美军加速推进“GPS现代化”助力美军导航战

崔潇潇 赵炜渝 李秀红（北京跟踪与通信技术研究所）

1 引言

现代战争中，部队指挥控制和快速反应协同，提升武器装备打击精度和作战效能等，都离不开卫星导航系统。海湾战争中，美军首次将卫星导航系统投入现代战争使用。尽管当时“全球定位系统”（GPS）星座并未部署完毕，但临时装备GPS导航接收机的武器装备战斗力仍得到成倍提高。此后，科索沃战争、阿富汗战争以及伊拉克战争中都能看到GPS导航系统的参战身影。

GPS导航系统看似具有革命性影响，但技术缺点也尤为致命。该系统需要发送和接收卫星信号，存在导航频率公开、长距离传输信号弱、易受电磁和网络攻击等缺陷，且极易被拒止、削弱甚至欺骗。一旦卫星出现故障无法提供服务时，将对依赖该系统的作战人员和武器装备带来灾难性后果。

早在伊拉克战争期间，伊军曾使用干扰器对美军部分制导武器实施干扰，使其偏离打击目标。俄罗斯针对北约的制导导弹研制出信号干扰机，可在导弹飞行不同阶段对其导航信号实施干扰。此外，还有其他种类繁多的干扰设备。

在GPS系统自身缺陷逐渐暴露和多元化的空间资源环境逐步形成的情况下,美国担心其在欧洲的支配和主导地位受到削弱,也担心对它具有潜在威胁的国家拥有卫星导航定位技术之后,对其国家安全造成威胁。未避免其在卫星导航领域内的垄断地位受到挑战，美军从21世纪初开始实施“GPS现代化”项目。

“GPS现代化”计划由美国国防部研制和发展，1973年开始方案论证、仿真试验、系统试验和设备研制，经过多年的不断发展和改进，共有7种卫星，分别是GPS－1、GPS－2、GPS－2A、GPS－2R、GPS－2M、GPS－ 2F和GPS－3。截至2018年底，美国有31颗在轨运行的GPS卫星，提供定位、导航与授时（PNT）服务，新发射的卫星将逐步替换上一代GPS卫星。

2 美国“GPS现代化”计划概述

“GPS现代化”计划将发射新一代导航卫星，逐步代替上一代卫星。旨在保持未来30年内美国在卫星导航系统上的优势地位，改进GPS的总体性能，推动美国的国家政策，确保在提供GPS全球服务和“全球导航卫星系统”（GNSS）全球应用上的领先地位。从目前情况来看，“GPS现代化”计划的主要举措包括以下几方面。

空间段升级

（1）优化星座布局

GPS卫星分布在6个轨道面，这种星座布局不利于GPS用户定位。因此，2009年11月5日，第14空军中队、空军航天司令部、空间联合功能部队司令部和美国战略司令部在范登堡空军基地联合向国家PNT咨询委员会提出了重新配置GPS星座的提案。2010年1月，美国空军宣布执行24＋3星座布局方案。该方案依据2008年9月颁布的《GPS标准定位服务性能标准》中定义的24轨位星座的概念。该标准指出：24个轨位有3个是可扩展的，在1个可扩展的轨位上有1对卫星连在一起，24＋3星座布局就是要将连在一起的卫星分开，对其中部分重要卫星的轨道位置进行调整。

（2）卫星“推陈出新”

为了更新导航卫星，承载更加强大的导航信号与服务，美军积极开展相关导航卫星的退役和增补工作。自2005年至今，美军先后完成了20余次发射任务，成功将8颗GPS Block 2R（M）卫星和12颗GPS Block 2F卫星送入轨道，完成全面现代化计划中的第一和第二步，这些卫星进一步提高了导航信号服务质量。

（3）史上最强大GPS卫星－ GPS－3

美军正在全力研制生产下一代也就是第三代GPS卫星—GPS－3。该系统性能更加卓越，将进一步延长使用寿命、提高精度、增强抗干扰能力。美国计划利用32颗GPS－3卫星取代目前在轨的旧卫星。

2018年12月23日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon－9）火箭成功发射了GPS－3的首颗卫星，此次发射标志着期待已久的GPS系统现代化升级之路终于迈出了实质性的一步。

GPS－3整体性能的确有很大提升，具体表现在以下几个方面：

1）定位精度进一步提高。GPS－3卫星配备了经过70%独特数字设计的任务数据单元（MDU），连接了原子钟、辐射强化计算机和强大的发射器。由于星载原子钟、热控单元、全数字导航信号生成等方面的技术升级，使其这类卫星可提供更高稳定度的定位信号，这使得GPS－3将把GPS－2时代的民用导航系统定位精度提高了3倍，将从目前的3m提升到1m。在实现1m民用精度后，GPS－3将令民用领域卫星导航定位的运用场景获得焕然一新的突破。

提供给美军乃至北约盟国的定位精度至少要高出1个数量级，精度更高可使得美军的精确打击能力再次提升。对于美军需要打击的一些特定目标来说，提升定位精度的意义是非比寻常的。

