美国军用卫星导航用户装备发展现状及趋势

刘栋梁，陆静，郑紫霞，张嵩

(中国航天标准化研究所,北京 100071)

0 引言

卫星导航系统作为当前社会使用最广泛、最便捷、最有效的高精度、高实时、高可靠定位、导航和授时(PNT)手段.自问世以来深刻地改变了人类社会生产生活方式，颠覆了军事领域战争形态和作战样式.

20 世纪90 年代初，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo 相继建成，而我国的北斗卫星导航系统(BDS)作为当前全球四大全球卫星导航系统之一，已经可以和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo 相竞争[1-3].随着信息技术以及通信导航技术的发展，终端发展愈发必要，关于导航用户装备的研究也越来越多[4-6]，希望能够寻求突破.

目前，美国卫星导航用户装备已在多个领域有实际应用，并在近年的战争中发挥了关键作用.为提高“导航战”能力，美国不断研究并开发新的GPS 终端设备或接收机，把各种新技术融入设备之中，真正做到了技术为装备服务.本文以美国军用卫星导航用户装备为主，对GPS 第一代、第二代、第三代典型用户装备现状进行分析，在此基础上总结了GPS 用户装备的发展特点，并提出了GPS 用户装备的发展趋势，为我国卫星导航终端设备的研制提供了一定的参考价值.

1 GPS 用户装备现状

自1990 年的海湾战争到目前美军的GPS 用户装备已历经三代，走过了从箱式整机到板卡，再到模块的技术演变历程.形成了脉络清晰、前后相承的装备发展路线和具有通用化、系列化、模块化特征的简约实用的用户装备型谱.美军研制并装备过的主要用户装备及发展关系如图1 所示[7].

图1 GPS 用户装备家族树

GPS 用户装备采用装备形态与应用领域相结合的分类方式，总体上分为单机独立应用装备(便携或手持)、嵌入与集成应用装备、安全设备和天线系统四大类.其中单机独立应用装备和嵌入式集成应用装备为终端装备，安全设备和天线系统为模块或芯片装备.

1.1 GPS 第一代用户装备

第一代GPS 用户终端装备以整机为主，均为单频接收机，且有通道数少、体积和重量大等明显不足的问题.安全装备包括精密定位服务安全模块(PPSSM)和辅助输出芯片(AOC)，由于不具备防撬功能，而且两个安全设备之间有明文和加密数据传输，因此GPS 第一代用户装备被认为是涉密装备，其注册管理和密钥加注采用物理介质传输方式，给勤务保障造成了极大负担.

第一代GPS 用户终端装备实际上经历了两个发展阶段，第一阶段是上世纪80 年代末和90 年代初，图2 为单兵便携装备Manpack 和SLGR，机载高动态装备为3A 接收机、中低动态装备为双通道接收机，船载为3S 接收机.第二阶段为90 年代中后期，单兵手持装备被第一款真正手持军用轻型精码GPS 接收机(PLGR)所取代，同时PLGR 也是各种地面车辆的应用装备，机载装备由功能相同，但体积重量仅有3A 接收机三分之一的微型机载GPS 接收器(MAGR)取代，船载装备在开发了基于VME(VersaModule Eurocard)总线的GVRC 接收机卡以替换3S 接收机中的GPS 板卡，实现了对3S 接收机的升级.

图2 Manpack 接收机和SLGR 接收机

1.2 GPS 第二代用户装备

第二代GPS 用户装备采用开放式架构设计，其核心是选择可用性抗欺骗模块(SAASM)，这是新一代的GPS 安全模块，是对第一代安全模块进行了整合，使其安全性更高，从而使GPS 军用接收机从涉密装备变为非密装备，解决了灾难性的管理保障困难，因此成为GPS 军用装备必不可少的核心组件，同时也成为二代用户装备的标志.

作为型号装备，美军重点发展了单兵/车载和机载装备.手持装备DAGR 继承了第一代手持机PLGR 的功能特点，但体积更小、重量更轻，实现了单手操作，且首次采用了图形界面.MicroDAGR 是DAGR 的升级版，如图3 所示，采用了彩色图形界面，增加了摄像头、MP3 等功能，并且体积减小到适合在手腕上佩戴.CSEL 是一款战斗救生型装备，实际上它不仅具有GPS 定位功能，还能通过通信卫星发送生还者位置并接收指令，因此是一款多卫星系统用户装备，而且还具有通过地面长波电台通信的能力，但舰载装备仍采用升级后的3S 接收机[7].

图3 MicroDAGR 接收机

1)第二代GPS 用户装备发展重点是嵌入式板卡，即GPS 接收机应用模块(GRAM).如图4 所示，这是一组由GPS 联合工程办公室(JPO)定义和认证的GPS 军用接收机标准板卡.

图4 GRAM 板卡

根据美军相关政策要求，在没有获得JPO 豁免的情况下，所有军用接收机必须基于GRAM 进行开发，因此也标志着GPS 装备发展从箱式向板卡的过渡.

