美国ＧＰＳ的现代化建设及其最新进展

袁兆红　王　宽　张文忠

美国的全球定位系统(GPS)始建于20世纪70年代，是美国当年在与前苏联争霸中，为满足可能爆发的世界范围的战争和军事冲突需求，达成军事目标而兴建的。后来，前苏联解体，而美国出于局部战争和地区冲突的考虑，并没有因此而废除GPs系统。1991年，海湾战争爆发美军尝试着用当时只有16颗在轨卫星的GPS系统来支持多国部队作战，结果取得了前所未有的作战效果。美国从中受到鼓舞，进而坚定了继续发展GPS系统的决心。

GPS于1993年达到初始工作能力，1995年达到全运行工作能力，是目前符合国际民航组织(ICAO)标准的导航系统中惟一能够实现全球性、全方位、全天候，高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能的系统，目前在卫星导航系统中占据垄断地位。

系统概述

GPS由空间星座、地面监控系统和用户设备三部分组成。空间星座由均匀分布在6个轨道面内的21+3颗卫星组成，每个平面上4颗，轨道平均高度约为20200千米，运行周期为718分。地面监控系统主要控制整个系统和时间，负责轨道监测和预报。用户设备，即GPS接收机，它的主要作用是能够直接实时地计算出三维位置，速度和时间。

GPS卫星采用码分多址(CDMA)技术在L1(1575.42 MHz)和L2(1227.6MHz)两个频率上广播测距码和导航数据。系统提供两种信号服务；P码和C／A码。P码，即精码，用于为美国授权的军方用户和指定的政府机构以及盟军提供精密定位服务，C／A码，即粗码，精度比P码低容易被捕获，用于为民用用户提供标准定位服务因此，GPS是一种双重用途的系统，在军事方面，GPS可为部队或装备导航、定位，为精确武器制导，使C⁴ISR系统完整、有效、一体化。GPS是美军全球快速投送。空中平台加油、远程作战精确打击能力以及及时发现选择，跟踪和瞄准目标能力的重要支撑。

GPS的现代化计划

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。为此，美军把解决下列问题作为建设重点：

一是新技术的开发利用，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支援和保障军事行动需求：

二是抗干扰能力的增强。由于GPS卫星离地表高度较高，卫星信号到达地面时较弱信哚比较低，且以固定频率发射，极易受到敌方的干扰、利用或破坏。对此，美军决定通过现代化计划重点增强系统在干扰环境下的工作能力。

三是卫星星座的优化。现役主体卫星都会有寿命到期，最后“寿终正寝”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。

四是有效竞争。面对欧洲“伽利略”卫星导航系统的兴建和俄罗斯“格洛纳斯”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。于是，美国在1999年1月推出了“GPS现代化”计划。

GPS现代化的主要内容及举措

根据美军GPS现代化建设要求，美军重点采取了以下技术措施：一是取消SA政策(已在2000年5月1日零点开始执行)，使民用实时定位和导航精度提高3～5倍，二是在L2频道上增加第二民用码，即C／A码。这样用户就可以有更好的冗余观测。提高定位精度，改善电离层误差。此外增加L5民用频率，频段采用L1、L2和L5三个民用信号采用L1C／A，L1C，L2C，L3C共四个，将军、民信号分开，避免相互影响，三是研发新一代GPS系统——GPSⅢ并改变未来GPSⅢ系统的结构设计。

GPS的现代化进程

GPS现代化计划以空间部分的建设为重中之重，这部分大体分为三个阶段实施第一阶段，首先进行GPS ⅡA、GPS ⅡR卫星向改进型GPS ⅡR卫星过渡，此阶段以发射GPS ⅡR－M卫星为标志，第二阶段以发射GPS ⅡF卫星为标志，计划到2010年以后使GPS ⅡF具备初始工作能力，到2020年以后，星座全部成为GPS ⅡF卫星，第三阶段计划用20年左右的时间，完全取代GPSⅡ代卫星。这一阶段以发射GPS ⅢA、GPSⅢB和GPS ⅢC卫星为标志，GPS系统的现代化建设进程如表1所示。

从上表中可以发现，美国从GPSⅡR－M卫星和不久可能发射升空的GPS ⅡF卫星开始，其上都采用了M码，M码是一种新的加密军用信号，加载在L1和L2载波上，具有发射功率高、抗干扰能力强和保密性能好等特点。增加M码后使军民信号彻底分开，实现了无需民用信号引导就可直接访问M码信号能力，能更好地满足军事需求。

GPS经现代化改造后能够使民用用户获得更多好处，其一是获得增强的抗干扰能力，其二是能够补偿电离层延迟带来的误差：其三是可在精确载波相位测量模式下解决因跳周而引起的整数模糊。而就军用而言，新的频谱分离信号将提供的好处也有三个方面，一是保护友方使用，二是阻止敌方使用，三是保持选定操作区域(Areas of Operation，AOO)以外的民用信号继续使用，就军民两种应用而言，系统都会在精确性、有效性、完整性和可靠性方面有极大提高，从而增强了GPS的抗干扰能力，提高了系统的精度和安全性。