测试中的GPS－3卫星

GPS－3在轨示意图

全球各大导航卫星系统

2）发射功率更高，抗干扰能力更强。GPS－3导航卫星使用了更新的大功率发送组件，令其信号功率更出色。其抗干扰能力是二代星的8倍，卫星寿命将延长至15年。新一代全球卫星导航系统采用综合性、整体化抗干扰设计，旨在打造“攻守一体”能力。作为美国空军的战略级项目，GPS－3导航卫星优先考虑军事用途，它围绕着美军“新世纪导航战”的思想，采用了综合性、整体化的抗干扰设计，能挫败近年出现的一些GPS干扰手段。

在“进攻”策略方面，GPS－3卫星实现了依据作战需要，灵活切断特定地理区域导航信号的能力，可以有效地阻碍使用GPS民用信号及相关差分技术进行导航的敌方作战平台与武器。GPS－3卫星的这种可迅速关闭特定位置导航服务的能力，可主动“打击”敌人。另外，第三代全球卫星导航系统将军用信号与民用信号彻底分离，从根本上提升军用信号的安全性。

3）各项新技术手段全面提升。GPS－3卫星采用标准接口及灵活、轻松插入的模块化架构，可更加智能、快速地构建下一代导航系统，使卫星具备在轨编程和在轨升级能力，将可根据任务需求进行安装，非常便捷；通过采取军、民频段分离，增加新的民用信号L1C，可实现与GNSS的互通。

GPS－3导航有效载荷通过采用新的一个任务数据单元，其70%采用数字化设计，连接原子钟、辐射加固计算机和强大的发射机，这些新的技术手段将增强卫星信号功率，以及信号与GNSS的兼容性。新一代导航有效载荷还将为新的GPS－3搜救有效载荷提供时钟信号。

地面段升级

GPS系统的地面段是GPS地面运行控制系统（OCX）的核心部分，它承担着整个系统运行监测、控制和管理的功能，能够实时生成并向导航卫星注入导航电文数据。目前，GPS地面控制段由1个主控站（MCS）、1个备用主控站、17个监测站和12个地面天线组成。

目前，美国空军正在加快新一代GPS地面系统即GPS OCX的开发和部署工作。新一代GPS OCX是下一代地面高性能实时运行系统，它旨在为军用、商业和民用用户提供安全、精确、可靠的导航与授时信息。GPS OCX将集成地面段、空间段和用户段的服务于一体，以加强其无缝支持全球数十亿用户的任务指挥、控制及态势感知能力。OCX控制段将增加系统容量，支持新型GPS－3卫星。

与上一代OCX相比，新一代的GPS OCX计划性能显著增强，大大提高了整个系统的性能和效率，主要包括：①采用新的Kalman滤波器提升所有用户精度；②解除对GPS星座中卫星数量的上限，允许更多的卫星参与运行；③所有关键的OCX外部接口将采用数字签名，保护信息不被篡改。

信号体制升级

为了更加全面地增强GPS系统的信号体制，提升系统的应用性能及与其他系统的兼容互操作能力，在GPS现代化计划中新增了部分新型信号类型，主要包括：①第二民用信号：在GPS 现代化计划中由GPS Block 2R（M）卫星首次搭载，是播发在 L2频点上的民用信号，使得民用接收机实现双频测量成为可能，满足了民用用户在复杂环境下的高精度定位导航需求；②第三民用信号：在GPS现代化计划中由GPS Block 2F卫星首次搭载，是播发在 L5 频点上的民用信号，主要为满足生命安全救援及其他高精度应用需求，同时支持包括航空应用等在内的高可靠性导航定位业务；③第四民用信号：使用了低密度压缩编码（LDPC）等先进编码技术，同等发射功率下具有更强的抗干扰、纠错能力，意味着在树荫遮蔽、车内、室内等微弱信号条件下的定位能力和可用性将大大加强；④军用码/M码：首次搭载于 GPS Block 2R（M）卫星上，是同时播发在L1和L2频点的新型军用信号，与之前的P码不同，军用码可以实现自主定位，不需要粗捕获码的辅助，是未来10余年美军及其授权用户的主要军用信号。

3 未来发展规划

未来，第三代全球卫星导航系统将进一步提升美军在未来导航领域的博弈实力，目前还有总价值至少为126亿美元的23颗新型卫星需要进行制造或者发射。第二颗GPS－3卫星将于2019年升空。

最终，美国空军计划在未来20年发射32颗军民两用的第三代GPS卫星，用于全面替换目前运行的第二代GPS卫星。据计划，新一代导航卫星GPS－3共有36 颗卫星，包括 A、B、C三种类型。其中，GPS－3A卫星12颗、GPS－3B卫星8颗、GPS－3C卫星16颗。

1）GPS－3A 卫星：主要任务是提高定位精度，扩大信号覆盖范围，该类卫星搭载播发在 L1 频点的第四民用信号（L1C信号），以实现与未来其他卫星导航系统的兼容互操作。

