GPS軍用接收設備發展情況

武珺 劉春保 李俊博（北京空間科技信息研究所）

海灣戰爭、科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭及敘利亞武裝沖突的實戰檢驗已經證明：美國全球定位系統（GPS）在現代化戰爭條件下對軍隊協同作戰、武器精準打擊等發揮著關鍵支撐作用，而隨著美軍GPS系統空間星座的不斷更新、地面運行系統對星座運控支持能力的升級,以及GPS軍事用戶設備的研發、測試、集成與部署，GPS系統將迸發出更強的軍事應用潛能，其中，以GPS軍用接收設備為代表的美軍衛星導航應用裝備作為GPS系統用戶段的重要組成部分，其能力及影響在美軍多種“功能性戰斗要素”中均有涉及，是美軍信息化條件下多域作戰戰力的倍增器。

1 GPS軍用接收設備發展背景

GPS軍用接收設備是GPS軍事用戶設備（MGUE）的重要組成部分，而MGUE是GPS系統的關鍵一環。當前，美軍正致力于新型GPS軍事用戶設備的研發、測試、與武器平臺的集成及性能評估、部分列裝等工作。

美軍現代化的GPS軍事用戶設備發展規劃主要內容為：開發新的適用于不同條件/場景的、支持M碼（M-code）的接收卡，供GPS接收器使用，并進一步集成到美國國防部（DoD）各類武器平臺/系統中；在此基礎上，在器部件小型化等方面進行改進。

M碼是一種更強健的、加密的、軍事專用GPS信號，旨在滿足軍事定位、導航和授時（PNT）的需要。M碼將通過使用更強大的信號幫助軍事用戶克服GPS信號干擾，并通過對信號進行加密來防止虛假的GPS信號。2005年以來，前幾代GPS衛星已經能夠播發M碼信號，但美國防部由于缺乏運控系統的支持而無法使用M碼形成戰力。2018年首次發射的GPS－3（全球定位系統第三代衛星）衛星[1]，能發射更強大的M碼信號。

美國天軍（USSF）于2021年6月17日發射了第5顆GPS－3衛星[2]，未來，星座中支持M碼播發的衛星數量將增加至24顆，達到GPS星座基線數量基本要求，這對于美軍在全球范圍內獲取抗干擾能力更強的軍碼信號至關重要。此外，GPS系統地面控制段M碼的早期使用功能已于2020年11月通過軍方驗收，顯著增強了美軍對新型GPS軍事用戶設備進行測試的能力。

M碼接收機的開發已經歷時近10年，其設計難度在于滿足不斷變化的威脅目標，設計要求靈活、安全和開放。目前，美國防部已經選擇雷神公司（Raytheon）、BAE系統公司等軍工企業研發、生產面向不同應用場景的GPS接收板卡、嵌入式新型GPS接收機，并在斯特賴克裝甲車（Stryker vehicle）、B-2轟炸機、阿利伯克級驅逐艦（Arleigh Burke class destroyer）等代表性武器平臺上開展集成測試工作。

2 美軍GPS應用裝備發展動向

平臺級軍事用戶設備

（1）雷神公司支持M碼相關設備獲軍方認證

2019年8月，雷神公司獲得美國空軍太空與導彈系統中心（SMC）1美軍太空與導彈系統中心（SMC）于2021年8月13日正式更名為太空系統司令部（SSC），總部位于美國加州洛杉磯空軍基地。GPS管理局頒發的新GPS模塊（M碼模塊）和接收機的安全認證，新技術將使GPS在軍事系統的應用更加安全可靠。雷神公司的軍用代碼通用GPS模塊及其地面GPS接收器（GBGRAM），以及航空電子設備GPS接收器（GRAM S/M）獲得軍方認證，GB-GRAM和GRAM S/M由美國天寶導航有限公司（Trimble Navigation）開發，通用動力公司(General Dynamics)為其提供模塊化加密支持。2020年4月，雷神M碼接收機開始被集成到美軍多款戰斗機、轟炸機及其他武器系統中，為武器平臺提供GPS抗干擾、防欺騙功能[3]。

