美國GPS系統發展現狀

目前，在美國GPS－2F導航衛星密集發射的同時，全新一代的GPS－3A的研制和生產以及地面段的現代化改造等工作也在緊鑼密鼓地進行。

1 第3顆GPS－2F衛星成功發射

2012年10月4日，德爾他－4火箭攜帶一顆GPS－2F衛星從卡納維拉爾角發射升空，3個多小時后衛星進入軌道。

美國空軍于1996年將GPS－2F衛星的研制合同授予了波音公司。按照最初的計劃，美國空軍將采購33顆GPS－2F衛星，不過這份訂單最終減少到12顆。此次發射的GPS－2F衛星為12顆衛星中的第3顆，之前的2顆衛星分別于2010年5月28日和2011年7月16日發射升空。第3顆GPS－2F衛星在軌測試完成之后，用于替代1993年6月26日發射的GPS－2A衛星。目前9顆未發射的GPS－2F衛星中已經有3顆制造完成并入庫保存，另有6顆還處于制造和測試中。

GPS－2F衛星是目前美國發射的最先進的導航衛星，同時也是美國GPS現代化計劃非常重要的組成部分。與前一代的GPS－2RM衛星相比，GPS－2F增加了一個高精度民用導航信號—L5頻段，其中心頻率為1176.45MHz，主要用于民用航空領域。星上采用了更加先進的原子鐘和太陽電池，星載原子鐘包括1臺銫鐘和2臺銣鐘，采用了美國海軍研究實驗室開發的數字化星鐘技術，進一步提高了星鐘系統的穩定性，誤差達到8ns/天的等級；同時，為滿足導航信號數量和功率增加的要求，GPS－2F衛星采用艾培爾（ABLE）公司開發的新型太陽電池翼，該太陽電池翼質量約54.93kg，設計在軌工作壽命為12年，并且可以在地面貯存8年，即使在壽命末期，仍能夠提供超過2610W的功率。

此外，GPS－2F衛星還使用了更加安全、抗干擾能力更強的軍用M碼信號，并將軍用碼和民用碼完全分開。由于克林頓時代取消了在民用碼中增加干擾以降低其精度的選擇可用性（SA）政策，所以目前的GPS民用碼有足夠的精度用于武器制導，很多的非美國盟國也能用GPS民用碼進行武器制導。而GPS－2F衛星將軍用和民用信號分開，在戰爭期間可使該衛星對特定地區關閉被敵方利用的民用信號，以保證己方使用加密的軍用信號。

2 第1顆GPS－3A衛星完成發射預備演習

目前，美國新一代導航衛星GPS－3A的研制和生產工作也在緊鑼密鼓地進行著。據全球導航衛星系統（GNSS）內參網站2012年9月7日消息，洛馬和雷神公司已經于8月24日成功完成了GPS－3A首顆星的發射預備演習，對于計劃于2014年發射該衛星的任務來說，邁出了重要里程碑式的一步。

2012年1月，洛馬和雷神公司共同建立了“車間到車間”的通信鏈路，使得遠在賓夕法尼亞州新城市的洛馬公司車間中的GPS－3A衛星可以與位于科羅拉多州奧羅拉市的雷聲公司新一代GPS運行控制系統（OCS）進行數據通信與控制測試。并在此基礎上，成功進行了首顆GPS－3A衛星的發射預備演習。通過為期3天的演習，驗證了衛星的基本指揮和控制功能，測試了軟件和硬件接口，并對衛星發射和早期入軌任務中所需進行的各種操作程序進行了演示。

“一箭雙星”發射GPS－3A衛星構想

美國空軍GPS指揮部主任伯尼·格魯伯上校說：“首顆GPS－3A發射預備演習的完成是整個GPS業界的一個重要里程碑，它標志著我們正在發展的下一代GPS衛星與下一代GPS操作控制系統正在協調穩步地向前發展。”

根據2008年5月15日美國空軍授予的合同，洛馬公司將研制和生產8顆GPS－3A衛星。與GPS－2F衛星相比，GPS－3A衛星的M碼信號將更強，具有更好的抗干擾能力。同時，GPS－3A衛星還將在L1頻段增加與歐洲“伽利略”（Galileo）系統完全兼容、并具有互操作性的L1C民用信號。GPS－3A衛星還將開展GPS星間鏈路的演示與驗證工作，為GPS星間鏈路的建立奠定基礎。與目前GPS衛星已經具有的星間鏈路不同，GPS－3衛星的星間鏈路將采用Ka頻段（原為UHF頻段），星間鏈路的信號播發方式也由廣播式改為點對點的傳輸，從而能大大提高安全性。屆時，星－星與星－地的通信能力將提高到100Mbit/s。

美國空軍計劃從第9顆GPS－3衛星開始，使用“一箭雙星”方式發射衛星，以降低發射成本，預計平均每顆衛星的發射費用將降低5000萬美元。目前，研究小組已經提交了一種采用宇宙神－5火箭捆綁5個固體火箭助推器的發射方案，該方案將2顆GPS－3衛星采用上下堆疊的方式置于5m高的整流罩中。