现状与发展

GPS卫星目前共发展了两代，第一代即GPS Ⅰ，属于双频率L1和L2基本型。第二代，即GPSⅡ，分为4个系列：GPS Ⅱ、GPSⅡA、GPS ⅡR(GPS ⅡR－M)和GPS ⅡF其中后面的大写字母，A表示“新型”，R表示“替补”，M表示“现代化”，F则表示“后续”。目前，GPS的在轨卫星主要是第二代的GPS ⅡA、GPS ⅡR和GPS ⅡR－M系列；GPS ⅡF卫星尚未发射，GPSⅢ正在研发中。GPS卫星星座组成及发展情况见表2。

GPS ⅡF卫星

GPSⅡF卫星属于GPSⅡA和GPSⅡR的后续卫星系列，GPS ⅡF由波音公司研制，卫星设计寿命为15年。GPSⅡF卫星具备更强的抗干扰、抗打击能力，其军用定位、授时精度都得到了大幅度的增强。最主要的改进包括在1176 45MHz频段上增加第三个民用信号L5，卫星采用柔性的有效载荷软，硬件设计，并采用特高频(uHF)星间链路与星座中的其他卫星连接，使系统具有执行自主导航能力和支持核爆炸探测附属有效载荷的星间链路操作能力。

GPSⅢ卫星

为了克服GPS Ⅱ系统结构固有的缺陷，GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，改变现有的体系结构有可能采用与俄罗斯

的“格洛纳斯”和欧洲“伽利略”系统相同的3轨道面的地球静止轨道设计方案，系统具备柔性的在轨可编程和冗余硬件自主管理功能，可在L1，L2、L3、L4和L5频段上调制导航及相关信号；具有向后兼容能力，可满足未来30年系统技术扩展需求，卫星设计寿命为15年。GPSⅢ主要性能指标见表3。

近期，GPS系统取得了如下重要进展：

其一，GPS ⅡR-18M、19M发射成功，并开始提供在轨服务。成功发射的GPS ⅡR-18M卫星已于2008年1月全面投入运行；GPS ⅡR-19M也于同年3月发射成功，并完成在轨部署，现已开始向全球军民用户提供服务。GPS ⅡR-M由美国洛克希德·马丁公司研制。按计划，该公司应为美空军研发20颗GPS ⅡR卫星，后来根据美军GPS现代化计划要求，要对其中的8颗GPS ⅡR卫星进行现代化改造。经过改造的卫星就是前面提到的GPS ⅡR－M卫星。新近发射成功的GPS ⅡR-18M和GPS ⅡR一19M两颗卫星分别是美军8颗现代化GPS ⅡR-M系列卫星中的第5颗和第6颗。待全部8颗带有M码的卫星发射完成后，卫星星座将会得到极大优化，能力得到增强。

其二，首颗GPS ⅡF卫星完成环境试验。首颗GPS ⅡF卫星现已完成了环境试验、机械太阳能帆板部署等多项试验。此外，经过升级改造的控制段软件也已交付。软件的交付日期比计划安排提前了一个月，工作进展顺利。上述试验对于GPS ⅡF卫星来说非常重要，“具有里程碑意义。”

其三，GPS ⅢA卫星合同授出。一份价值为14.64亿美元的GPS ⅢA合同现已授出，合同期是2008至2017财年。GPS Ⅲ采购战略分三步实施，划分为：GPSⅢA，GPS ⅢB和GPS ⅢC。GPS ⅢA合同将采办8颗卫星(可能追加采办4颗)，GPSⅢB将采办8颗卫星，合同预计在2013年授出，GPS ⅢC将采办16颗卫星，合同预计在2015年授出。此次授出的GPS ⅢA合同将为GPS系统提供更大的增强功能，包括增加了新的与“伽利略”系统兼容的民用L1C信号，增强地面覆盖军码(M码)的抗干扰能力等。

今后授出的GPS ⅢB和GPS ⅢC卫星还将有新的进步：GPS ⅢB将实现交叉链接的指挥与控制结构，这将允许所有GPSⅢ卫星可通过单个的地面站升级，而无需等到每颗卫星都处于地面天线的视野内时才进行。GPS ⅢC将配备一个高功率的点波束，用来传递更为强大的军码信号，以此增强抗干扰能力。

其四，GPS地面站升级演示验证完成。GPS地面站控制着目前在轨的GPS卫星以及将来加入该卫星星座的新型GPS卫星。美军现已成功地完成了GPS地面站“结构改进计划”(ArchitectureEvolution Program，AEP)的系统演示。AEP系统是为了改进GPS系统主控站的性能而设计的，由软件和硬件两部分组成。AEP使GPS主控站的指挥控制系统模块化，更便于日后更新，AEP也极大地提高了主控站维持GPS系统能力以及用户终端定位精度。GPS系统的地面控制部分在过去的20年里也进行了许多重要的改进，但此次的升级改造则是首次对GPS指挥控制操作能力的重要更新，同时，也是整个GPS计划中最大，最复杂的升级工作。此次升级除了能够实现对所有现役GPS卫星进行控制外，还有助于GPS ⅡR－M卫星新信号的投入使用，将来也可对GPSⅢ提供支持。