（2）BAE系統公司獲得軍方GPS M碼模塊合同

2021年5月，美國國防后勤局（DLA）授予BAE系統公司價值3.255億美元的先進M碼GPS模塊合同。根據合同，BAE系統公司將為美國國防部及其盟友提供支持先進M碼信號的、現代化GPS用戶設備（MGUE）第一階段的產品，即通用GPS模塊（CGMs），以滿足2030年之前的庫存需求。BAE系統公司還將基于CGMs生產地面和精確制導彈藥所需的軍用GPS接收器。

單兵級軍事用戶設備

2020年6月26日，SMC與柯林斯航空航天公司（Collins Aerospace）、雷神公司情報部以及TAG公司(Technology Advancement Group)簽訂了3份固定價格快速原型合同[4]，總金額4110萬美元，旨在開發現代化GPS手持設備樣機，為政府提供基于硬件和軟件開發的創新解決方案。

合同要求制造的現代化GPS手持樣機較目前美軍使用的設備體積更小、功耗更低，支持軍碼功能更加強大，并且具備抗干擾、防欺騙等功能。合同屬于GPS軍事用戶設備現代化第一階段的第二個目標任務，是建立在第一階段第一個目標任務，即模型和圖紙的工作基礎上，從5家供應商中優選的結果。合同同時要求供應商與美國陸軍及海軍陸戰隊舉行4次樣機測試，以便用戶進行及時反饋，更好幫助產品改進定型，盡快過渡到可以實用化狀態。

3 新型GPS軍事用戶設備在美軍代表性平臺的應用

當前，新型GPS軍事用戶設備在美軍重要武器平臺應用的突出特點體現為：通過支持M碼增強抗干擾能力，以及通過多源融合手段提升獲取導航、定位、授時信息能力的彈性。

MAPS系統集成到陸軍斯特賴克裝甲車平臺

MAPS系統可通過收集和整合不同來源的PNT數據確保車輛在GPS信號受到干擾、發生服務降級、甚至拒止服務情況下仍可獲取有效PNT信息，這些來源包含授時、氣壓測量、慣性導航等各類傳感器。駐扎在歐洲的第二裝甲兵團（2nd Regiment）的斯特賴克裝甲車輛上，裝備了第一代MAPS系統。2020年10月，美國陸軍授予雷神技術公司子公司2和柯林斯航空航天公司用以完善陸軍的定位、導航與授時系統相關合同（第二代MAPS），以滿足軍隊載人車輛應對日益復雜環境的訴求。第二代MAPS系統由柯林斯航空航天公司的NavHub-100型導航系統和數字GPS抗干擾接收器-100型（Digital GPS Anti-jam Receiver-100）組成，可提供更高級別的保護，與陸軍現有的MAPS相比，第二代MAPS系統具有兩個方面的能力提升：一是支持使用M碼；二是可通過現代化信號跟蹤（MST）增強GPS完好性，提升系統的可靠性。

美陸軍斯特賴克裝甲車輛

未來，MAPS系統將成為自動化指揮系統/電子戰—C4ISR/EW標準模塊化開放套件的一部分，后者屬美國陸軍項目的通用架構。當MAPS系統需要升級時，可通過芯片插入機箱的方式完成即插即用，美國陸軍已經完成了擁有該能力原型樣機的測試。

現代化嵌入式導航系統集成到美空軍主要作戰平臺

雷神公司于2017年成功在B-2轟炸機平臺完成了首個M碼接收器的測試。此后，在內部和第三方進行了多項測試。美軍M碼接收器具有標準接口和開放式體系架構，能夠兼容美國及其盟友的相關系統。根據國際武器交易條例和美國國務院規定，雷神公司的M碼產品可面向美國軍方及其盟友使用。