1.3 GPS 第三代装备及美军军用装备现代化计划

根据GPS 联合办公室于2009 年启动军用GPS用户装备(MGUE)计划，它的目标是为已有的主用武器平台开发、集成和生产能接收M 码的GPS 接收机.第三代GPS 装备首先在现有SAASM基础上研制安全性更好、芯片化程度更高，能提供核心的GPS 信号处理功能的通用GPS 模块(CGM)[8].

美国军用装备现代化计划以分阶段增量发展的模式开展，总体上分为两个大的阶段，一是现代化用户设备(MUE)项目，二是军用GPS 用户设备(MGUE)计划.

1)MUE 项目

GPS 现代化的一个最大特点就是设计了军队专用的M 码信号，实现了军民信号的分离，从而提高军用导航信号的对抗能力.美军对GPS 军用装备现代化的最基本要求就是能够接收和利用M 码信号.美国空军从2003 年就开始进行M 码接收技术的研究，2006 年开展了MUE 接收机卡开发项目，这一项目实质上是军用装备现代化前期的关键技术攻关，是为了降低后续MGUE 计划的技术和进度风险而开展的.MUE 项目2013 年才完成，历时约7 年，耗资近5 亿美元.

2)MGUE 现代化计划

MGUE 计划于2009 年正式提出，美国空军在2011 年启动了该计划，虽然当时MUE 项目还未最终完成，但已经进入了测试验证阶段，奠定了一定的技术基础.MGUE 计划的目的是开发具有M 码接收能力的现代化GPS 接收机，以满足军事需求.美国空军将MGUE 计划分为了两个阶段来开展，即增量1 和增量2 两个阶段.

其中，MGUE 增量1 是在MUE技术基础上进行开发，为每个兵种指定的主战武器平台提供M 码信号接收机.此外，在增量1 中提出并研发了计算机图形图元文件(CGM)和组件，作为军用终端的核心基础安全模块；MGUE 增量2 是在增量1 的建设成果的基础上，将开发用于较小尺寸、重量和功耗需求的板卡组件，使其成为未来军用GPS 接收机的“引擎”，是对技术性能的进一步提升和对应用领域的进一步拓展[9].

2 GPS 用户装备发展特点

1)高度重视装备安全性与密码保障能力升级

GPS 军用装备把确保安全使用作为首要前提，因此美军把GPS 安全设施建设以及密码保障能力升级作为重点发展.综前所述，第一代安全设施包括其中AOC 和PPS-SM 两个芯片，由于两者完全独立，明文与密文的交互对用户可见，易于被逆向分析破解，一旦装备丢失将可能造成重大安全问题，同时对密钥分发的后勤保障难度极大.为了彻底改变军用装备安全性问题和后勤保障难题，美军研制第二代用户装备安全设施—SAASM.SAASM 是将AOC 和PPSSM 两个芯片的功能进行了封装，形成一个完整的模块，该模块具有防撬功能，所有加密数据的流动均在该模块内完成，对外只提供明文数据.同时，SAASM改变以前采用的对称密钥体制，采用非对称密钥体制，使密钥的传输可以采用公开方式进行，并且具备接收空中分钥的能力.在美军GPS 第三代装备中，CGM延续了SAASM 的架构，把具备防欺骗、防撬技术的能力作为选择研发生产CGM 工业伙伴的必要条件.

除此之外，美军每一代GPS 用户装备不断加强选择可用性和反欺骗，高度重视抗干扰技术的研究，不断提高与抗干扰能力密切相关的天线抗干扰能力，因此安全性与密码保障能力得到极大地提高.

2)注重装备建设的通用性

GPS 军用装备没有按照各军兵种单独发展，而是由JPO 统管，在装备建设上尽量摆脱军兵种特色，坚持能通不专的原则，尽可能把每一型号应用范围扩大，使同一型号在不同军兵种广泛应用，减少装备型号，进而减少装备研发重复投入和技术风险，扩大每种型号的生产规模，降低生产成本.比如对于加装在飞机和舰船上的用户装备进行了最大程度上的通用性设计，美军绝大部分飞机采用MAGR2000 接收机，舰船则主要采用3S 接收机.

3)不断提高模块和芯片化水平

美军GPS 用户装备的发展道路经历了从箱式到插件，再到模块的演化过程.图5 为2008 年开始的MGUE 计划，提出了以CGM 为核心的装备建设发展思路，并基于CGM 开展GB-GRAM-M 和GRAMS/M 两种嵌入式板卡.CGM 是美军第三代GPS 装备的核心组件，其实质是对SAASM 模块的进一步强化，功能性能更为强大、安全性更高、体积功耗更小，集成应用更为灵活.

