GPS军用接收设备发展情况

武珺 刘春保 李俊博（北京空间科技信息研究所）

海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争及叙利亚武装冲突的实战检验已经证明：美国全球定位系统（GPS）在现代化战争条件下对军队协同作战、武器精准打击等发挥着关键支撑作用，而随着美军GPS系统空间星座的不断更新、地面运行系统对星座运控支持能力的升级,以及GPS军事用户设备的研发、测试、集成与部署，GPS系统将迸发出更强的军事应用潜能，其中，以GPS军用接收设备为代表的美军卫星导航应用装备作为GPS系统用户段的重要组成部分，其能力及影响在美军多种“功能性战斗要素”中均有涉及，是美军信息化条件下多域作战战力的倍增器。

1 GPS军用接收设备发展背景

GPS军用接收设备是GPS军事用户设备（MGUE）的重要组成部分，而MGUE是GPS系统的关键一环。当前，美军正致力于新型GPS军事用户设备的研发、测试、与武器平台的集成及性能评估、部分列装等工作。

美军现代化的GPS军事用户设备发展规划主要内容为：开发新的适用于不同条件/场景的、支持M码（M-code）的接收卡，供GPS接收器使用，并进一步集成到美国国防部（DoD）各类武器平台/系统中；在此基础上，在器部件小型化等方面进行改进。

M码是一种更强健的、加密的、军事专用GPS信号，旨在满足军事定位、导航和授时（PNT）的需要。M码将通过使用更强大的信号帮助军事用户克服GPS信号干扰，并通过对信号进行加密来防止虚假的GPS信号。2005年以来，前几代GPS卫星已经能够播发M码信号，但美国防部由于缺乏运控系统的支持而无法使用M码形成战力。2018年首次发射的GPS－3（全球定位系统第三代卫星）卫星[1]，能发射更强大的M码信号。

美国天军（USSF）于2021年6月17日发射了第5颗GPS－3卫星[2]，未来，星座中支持M码播发的卫星数量将增加至24颗，达到GPS星座基线数量基本要求，这对于美军在全球范围内获取抗干扰能力更强的军码信号至关重要。此外，GPS系统地面控制段M码的早期使用功能已于2020年11月通过军方验收，显著增强了美军对新型GPS军事用户设备进行测试的能力。

M码接收机的开发已经历时近10年，其设计难度在于满足不断变化的威胁目标，设计要求灵活、安全和开放。目前，美国防部已经选择雷神公司（Raytheon）、BAE系统公司等军工企业研发、生产面向不同应用场景的GPS接收板卡、嵌入式新型GPS接收机，并在斯特赖克装甲车（Stryker vehicle）、B-2轰炸机、阿利伯克级驱逐舰（Arleigh Burke class destroyer）等代表性武器平台上开展集成测试工作。

2 美军GPS应用装备发展动向

平台级军事用户设备

（1）雷神公司支持M码相关设备获军方认证

2019年8月，雷神公司获得美国空军太空与导弹系统中心（SMC）1美军太空与导弹系统中心（SMC）于2021年8月13日正式更名为太空系统司令部（SSC），总部位于美国加州洛杉矶空军基地。GPS管理局颁发的新GPS模块（M码模块）和接收机的安全认证，新技术将使GPS在军事系统的应用更加安全可靠。雷神公司的军用代码通用GPS模块及其地面GPS接收器（GBGRAM），以及航空电子设备GPS接收器（GRAM S/M）获得军方认证，GB-GRAM和GRAM S/M由美国天宝导航有限公司（Trimble Navigation）开发，通用动力公司(General Dynamics)为其提供模块化加密支持。2020年4月，雷神M码接收机开始被集成到美军多款战斗机、轰炸机及其他武器系统中，为武器平台提供GPS抗干扰、防欺骗功能[3]。

（2）BAE系统公司获得军方GPS M码模块合同

2021年5月，美国国防后勤局（DLA）授予BAE系统公司价值3.255亿美元的先进M码GPS模块合同。根据合同，BAE系统公司将为美国国防部及其盟友提供支持先进M码信号的、现代化GPS用户设备（MGUE）第一阶段的产品，即通用GPS模块（CGMs），以满足2030年之前的库存需求。BAE系统公司还将基于CGMs生产地面和精确制导弹药所需的军用GPS接收器。

单兵级军事用户设备

2020年6月26日，SMC与柯林斯航空航天公司（Collins Aerospace）、雷神公司情报部以及TAG公司(Technology Advancement Group)签订了3份固定价格快速原型合同[4]，总金额4110万美元，旨在开发现代化GPS手持设备样机，为政府提供基于硬件和软件开发的创新解决方案。

合同要求制造的现代化GPS手持样机较目前美军使用的设备体积更小、功耗更低，支持军码功能更加强大，并且具备抗干扰、防欺骗等功能。合同属于GPS军事用户设备现代化第一阶段的第二个目标任务，是建立在第一阶段第一个目标任务，即模型和图纸的工作基础上，从5家供应商中优选的结果。合同同时要求供应商与美国陆军及海军陆战队举行4次样机测试，以便用户进行及时反馈，更好帮助产品改进定型，尽快过渡到可以实用化状态。

