□ 天 兵

GPS-2F卫星

2011年8月22日,美国波音公司宣布，2011年7月16日由德尔他-4火箭发射的第2颗GPS-2F卫星已经开始在轨服役，被命名为SVN-63，并正式转交给空军第50太空联队和第2太空运行中队。GPS卫星星座现有31颗卫星。波音公司还将建造10颗GPS-2F卫星。美国空军拟在2011年择机用宇宙神-5火箭发射第3颗GPS-2F。

首颗GPS-2F新型导航卫星是2010年5月28日上天的，它标志着美国GPS现代化计划再次取得了重要进展。GPS-2F卫星有了重大改进，使用了先进的原子钟，能为建设一个稳健的GPS星座提供更高的精确性；增加了一个更加抗干扰的军用信号，而且设计寿命长于之前的GPS卫星；还增加了一个具有功率更高、更安全的新的L5民用信号，能帮助商业航线运营，并执行搜救任务。

目前，GPS系统已经发展了两代共6种型号，发射卫星60颗，发射失败2次。在33颗在轨卫星中，GPS-2A卫星11颗，GPS-2R卫星12颗，GPS-2RM卫星8颗，GPS-2F卫星2颗，其中31颗卫星提供服务。美国很重视GPS系统在美国国家安全与经济发展中的作用的，认为它对美国是生死攸关的。

超级指南针

自从1978年10月6日美国第1颗GPS卫星上天以来，已有多颗各种类型的GPS导航卫星被发射。1994年3月10日由24颗卫星构成的导航星座部署完毕，标志着GPS正式建成，其总耗资为200亿美元。截至到2007年底，美国已先后发射了GPS-1、2、2A、2R、2RM、2F共6种卫星系列，其中GPS-1为试验星，其他为工作星。

GPS是军民两用卫星导航系统，但优先为军方服务。从1990年的海湾战争开始到现在，美国的一切军事行动几乎都与卫星定位系统有关。在军事上，它至少有5项重要用途：①为舰艇、飞机等武器平台提供导航定位服务；②协助武器系统实现精确打击；③帮助部队规划进攻线路；④支持人员救援行动；⑤提高卫星自主定轨能力。

不过，导航卫星的军用与民用在技术原理上并不存在本质区别，但军用导航卫星更强调信号的保密性、抗干扰能力和定位精度。

GPS的操作原理很简单。用户首先要测量来自天上至少4颗GPS导航卫星发来信号的传播时间和星历表数据，然后完成数学运算，最终用测距交会方法解算出接收机所在的三维坐标、速度和时间信息，一次定位仅用几秒到几十秒。

GPS导航星座由24颗工作卫星和数颗备份卫星组成。这些卫星运行在6个等间隔的、倾角为55°的近圆形轨道平面上，每个轨道平面上有4颗工作卫星。卫星轨道高度约20200千米，绕地一圈约为12小时。采用这种方式可保证任何地点的用户随时能同时接收至少4颗卫星播发的测距信号和星历表数据，从而获得接收机所在的三维坐标、速度和时间信息。一次定位仅用几秒到几十秒。

每颗GPS都装有非常精确的原子钟，其精度优于每3万年误差1秒，这也是导航卫星的核心技术，因为卫星定位的精度完全取决于全系统卫星时间的精确和统一。

由GPS-2A、2R、2F等组成的导航星座

GPS-1、2、2F在轨飞行示意图

GPS卫星都能不断地以L1为1575.42兆赫和L2为1227.6兆赫两种频率同步为用户发送测距信号和星历表数据。其中L1频率均用精密P (Y）码和粗测C/A码调制，L2频率用精密P(Y）码调制。用精密P(Y）码调制的定位精度目前为1～5米，授时精度为1纳秒,为军事服务；用粗测C/A码调制的定位精度目前为6～12米，为民事服务，其测速精度为每秒0.1米，授时精度为10纳秒。

GPS-1、2、2A、2R仅在L1和L2频段提供1个C/A码民用导航信号和2个P(Y)码军用导航信号(仅供美国及其盟国的军方使用)。但从GPS-2RM开始，在L2频段增加了L2C码民用导航信号，在L1和L2频段增加了M码军用导航信号；GPS-2F又增加了L5频段的L5C码民用导航信号；在GPS-3中还将增加经过与欧洲“伽利略”系统协调的L1C码民用导航信号。

走向现代化

美国洛马公司原计划一共为美国空军设计制造了21颗GPS-2R卫星，但后来由于在伊拉克战争中发现GPS有明显的软肋——怕干扰，伊拉克用从俄罗斯购买的GPS干扰机很容易干扰了美国卫星制导弹药，使它们没有打到预定的目的，误炸事件也屡有发生，所以美国又把最后8颗GPS-2R进行了现代化改进，并命名为GPS-2RM，以便为美国在全球的军方和民间GPS用户提供不断提升的导航能力。8颗GPS-2RM卫星现已发射完毕。