2）GPS－3B 卫星：主要任务是增加星间链路载荷，卫星安装4副反射面天线，可以实现卫星注入电文和测控数据的星间传递，从而确保在地面测控和注入部分失效情况下的星座自主运行能力，提高系统抗毁生存能力。

3）GPS－3C 卫星：主要任务是提升军用码的能力，该类卫星计划装备大功率、点波束发射系统，可以将局部地区军用码功率提升100倍，实现指定区域内的点波束增强应用，从而提升GPS对于重点战区的服务可用性。

到2034年，第三代全球卫星导航系统组网“星座”部署完毕，将在高效导航、精确定位、快速通信和精准授时领域发挥重要作用。

4 综合分析

美军对于GPS发展战略的基本思路非常清晰：确保其军事使用的优先权及其在卫星导航领域中的核心地位，同时又决不放弃任何从巨大的民用市场中获得经济和政治利益的可能性。

美军加紧构建弹性、稳健的GPS系统

近年来，随着国外卫星导航领域的飞速发展，多个国家卫星导航系统的发展取得了里程碑式的阶段性成果，卫星导航领域竞争态势加剧。卫星导航作为最重要的空间信息基础设施，已广泛渗透到了国家安全和经济运行中。

美国一直以来将卫星导航系统作为维护本国空间利益和安全、占据太空优势地位的重要手段，从战略上、体系上谋划卫星导航系统装备技术的发展。近年来，更是加紧了对新一代GPS－3卫星系统的建设。目前，正在以强劲势头构建弹性、稳健的GPS系统。主要建设重点包括：

1）新技术的开发利用，采用新技术研发新产品，推动GPS系统的应用向各个级别、各个方面深入发展，满足不断增长的各种需求，尤其是支援和保障军事行动的需求。

2）抗干扰能力的增强。由于GPS卫星离地表高度较高，卫星信号到达地面时较弱,信噪比较低，且以固定频率发射，极易受到敌方的干扰、利用或破坏。对此，美军决定通过“GPS现代化”计划重点增强系统在干扰环境下的工作能力。

3）卫星星座的优化。现役主体卫星都会有寿命到期，最后“寿终正寝”的问题。要想使卫星能够提供更加高效、连续实时的精确位置、速度和时间信息，就得采用更先进的卫星进行补网。

4）有效竞争。面对欧洲“伽利略”(Galileo)卫星导航系统的兴建和俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）卫星导航系统的快速复苏，美国要确保GPS具有并保持先进性。为此，美军正在加速推进“GPS现代化”，助力美军导航战。

美军开发多途径缓解“GPS依赖症”以提高导航系统整体性能

根据美军的“导航战”概念，战争中，美军将着力阻止敌方使用全球卫星导航系统信号，并保证己方和盟友可以有效利用卫星导航信息，同时不影响战区以外区域和平利用卫星导航信息。不仅如此，美军还根据任务需要,将导航战划分为进攻导航战和防御导航战。前者具有指使敌方卫星导航系统在规定区域内失效的能力，后者则具有设法阻止敌方具备对卫星导航系统实施进攻的能力。

即便如此，美军仍在开发新一代PNT系统，或通过多种新型导航定位手段缓解美军的“GPS依赖症”。近年来，美军还大力推动惯性导航技术研究，实现与全球卫星导航系统协同使用，使导航系统的整体抗干扰能力大幅提升。

美军改进GPS系统为其作战能力和武器装备效能提升提供重要支撑

第三代GPS系统是美国在兼顾军事应用和领先全球卫星导航系统发展的前提下，对GPS系统进行重大改进，将成为美军作战能力和武器装备效能提升的重要支撑。一方面，GPS系统定位与授时精度及抗干扰能力，将随着GPS-3卫星部署大幅提高，不仅可提升美军以及盟友精确制导武器打击精度，强化以GPS系统为核心的时空基准对美军联合作战的保障作用，还将帮助美国继续掌控制定卫星导航系统标准的话语权。另一方面，GPS-3卫星以及相应的信号屏蔽技术将成为美军实施导航战的重要支撑，能达到阻止敌对势力利用GPS系统的目的，为美军抢夺战场“制导航权”、获取作战信息优势提供重要基础；性能先进的GPS-3卫星还将促进世界各国加强对其制衡措施的研究，推动电子战、赛博电磁对抗等能力的深入发展。

5 结束语

美国GPS系统是已经发展了30多年的成熟系统，全球覆盖，军用价值极高；人类历史上仅次于“国际空间站”、航天飞机和“阿波罗”登月的第四大航天项目，技术最先进，军用精度极高；是目前世界上最先进的导航卫星。卫星导航定位系统是现代战争的重要信息来源，作为世界上最早的卫星导航系统，GPS正不断地进行其现代化革新进程，积极研究美军GPS系统的相关技术，跟上世界卫星导航技术的发展步伐具有重要意义。