3 新型GPS军事用户设备在美军代表性平台的应用

当前，新型GPS军事用户设备在美军重要武器平台应用的突出特点体现为：通过支持M码增强抗干扰能力，以及通过多源融合手段提升获取导航、定位、授时信息能力的弹性。

MAPS系统集成到陆军斯特赖克装甲车平台

MAPS系统可通过收集和整合不同来源的PNT数据确保车辆在GPS信号受到干扰、发生服务降级、甚至拒止服务情况下仍可获取有效PNT信息，这些来源包含授时、气压测量、惯性导航等各类传感器。驻扎在欧洲的第二装甲兵团（2nd Regiment）的斯特赖克装甲车辆上，装备了第一代MAPS系统。2020年10月，美国陆军授予雷神技术公司子公司2和柯林斯航空航天公司用以完善陆军的定位、导航与授时系统相关合同（第二代MAPS），以满足军队载人车辆应对日益复杂环境的诉求。第二代MAPS系统由柯林斯航空航天公司的NavHub-100型导航系统和数字GPS抗干扰接收器-100型（Digital GPS Anti-jam Receiver-100）组成，可提供更高级别的保护，与陆军现有的MAPS相比，第二代MAPS系统具有两个方面的能力提升：一是支持使用M码；二是可通过现代化信号跟踪（MST）增强GPS完好性，提升系统的可靠性。

美陆军斯特赖克装甲车辆

未来，MAPS系统将成为自动化指挥系统/电子战—C4ISR/EW标准模块化开放套件的一部分，后者属美国陆军项目的通用架构。当MAPS系统需要升级时，可通过芯片插入机箱的方式完成即插即用，美国陆军已经完成了拥有该能力原型样机的测试。

现代化嵌入式导航系统集成到美空军主要作战平台

雷神公司于2017年成功在B-2轰炸机平台完成了首个M码接收器的测试。此后，在内部和第三方进行了多项测试。美军M码接收器具有标准接口和开放式体系架构，能够兼容美国及其盟友的相关系统。根据国际武器交易条例和美国国务院规定，雷神公司的M码产品可面向美国军方及其盟友使用。

2020年2月7日，美国国防部授予霍尼韦尔公司（Honeywell）价值35亿美元的合同，这份不定期/不定量合同要求为嵌入式GPS导航系统现代化，即为EGI/EGI-M提供生产、维护和工程技术服务，合同交付日期是2035年12月31日。这是将GPS接收器嵌入激光陀螺仪的独立惯性导航系统中的一项工作，整个系统质量约8.12kg，具有导航、指向、稳定和飞行控制功能。EGI-M系统可以根据独特的平台要求实现快速插入，支持新功能，具有良好的适应性。EGI/EGI-M的开放系统架构融合了军用GPS接收器，集成了新技术的系统有望应用于F-22战斗机和E-2D预警机等平台。

美军F-22战斗机

E-2D预警机

4 GPS军用接收设备发展趋势研判

新型GPS军用接收设备注重安全可靠，抗干扰、防欺骗能力大幅提升

从GPS星座目前状态及未来空间段持续升级的角度分析，GPS－3卫星M码功率远高于目前军用P（Y）信号，信号抗干扰能力是原来的8倍；未来GPS－3F卫星还将实现点波束增强功能，可同时支持全球任意两个区域的点波束信号功率增强需求，功率增强达20dB；从GPS系统运控段层面分析，在具备支持M码早期使用功能基础上，其支持新信号的能力将进一步增强。这些都为GPS系统军事用户设备接收信号的安全、可靠奠定了良好基础。基于此，采用模块化、软件定义的接收机等GPS军事用户设备将具有更强的安全与可靠性。

支持M码的接收卡将实现可拔插，便于交互操作与功能升级

美国为便于各军种、武器平台实现交互操作与功能升级，同时从长远兼顾考虑降低系统采购与维护成本，其新型GPS军事用户设备支持M码的接收卡将实现可拔插。这种设计的难度在于集成M码接收卡的设备组件等需要满足不断变化的威胁目标，设计要求灵活、安全和开放。模块化要求组件是离散的，彼此之间的依赖性较低，而这可能会导致系统性能下降，需要权衡技术升级与性能的潜在损失之间的关系。

美借助军备出售或以项目合作辐射影响力

2021年7月，SMC批准BAE系统公司向德国提供支持M码的GPS军事用户设备，此批设备为地面用途支持M码的小型化精密GPS接收机板卡（MPE-M），合同价格与产品数量未披露。这标志着德国成为美国国外军事销售计划（FMS）下的高级GPS用户设备的第一个买家。此外，SMC于2020年底提出了一项为期三年的跨国项目计划，该计划授权将支持M码GPS军事用户设备借给伙伴国家进行实验室和实地测试，加拿大是首个签署该文件的国家，并于2021年2月从美国获取了支持M码的GPS军事用户设备板卡用于开展测试。预计法国、韩国和英国也将获得GPS M码早期使用功能第一阶段的技术产品。所有伙伴国家都将进行实验室和现场测试，以评估该类产品与各自应用/集成平台的性能和兼容性，并分享其经验成果。澳大利亚、意大利、荷兰和瑞典（瑞典为非北约国家，加入北约反应部队与北约和平伙伴关系计划3“和平伙伴关系计划”的主要内容包括：(1)北约正式邀请前华沙条约组织国家和欧洲中立国家参加“和平伙伴关系计划”，在军事演习、维和、危机控制等方面进行合作和政治磋商；(2)伙伴国可向北约总部派出联络员；(3)伙伴国必须承认西方的民主、人权标准，并尊重现有边界。）已表示有兴趣并有意于2021年晚些时候加入该协定。美国GPS军用接收设备研发、集成测试、列装等工作持续推进，一方面，将直接有效提升美军在复杂对抗环境中可靠获取定位、导航与授时服务的能力；另一方面，美国通过出售军备或以项目合作等形式，利用盟友对部分新型GPS军事用户设备进行测试，并收集反馈意见建议，既辐射军事影响力，又便于降低自身装备测试成本、加速设备改进与未来定型生产。