3 GPS系統在軌衛星運轉良好

截止到2013年2月20日，GPS星座中正在工作的衛星共計有31顆，其中包括9顆波音公司制造的GPS－2A衛星、12顆洛馬公司制造的GPS－2R衛星、7顆洛馬公司制造GPS－2RM及3顆波音公司制造GPS－2F衛星。

這些在軌衛星中，運行時間最長的達22年。根據目前的美國國防部計劃，為了確保在軌衛星數目的充足以及對老舊衛星的及時更替，預計到2030年美國國防部還將發射40到50顆衛星，這其中不但包括12顆GPS－2F的后9顆、8顆GPS－3A衛星，還將包括更為先進的16顆GPS－3B衛星以及8～16顆GPS－3C衛星，其中最先進的GPS－3C衛星將具備播發“點波束”M碼信號的能力，從而實現對未來導航戰的支持。

4 地面段建設有條不紊

GPS系統地面控制段主控站位于科羅拉多州施里弗空軍基地，4個地面天線（注入站）分別位于卡那維拉爾角、阿松森、迭戈加西亞和夸賈林環礁，6個監測站分別位于施里弗空軍基地、卡那維拉爾角、阿松森、夏威夷、迭戈加西亞和夸賈林環礁。

1999年美國提出了GPS現代化計劃，其中地面控制段的現代化分為3個階段，包括體系結構演進計劃（AEP）、新一代運行控制段 1（OCX 1）和OCX 2。

AEP階段主要增強對現代化改進的GPS－2RM和2F衛星的運行控制能力，主要內容包括GPS主控站改造、新建GPS備份主控站（位于加利福尼亞的范登堡空軍基地），增加抗干擾、抗欺騙能力，并將原屬美國國家地理空間情報局（NGA）的10個GPS監測站納入到GPS地面控制段的體系中，增強GPS星座的監測與控制能力；利用美國空軍衛星控制網（AFSCN）的8副地面天線對GPS系統原有的4副地面天線進行補充，增強上行注入能力。

OCX 1階段與OCX 2階段主要內容包括建立全新的GPS地面控制段體系結構；實現對新導航信號（L1C、L2C、L5C和軍用M碼信號）的監測；增加對GPS－3衛星新增能力的管理與控制能力，如靈活的信號功率配置、星－星和星－地鏈路及點波束能力等。按照目前計劃，OCX 1階段將在2016年具備全面運行能力，從而實現對L2C和L5信號的監測；而到OCX 2階段完成時，GPS系統地面控制段將具備管理32顆衛星組成的GPS星座的能力。

美國GPS衛星在軌情況統計表

SA關閉前后定位精度對比

GPS系統定位精度統計圖

5 定位精度提高，應用領域擴大

2000年5月2日前，美國采取SA政策，人為地將誤差引入GPS衛星星鐘和衛星數據中，故意降低GPS精度，其直接影響是C/A碼的精度從20m降低到100m。車載導航系統不能提供精確轉向，民用GPS裝置也不能精確定位到某個街區，更不要說定位某條道路了。2000年5月2日后，美國關閉了SA開關，使全球民用GPS接收機的精度瞬間得到大幅提升，定位精度從原來的足球場大小縮小到一間屋子大小。

2000年以來的12年里，GPS的定位精度一直在不斷提高。今天，利用GPS基準站、更優化的算法和更先進的接收機，以及性能卓越的民用GPS設備不僅能夠定位街道，而且能夠定位用戶在街道的哪一邊。在GPS系統定位精度統計圖中給出了2012年1－5月全球GPS普通用戶的定位性能數據，可以看出大約有50%用戶的平均定位精度達到1.58m，而95%用戶的平均定位精度達到了2.55m。當前，對于一些特殊的用途，利用GPS信號的載波相位和互聯網可使定位精度達到厘米量級，甚至毫米量級。從而進一步促進了GPS在各領域的應用。

GPS應用領域

完成AEP改造后的GPS地面控制段地理分布OCS-運行控制系統，NGA-國家地理空間情報局，AFSCN-美國空軍衛星控制網

在軍事應用方面，美軍不僅將GPS技術應用到飛機、導彈等高技術武器上，甚至為單兵配備了接收設備。借助GPS系統，戰斗機、轟炸機、偵察機和特種作戰飛機可以全天候準確無誤地執行任務；坦克編隊可在沒有特征的沙漠地帶完成精確的機動；掃雷部隊可安全通過雷區、準確測定布雷位置以便將其摧毀；給養運輸車能在沙漠中發現作戰人員并為其提供補給；特別行動直升機與攻擊直升機能夠協同作戰?？梢哉f，GPS系統已經成為美軍必不可少的戰斗保障設施。

在民用方面，GPS更是遍地開花。傳統應用如汽車導航、個人定位服務、精密農業、海事以及測量等等領域，每年的新應用和新產品都層出不窮；近兩年，GPS在野生動物跟蹤研究與保護、地球科學及環境研究等新興領域更是有了長足發展。例如，美國俄亥俄州立大學著名地質力學專家邁克爾·貝維斯帶領他的研究團隊，在格陵蘭島的冰原地區建立了一個GPS測量網絡，用于監測格陵蘭島的冰川融化情況；未來通過該網絡，貝維斯的研究團隊可以在1個月內跟蹤監測到格陵蘭島冰川的劇烈變化。