美國第二顆GPS-2F服役加速導航衛星的更新換代

□ 天 兵

GPS-2F衛星

2011年8月22日,美國波音公司宣布，2011年7月16日由德爾他-4火箭發射的第2顆GPS-2F衛星已經開始在軌服役，被命名為SVN-63，并正式轉交給空軍第50太空聯隊和第2太空運行中隊。GPS衛星星座現有31顆衛星。波音公司還將建造10顆GPS-2F衛星。美國空軍擬在2011年擇機用宇宙神-5火箭發射第3顆GPS-2F。

首顆GPS-2F新型導航衛星是2010年5月28日上天的，它標志著美國GPS現代化計劃再次取得了重要進展。GPS-2F衛星有了重大改進，使用了先進的原子鐘，能為建設一個穩健的GPS星座提供更高的精確性；增加了一個更加抗干擾的軍用信號，而且設計壽命長于之前的GPS衛星；還增加了一個具有功率更高、更安全的新的L5民用信號，能幫助商業航線運營，并執行搜救任務。

目前，GPS系統已經發展了兩代共6種型號，發射衛星60顆，發射失敗2次。在33顆在軌衛星中，GPS-2A衛星11顆，GPS-2R衛星12顆，GPS-2RM衛星8顆，GPS-2F衛星2顆，其中31顆衛星提供服務。美國很重視GPS系統在美國國家安全與經濟發展中的作用的，認為它對美國是生死攸關的。

超級指南針

自從1978年10月6日美國第1顆GPS衛星上天以來，已有多顆各種類型的GPS導航衛星被發射。1994年3月10日由24顆衛星構成的導航星座部署完畢，標志著GPS正式建成，其總耗資為200億美元。截至到2007年底，美國已先后發射了GPS-1、2、2A、2R、2RM、2F共6種衛星系列，其中GPS-1為試驗星，其他為工作星。

GPS是軍民兩用衛星導航系統，但優先為軍方服務。從1990年的海灣戰爭開始到現在，美國的一切軍事行動幾乎都與衛星定位系統有關。在軍事上，它至少有5項重要用途：①為艦艇、飛機等武器平臺提供導航定位服務；②協助武器系統實現精確打擊；③幫助部隊規劃進攻線路；④支持人員救援行動；⑤提高衛星自主定軌能力。

不過，導航衛星的軍用與民用在技術原理上并不存在本質區別，但軍用導航衛星更強調信號的保密性、抗干擾能力和定位精度。

GPS的操作原理很簡單。用戶首先要測量來自天上至少4顆GPS導航衛星發來信號的傳播時間和星歷表數據，然后完成數學運算，最終用測距交會方法解算出接收機所在的三維坐標、速度和時間信息，一次定位僅用幾秒到幾十秒。

GPS導航星座由24顆工作衛星和數顆備份衛星組成。這些衛星運行在6個等間隔的、傾角為55°的近圓形軌道平面上，每個軌道平面上有4顆工作衛星。衛星軌道高度約20200千米，繞地一圈約為12小時。采用這種方式可保證任何地點的用戶隨時能同時接收至少4顆衛星播發的測距信號和星歷表數據，從而獲得接收機所在的三維坐標、速度和時間信息。一次定位僅用幾秒到幾十秒。

每顆GPS都裝有非常精確的原子鐘，其精度優于每3萬年誤差1秒，這也是導航衛星的核心技術，因為衛星定位的精度完全取決于全系統衛星時間的精確和統一。

由GPS-2A、2R、2F等組成的導航星座

GPS-1、2、2F在軌飛行示意圖

GPS衛星都能不斷地以L1為1575.42兆赫和L2為1227.6兆赫兩種頻率同步為用戶發送測距信號和星歷表數據。其中L1頻率均用精密P (Y）碼和粗測C/A碼調制，L2頻率用精密P(Y）碼調制。用精密P(Y）碼調制的定位精度目前為1～5米，授時精度為1納秒,為軍事服務；用粗測C/A碼調制的定位精度目前為6～12米，為民事服務，其測速精度為每秒0.1米，授時精度為10納秒。

GPS-1、2、2A、2R僅在L1和L2頻段提供1個C/A碼民用導航信號和2個P(Y)碼軍用導航信號(僅供美國及其盟國的軍方使用)。但從GPS-2RM開始，在L2頻段增加了L2C碼民用導航信號，在L1和L2頻段增加了M碼軍用導航信號；GPS-2F又增加了L5頻段的L5C碼民用導航信號；在GPS-3中還將增加經過與歐洲“伽利略”系統協調的L1C碼民用導航信號。

走向現代化

美國洛馬公司原計劃一共為美國空軍設計制造了21顆GPS-2R衛星，但后來由于在伊拉克戰爭中發現GPS有明顯的軟肋——怕干擾，伊拉克用從俄羅斯購買的GPS干擾機很容易干擾了美國衛星制導彈藥，使它們沒有打到預定的目的，誤炸事件也屢有發生，所以美國又把最后8顆GPS-2R進行了現代化改進，并命名為GPS-2RM，以便為美國在全球的軍方和民間GPS用戶提供不斷提升的導航能力。8顆GPS-2RM衛星現已發射完畢。