图5 美军现代化GPS 用户装备计划

4)重视装备的向下兼容性

GPS 用户装备每5～8 年进行一次较大的装备技术升级改造，约10～15 年进行一次装备换代.GPS用户装备在发展过程中具有高度的向后兼容性，每一次升级或换代都是在原有装备基础上的一次功能、接口的拓展和性能提升.以手持装备为例，第一代手持机PLGR 经历了1997 和1999 年两次升级，2004 年第二代手持装备DAGR 开始装备部队，第三代手持装备也将不久开始装备部队.DAGR 与PLGR 相比提升了装备的安全性能、增加了图形用户界面和多项与作战结合的实用功能，体积重量和功耗也大幅降低；而开发中第三代手持机在DAGR基础上增加了M 码的应用能力.装备的持续升级和向下兼容不仅最大限度地继承了早期的技术成果，减小了研发投入和生产成本，而且极大减轻了装备培训和维修保障难度.

5)高度重视用户装备研制

GPS 用户装备普遍具有功能强、性能好、应用质量可靠性高的特点，受到美军及其盟军的高度认可.例如，绝大部分用户装备的平均无故障时间(MTBF)指标都在15 000 h 以上，订货量最大的GRAM 板卡超过了20 000 h，整机、天线、板卡的质保期都达到10 年.GPS 用户装备之所以具备如此品质与美军对装备研发阶段的高度重视密不可分.

美军新一款GPS 用户装备从签订合同到大批量生产装备部队这个过程分为三个阶段，即需求论证、总体设计、产品设计和工程化、部队试用和装备完善，其中需求论证和总体设计在整个GPS 用户装备研制过程中是工作量最大也是最关键的阶段，而大批量列装前的部队试用和装备完善阶段也得到高度重视.

3 GPS 用户装备发展趋势

上世纪90 年代美军提出了GPS 用户装备发展从箱式整机到板卡再到模块、芯片，最终到嵌入式软件的技术演化路线，并始终沿着这一路线发展，具体如图6 所示.目前已进入到模块阶段，可以预计，未来10 年内GPS 用户装备发展总的技术发展趋势是向单芯片系统发展.此外，作为面向用户的装备，美军还在以下几个方面提出了装备现代化的发展需求和思路.

图6 GPS 用户装备形态技术演化

1)多GNSS 军用接收机

开发能够接收GNSS 系统信号的军用接收机是相关机构在对上千名一线美军士兵调研后得出的需求和建议.随着世界各大卫星导航系统建设推进，用户可接收的卫星信号越来越多，应用资源越来越丰富.相比于当前只能接收两个频点的军用信号的GPS 用户装备而言，多GNSS 接收机的抗干扰能力更强，可用性更好，且定位精度更高.美军自2008 开始的MGUE 计划开发的CGM 模块已能够处理和应用在L1、L2 两个频点上的所有军、民导航信号，下一代CGM 将能够接收GPS 所有信号和Galielo 的E1、E2、E5 信号.美军的一些专家建议，应当开发能够接收所有天基和地基PNT 信号的多GNSS 军用接收机.

2)具有网络中心能力

美军认为，未来的GPS 用户装备不再仅作为独立的用户装备，而且是作为具有自动上报功能的位置、时间和其他战场信息的传感器，因此未来的GPS 用户装备应与现代通信技术相结合，具备丰富的通信手段和强大的通信能力.应当集成移动通信、互联网、卫星通信、Wi-Fi、蓝牙等各种无线通信能力，为每个用户装备作为网络上的一个节点.

3)不断提高安全性与密码保障能力

美军高度重视装备的安全性，重点发展GPS 安全设施建设，不断提高密码保障能力.GPS 用户装备在硬件结构和密钥结构上极大提高了安全性，并通过改变GPS 军用装备的管理保障模式以及相关政策法规的保障，实现对军用设备的生产、运输、加注和最终应用去向全过程的严格监管与控制.因此，将安全性作为首要前提，通过技术改革和政策保障，不断实现安全性与密码保障能力的迭代提升，是GPS 用户装备的一大发展趋势.

4)不断吸纳民用技术优势

军用装备具有安全性高、抗干扰能力强，能在复杂电磁环境下获得可靠的PNT 信息，但也存在人机界面不友好，应用功能较为单一，便携性不强等缺点.因此，将先进的民用产品技术和特色融入军用产品中成为GPS 用户装备的又一发展趋势.具体包括以下几个方面：一是进一步缩小装备的体积、重量和功耗，提高装备的便携性和对各种主战平台的安装适应性；二是向智能化发展，采用Windows、Android、iOS等通用的操作系统，开发友好、直观的人机界面，具备应用程序下载功能，通过软件不断丰富装备功能；三是能够实时显示三维地图数据以及谷歌、卫星影像等数据.

4 结束语

BDS 作为我国研发的卫星导航定位系统，对于我国军事等领域发展具有重要意义[10]，而终端发展也十分必要.本文以美国军用卫星导航用户装备为主，对GPS 第一代、第二代、第三代典型用户装备及实际应用现状进行分析，在此基础上总结GPS 用户装备的发展特点，并对未来卫星导航终端装备的发展重点、最新发展计划及发展趋势进行了分析与预测，希望能够对我国BDS 终端发展提供一定借鉴.