在伊拉克战争中，美国GPS之所以抗干扰能力较差，是由于GPS卫星中调制信号的军码P(Y)码、民码(C/A)没有分离，捕获其军码又需要民码来引导，所以GPS接收机捕获军码时间较长，而且民码较易被干扰。

与GPS-2R相比，GPS-2RM的主要变化有两个方面：其一是在L1和L2频段增加2个新的M码军用导航信号，同时在L2频段增加新的L2C码民用导航信号，从而使GPS系统的测距信号增至6个；其二是通过采用现代化的天线面板来增加卫星信号的发射功率。

GPS-2RM增加M码信号后，不仅使每颗卫星有两路新的军用信号，而且能把军用信号与民用信号彻底分离，实现了不需民用信号引导就可直接访问M码军用信号。这不但增加了军用信号的安全性，而且由于实现了信号发射功率的可重新分配，从而实现了拒绝、阻断敌方使用GPS系统的能力。采用M码比P(Y)码具有较强的发射功率、抗干扰能力和保密性能，便于军用接收机直接捕获等优点，能更好地为美国军方及盟友提供精确度更高、加密能力更强并且具备抗干扰能力的导航服务。因此，新的军用M码信号是美国实现导航战战略的重要基础之一。

另外，虽然GPS-2RM在L2频段新增加的L2C民用码信号的速率仍为1.023兆赫，但具有不同于L1C/A码的结构和长度，因此比L1C/A码有较强的数据恢复和信号跟踪能力，进一步提高导航定位精度，使民事用户可以在不同频率上为民间用户提供可公开获取的信号。

战争撒手锏

当大多数GPS-2F卫星进入太空之后，用户定位精度将由小于6米提高到优于3米。GPS-2F的服役将使美国许多武器如虎添翼，精确打击能力进一步提高。

F-14战斗机发射用GPS制导的战斧式巡航导弹

大多数美军士兵现都配有GPS接收机

在海湾战争爆发之前，不少人曾预言，它可能成为又一场“越南战争”，美国大兵远涉重洋，面对茫茫戈壁，将付出数十万的生命。伊拉克总统萨达姆当时也狂称，要祭起“战争之母”来重创美军。即便是最乐观的评论家也认为，美国会付出上万人伤亡的代价。然而，战争的结局却让人大跌眼镜。战争过后，美军第7骑兵师长道出了真谛，由于有了GPS导航卫星，所以他用9个士兵换取了伊拉克6个师。这话可能有些夸张，但表明了GPS的重要作用。

GPS系统是美国国防部开发的天基全球无线电导航系统，所以它本质上是军用系统，优先为军方服务。GPS首次大出风头是在1991年的海湾战争中，虽然那时整个系统还未完全建成，只有16颗星，但从此一发不可收拾。1994年GPS星座开始正式服役后，它在武器精确制导、部队调动等许多方面都产生了重要作用，近些年发生的北约空袭南联盟、阿富汗战争和伊拉克战争等几乎一切军事行动都与它有关，而且作用日益凸显。

GPS在军事上最重要的应用就是精确制导，它使弹药具有百步穿针之功。现代战争形态已由机械化转为信息化，战争方式由核冷战、核威慑向精确打击转化。据测算，美空军二战时期出动4500架次B-17轰炸机、投弹9000枚的效果仅相当于越战期间出动95架次、投掷109枚炸弹的效果，但若与当前的水平相比，只相当于1架F-117出动1次投掷1枚炸弹的效果。由此可见，提高武器打击精度能够成倍地减少弹药的消耗量。以美国空袭南联盟为例，在战争前15天，北约使用的精确制导武器占总弹药使用量的90%，取得了较大的成效。精确打击现已成为现代战争的一个重要特征。研究和实战表明，如果使弹药命中精度提高1倍，相当于使弹药数量增加3倍，或者TNT当量增大7倍。

导航战开始

美军GPS卫星导航系统在伊拉克战争中遇到了伊拉克GPS干扰机的干扰，标志真正的“导航战”序幕已经拉开的。现在，随着GPS在战争中的巨大作用不断显现，美军对GPS的依赖越来越强，并对GPS的抗干扰能力也越来越担心；另外，其他国家的部队也在装备GPS。为保证美国军队可靠的使用GPS，同时防止敌对国家在战时使用，使美国决定开展“导航战”。

“导航战”是继“电子战”、“信息战”等之后的一个新名词，其核心内容：一是保证GPS导航系统正常运行，友军能充分利用GPS导航的优势；二是不让敌方使用自己的导航信息；三是阻止敌方导航卫星系统的正常运行。