在伊拉克戰爭中，美國GPS之所以抗干擾能力較差，是由于GPS衛星中調制信號的軍碼P(Y)碼、民碼(C/A)沒有分離，捕獲其軍碼又需要民碼來引導，所以GPS接收機捕獲軍碼時間較長，而且民碼較易被干擾。

與GPS-2R相比，GPS-2RM的主要變化有兩個方面：其一是在L1和L2頻段增加2個新的M碼軍用導航信號，同時在L2頻段增加新的L2C碼民用導航信號，從而使GPS系統的測距信號增至6個；其二是通過采用現代化的天線面板來增加衛星信號的發射功率。

GPS-2RM增加M碼信號后，不僅使每顆衛星有兩路新的軍用信號，而且能把軍用信號與民用信號徹底分離，實現了不需民用信號引導就可直接訪問M碼軍用信號。這不但增加了軍用信號的安全性，而且由于實現了信號發射功率的可重新分配，從而實現了拒絕、阻斷敵方使用GPS系統的能力。采用M碼比P(Y)碼具有較強的發射功率、抗干擾能力和保密性能，便于軍用接收機直接捕獲等優點，能更好地為美國軍方及盟友提供精確度更高、加密能力更強并且具備抗干擾能力的導航服務。因此，新的軍用M碼信號是美國實現導航戰戰略的重要基礎之一。

另外，雖然GPS-2RM在L2頻段新增加的L2C民用碼信號的速率仍為1.023兆赫，但具有不同于L1C/A碼的結構和長度，因此比L1C/A碼有較強的數據恢復和信號跟蹤能力，進一步提高導航定位精度，使民事用戶可以在不同頻率上為民間用戶提供可公開獲取的信號。

戰爭撒手锏

當大多數GPS-2F衛星進入太空之后，用戶定位精度將由小于6米提高到優于3米。GPS-2F的服役將使美國許多武器如虎添翼，精確打擊能力進一步提高。

F-14戰斗機發射用GPS制導的戰斧式巡航導彈

大多數美軍士兵現都配有GPS接收機

在海灣戰爭爆發之前，不少人曾預言，它可能成為又一場“越南戰爭”，美國大兵遠涉重洋，面對茫茫戈壁，將付出數十萬的生命。伊拉克總統薩達姆當時也狂稱，要祭起“戰爭之母”來重創美軍。即便是最樂觀的評論家也認為，美國會付出上萬人傷亡的代價。然而，戰爭的結局卻讓人大跌眼鏡。戰爭過后，美軍第7騎兵師長道出了真諦，由于有了GPS導航衛星，所以他用9個士兵換取了伊拉克6個師。這話可能有些夸張，但表明了GPS的重要作用。

GPS系統是美國國防部開發的天基全球無線電導航系統，所以它本質上是軍用系統，優先為軍方服務。GPS首次大出風頭是在1991年的海灣戰爭中，雖然那時整個系統還未完全建成，只有16顆星，但從此一發不可收拾。1994年GPS星座開始正式服役后，它在武器精確制導、部隊調動等許多方面都產生了重要作用，近些年發生的北約空襲南聯盟、阿富汗戰爭和伊拉克戰爭等幾乎一切軍事行動都與它有關，而且作用日益凸顯。

GPS在軍事上最重要的應用就是精確制導，它使彈藥具有百步穿針之功。現代戰爭形態已由機械化轉為信息化，戰爭方式由核冷戰、核威懾向精確打擊轉化。據測算，美空軍二戰時期出動4500架次B-17轟炸機、投彈9000枚的效果僅相當于越戰期間出動95架次、投擲109枚炸彈的效果，但若與當前的水平相比，只相當于1架F-117出動1次投擲1枚炸彈的效果。由此可見，提高武器打擊精度能夠成倍地減少彈藥的消耗量。以美國空襲南聯盟為例，在戰爭前15天，北約使用的精確制導武器占總彈藥使用量的90%，取得了較大的成效。精確打擊現已成為現代戰爭的一個重要特征。研究和實戰表明，如果使彈藥命中精度提高1倍，相當于使彈藥數量增加3倍，或者TNT當量增大7倍。

導航戰開始

美軍GPS衛星導航系統在伊拉克戰爭中遇到了伊拉克GPS干擾機的干擾，標志真正的“導航戰”序幕已經拉開的。現在，隨著GPS在戰爭中的巨大作用不斷顯現，美軍對GPS的依賴越來越強，并對GPS的抗干擾能力也越來越擔心；另外，其他國家的部隊也在裝備GPS。為保證美國軍隊可靠的使用GPS，同時防止敵對國家在戰時使用，使美國決定開展“導航戰”。

“導航戰”是繼“電子戰”、“信息戰”等之后的一個新名詞，其核心內容：一是保證GPS導航系統正常運行，友軍能充分利用GPS導航的優勢；二是不讓敵方使用自己的導航信息；三是阻止敵方導航衛星系統的正常運行。

