美国关闭了SA开关，使全球民用GPS接收机的精度瞬间得到大幅提升，定位精度从原来的足球场大小缩小到一间屋子大小。

2000年以来的12年里，GPS的定位精度一直在不断提高。今天，利用GPS基准站、更优化的算法和更先进的接收机，以及性能卓越的民用GPS设备不仅能够定位街道，而且能够定位用户在街道的哪一边。在GPS系统定位精度统计图中给出了2012年1－5月全球GPS普通用户的定位性能数据，可以看出大约有50%用户的平均定位精度达到1.58m，而95%用户的平均定位精度达到了2.55m。当前，对于一些特殊的用途，利用GPS信号的载波相位和互联网可使定位精度达到厘米量级，甚至毫米量级。从而进一步促进了GPS在各领域的应用。

GPS应用领域

完成AEP改造后的GPS地面控制段地理分布OCS-运行控制系统，NGA-国家地理空间情报局，AFSCN-美国空军卫星控制网

在军事应用方面，美军不仅将GPS技术应用到飞机、导弹等高技术武器上，甚至为单兵配备了接收设备。借助GPS系统，战斗机、轰炸机、侦察机和特种作战飞机可以全天候准确无误地执行任务；坦克编队可在没有特征的沙漠地带完成精确的机动；扫雷部队可安全通过雷区、准确测定布雷位置以便将其摧毁；给养运输车能在沙漠中发现作战人员并为其提供补给；特别行动直升机与攻击直升机能够协同作战。可以说，GPS系统已经成为美军必不可少的战斗保障设施。

在民用方面，GPS更是遍地开花。传统应用如汽车导航、个人定位服务、精密农业、海事以及测量等等领域，每年的新应用和新产品都层出不穷；近两年，GPS在野生动物跟踪研究与保护、地球科学及环境研究等新兴领域更是有了长足发展。例如，美国俄亥俄州立大学著名地质力学专家迈克尔·贝维斯带领他的研究团队，在格陵兰岛的冰原地区建立了一个GPS测量网络，用于监测格陵兰岛的冰川融化情况；未来通过该网络，贝维斯的研究团队可以在1个月内跟踪监测到格陵兰岛冰川的剧烈变化。