摧毁或使敌方卫星导航系统瘫痪目前有以下手段：干扰GPS接收机接收信号、破坏地面台站、使用反卫星武器。

地面台站的任务是跟踪和监视GPS卫星，实施对卫星轨道控制及参数修正，保证卫星导航的数据质量。所以，通过攻击敌人地面台站，可使卫星星历无法更新，从而影响卫星发布的导航信号精度。

用反卫星武器来直接摧毁导航卫星，可切断发布导航信息的信号源。

不过，用微波武器或其他强力干扰信号在用户接收机周围制造强烈的背景干扰，使用户无法获得卫星导航信号，是目前GPS最大的天敌。因为GPS精确制导武器现已成为最具威慑力的武器，是武器效果的倍增器，但假如导弹突然失去所依赖的卫星导航信息，天知道它会飞向何处。发展成本低廉的干扰机来达到最大的破坏效果，是弱国对付强国，特别是对导航卫星依赖严重的国家的有效手段。

据韩国《朝鲜日报》2011年9月23日报道，2010年8月和2011年3月朝鲜发射GPS干扰电波时，韩国政府曾表示，“将采取应对措施”。但是韩政府所采取的措施竟然是拿厨房用锡箔纸包裹几十个GPS天线。另外，还有把设置在屋顶的天线移到建筑下方或干脆把天线藏到建筑后面的情况。有意见指出，这种方式固然可以避免朝鲜的干扰，但手机通话时间和位置信息也将出现错误，通话也会经常断线。2010年8月韩国政府表示，将推进防电波干扰的基础技术。但是目前韩国没有对朝鲜的干扰电波频率进行甄别并加以过滤的技术，如果彻底防止干扰，必然会屏蔽部分正常电波。

现在，美国已提出了多项GPS抗干扰措施：一是研制抗干扰的军用接收机，通过改进软件或预先设置抗干扰措施，过滤掉干扰信号；二是对卫星进行改造，增强卫星信号的强度，增加新的导航信号，开发新的军用密码，来保证在现有信号受到敌方干扰而失效时，卫星仍然能够发挥作用；三是提高自主能力，使导航卫星能短时期摆对地面系统的依赖。

此外，引入惯性导航与卫星导航系统相组合，可以显著提高卫星制导弹药的抗干扰能力。这种组合技术能使系统的抗干扰性能提高15%左右。

为了不让敌方使用自己的导航信息，美国对GPS导航信号采取加密、分级使用等手段。虽然美国通过公布民用导航信号格式来占领市场，但它对军用导航信号格式严格保密，不到关键时刻决不轻易使用，即便在海湾战争和“盟军”行动中，美国仅使用民用导航信号。而且，美国国防部还具备随时降低GPS导航信号精度、甚至是中止发布GPS导航信号的能力。

未来的前景

美军通过GPS接收机提供的信息研究作战行动

定于2013年左右开始发射的GPS-3卫星将选择全新的优化设计方案。一旦部署完成，其性能至少不亚于欧洲“伽利略”卫星。例如，将使用点波束技术来大大加强M码信号的功率，使信号功率比现有系统提高100倍，信号强度至少增强20分贝；采用更高性能的空间原子钟（如氢钟等），以增加卫星使用寿命；还有可能改变卫星轨道构形和轨道高度，放弃额定24颗中地球轨道卫星的星座配置方案，而采用由33颗中地球轨道、高椭圆轨道和地球静止轨道卫星共同构成的空间星座。GPS-3卫星的定位、定时精度有可能分别达到30厘米和1纳秒，使GPS制导弹药的精度达到1米以内。GPS-3计划的实施，将会再次掀起卫星导航领域的技术革新浪潮。

与现行的GPS系统相比，GPS-3有3个特点：①首先是其传输能力是现在GPS的500倍，而抗干扰能力也较现在的GPS翻番，这意味着GPS的数据和音像传输速度大增，用户享受的“适时服务”也更加完善，且GPS遭干扰中断的风险也将大减。②其次是其精确性将有极大提高，能让所有的用户精确定位地球上任何一个点，且精确度达1米，而此前美国GPS的精确度只有数米。③为民间开放更大的使用空间，按美国五角大楼的设想，GPS-3将新开放两个民用频段——1227.60兆赫和1176.45兆赫，让民间用户更方便使用GPS。

美国计划2013年（第一阶段）开始发射8颗卫星GPS-3A，2016年（第二阶段）开始发射另外8颗卫星GPS-3B，最后的16颗卫星GPS-3C计划在2019年（第三阶段）开始发射。到目前为止，波音公司已经建造了43颗GPS卫星，分别属于GPS-1、2、2A、2F，但GPS-2R、2RM是洛马公司研制的。

此外，美国现在还正着手实施更先进的X射线脉冲星导航计划，它已纳入美国国防部长期发展战略规划纲要，并逐年追加研究经费。

GPS接收机

GPS电子地图