2020年2月7日，美國國防部授予霍尼韋爾公司（Honeywell）價值35億美元的合同，這份不定期/不定量合同要求為嵌入式GPS導航系統現代化，即為EGI/EGI-M提供生產、維護和工程技術服務，合同交付日期是2035年12月31日。這是將GPS接收器嵌入激光陀螺儀的獨立慣性導航系統中的一項工作，整個系統質量約8.12kg，具有導航、指向、穩定和飛行控制功能。EGI-M系統可以根據獨特的平臺要求實現快速插入，支持新功能，具有良好的適應性。EGI/EGI-M的開放系統架構融合了軍用GPS接收器，集成了新技術的系統有望應用于F-22戰斗機和E-2D預警機等平臺。

美軍F-22戰斗機

E-2D預警機

4 GPS軍用接收設備發展趨勢研判

新型GPS軍用接收設備注重安全可靠，抗干擾、防欺騙能力大幅提升

從GPS星座目前狀態及未來空間段持續升級的角度分析，GPS－3衛星M碼功率遠高于目前軍用P（Y）信號，信號抗干擾能力是原來的8倍；未來GPS－3F衛星還將實現點波束增強功能，可同時支持全球任意兩個區域的點波束信號功率增強需求，功率增強達20dB；從GPS系統運控段層面分析，在具備支持M碼早期使用功能基礎上，其支持新信號的能力將進一步增強。這些都為GPS系統軍事用戶設備接收信號的安全、可靠奠定了良好基礎。基于此，采用模塊化、軟件定義的接收機等GPS軍事用戶設備將具有更強的安全與可靠性。

支持M碼的接收卡將實現可拔插，便于交互操作與功能升級

美國為便于各軍種、武器平臺實現交互操作與功能升級，同時從長遠兼顧考慮降低系統采購與維護成本，其新型GPS軍事用戶設備支持M碼的接收卡將實現可拔插。這種設計的難度在于集成M碼接收卡的設備組件等需要滿足不斷變化的威脅目標，設計要求靈活、安全和開放。模塊化要求組件是離散的，彼此之間的依賴性較低，而這可能會導致系統性能下降，需要權衡技術升級與性能的潛在損失之間的關系。

美借助軍備出售或以項目合作輻射影響力

2021年7月，SMC批準BAE系統公司向德國提供支持M碼的GPS軍事用戶設備，此批設備為地面用途支持M碼的小型化精密GPS接收機板卡（MPE-M），合同價格與產品數量未披露。這標志著德國成為美國國外軍事銷售計劃（FMS）下的高級GPS用戶設備的第一個買家。此外，SMC于2020年底提出了一項為期三年的跨國項目計劃，該計劃授權將支持M碼GPS軍事用戶設備借給伙伴國家進行實驗室和實地測試，加拿大是首個簽署該文件的國家，并于2021年2月從美國獲取了支持M碼的GPS軍事用戶設備板卡用于開展測試。預計法國、韓國和英國也將獲得GPS M碼早期使用功能第一階段的技術產品。所有伙伴國家都將進行實驗室和現場測試，以評估該類產品與各自應用/集成平臺的性能和兼容性，并分享其經驗成果。澳大利亞、意大利、荷蘭和瑞典（瑞典為非北約國家，加入北約反應部隊與北約和平伙伴關系計劃3“和平伙伴關系計劃”的主要內容包括：(1)北約正式邀請前華沙條約組織國家和歐洲中立國家參加“和平伙伴關系計劃”，在軍事演習、維和、危機控制等方面進行合作和政治磋商；(2)伙伴國可向北約總部派出聯絡員；(3)伙伴國必須承認西方的民主、人權標準，并尊重現有邊界。）已表示有興趣并有意于2021年晚些時候加入該協定。美國GPS軍用接收設備研發、集成測試、列裝等工作持續推進，一方面，將直接有效提升美軍在復雜對抗環境中可靠獲取定位、導航與授時服務的能力；另一方面，美國通過出售軍備或以項目合作等形式，利用盟友對部分新型GPS軍事用戶設備進行測試，并收集反饋意見建議，既輻射軍事影響力，又便于降低自身裝備測試成本、加速設備改進與未來定型生產。