摧毀或使敵方衛星導航系統癱瘓目前有以下手段：干擾GPS接收機接收信號、破壞地面臺站、使用反衛星武器。

地面臺站的任務是跟蹤和監視GPS衛星，實施對衛星軌道控制及參數修正，保證衛星導航的數據質量。所以，通過攻擊敵人地面臺站，可使衛星星歷無法更新，從而影響衛星發布的導航信號精度。

用反衛星武器來直接摧毀導航衛星，可切斷發布導航信息的信號源。

不過，用微波武器或其他強力干擾信號在用戶接收機周圍制造強烈的背景干擾，使用戶無法獲得衛星導航信號，是目前GPS最大的天敵。因為GPS精確制導武器現已成為最具威懾力的武器，是武器效果的倍增器，但假如導彈突然失去所依賴的衛星導航信息，天知道它會飛向何處。發展成本低廉的干擾機來達到最大的破壞效果，是弱國對付強國，特別是對導航衛星依賴嚴重的國家的有效手段。

據韓國《朝鮮日報》2011年9月23日報道，2010年8月和2011年3月朝鮮發射GPS干擾電波時，韓國政府曾表示，“將采取應對措施”。但是韓政府所采取的措施竟然是拿廚房用錫箔紙包裹幾十個GPS天線。另外，還有把設置在屋頂的天線移到建筑下方或干脆把天線藏到建筑后面的情況。有意見指出，這種方式固然可以避免朝鮮的干擾，但手機通話時間和位置信息也將出現錯誤，通話也會經常斷線。2010年8月韓國政府表示，將推進防電波干擾的基礎技術。但是目前韓國沒有對朝鮮的干擾電波頻率進行甄別并加以過濾的技術，如果徹底防止干擾，必然會屏蔽部分正常電波。

現在，美國已提出了多項GPS抗干擾措施：一是研制抗干擾的軍用接收機，通過改進軟件或預先設置抗干擾措施，過濾掉干擾信號；二是對衛星進行改造，增強衛星信號的強度，增加新的導航信號，開發新的軍用密碼，來保證在現有信號受到敵方干擾而失效時，衛星仍然能夠發揮作用；三是提高自主能力，使導航衛星能短時期擺對地面系統的依賴。

此外，引入慣性導航與衛星導航系統相組合，可以顯著提高衛星制導彈藥的抗干擾能力。這種組合技術能使系統的抗干擾性能提高15%左右。

為了不讓敵方使用自己的導航信息，美國對GPS導航信號采取加密、分級使用等手段。雖然美國通過公布民用導航信號格式來占領市場，但它對軍用導航信號格式嚴格保密，不到關鍵時刻決不輕易使用，即便在海灣戰爭和“盟軍”行動中，美國僅使用民用導航信號。而且，美國國防部還具備隨時降低GPS導航信號精度、甚至是中止發布GPS導航信號的能力。

未來的前景

美軍通過GPS接收機提供的信息研究作戰行動

定于2013年左右開始發射的GPS-3衛星將選擇全新的優化設計方案。一旦部署完成，其性能至少不亞于歐洲“伽利略”衛星。例如，將使用點波束技術來大大加強M碼信號的功率，使信號功率比現有系統提高100倍，信號強度至少增強20分貝；采用更高性能的空間原子鐘（如氫鐘等），以增加衛星使用壽命；還有可能改變衛星軌道構形和軌道高度，放棄額定24顆中地球軌道衛星的星座配置方案，而采用由33顆中地球軌道、高橢圓軌道和地球靜止軌道衛星共同構成的空間星座。GPS-3衛星的定位、定時精度有可能分別達到30厘米和1納秒，使GPS制導彈藥的精度達到1米以內。GPS-3計劃的實施，將會再次掀起衛星導航領域的技術革新浪潮。

與現行的GPS系統相比，GPS-3有3個特點：①首先是其傳輸能力是現在GPS的500倍，而抗干擾能力也較現在的GPS翻番，這意味著GPS的數據和音像傳輸速度大增，用戶享受的“適時服務”也更加完善，且GPS遭干擾中斷的風險也將大減。②其次是其精確性將有極大提高，能讓所有的用戶精確定位地球上任何一個點，且精確度達1米，而此前美國GPS的精確度只有數米。③為民間開放更大的使用空間，按美國五角大樓的設想，GPS-3將新開放兩個民用頻段——1227.60兆赫和1176.45兆赫，讓民間用戶更方便使用GPS。

美國計劃2013年（第一階段）開始發射8顆衛星GPS-3A，2016年（第二階段）開始發射另外8顆衛星GPS-3B，最后的16顆衛星GPS-3C計劃在2019年（第三階段）開始發射。到目前為止，波音公司已經建造了43顆GPS衛星，分別屬于GPS-1、2、2A、2F，但GPS-2R、2RM是洛馬公司研制的。

此外，美國現在還正著手實施更先進的X射線脈沖星導航計劃，它已納入美國國防部長期發展戰略規劃綱要，并逐年追加研究經費。

GPS接收機

GPS電子地圖