1、来自新民网http:/ GPS 发展简史：将实现对民用信号的控制2010-03-31 16:29 来源：网易军事 作者：松鼠 共 0 条评论 关键字：GPS 坐标系,GPS 制导,P 码2000 年美国取消了对 GPS 卫星民用信道的 SA 干扰信号，民用 GPS 的定位精度达到平均 6.2 米的实用化水平，从而掀起 GPS 产业和应用热潮。随着 GPS 卫星的现代化，定位精度的提高，实时高速定位能力和抗干扰能力的增强，美军开始在越来越多的领域使用 GPS 制导武器。长期以来，判别敌我位置就是各国军队迫切渴求的能力。在古代即使是绘制粗糙的地图也是将领们的无价之宝，到了近代出现了绘制等高线经纬度
2、的高精度地图，随着 1957 年苏联 Sputnik-1 人造卫星发射成功，人类的眼光又投向了天际。1958 年，美国海军开始研制子午仪卫星定位系统，1960 年开始发射卫星并于 1964 年正式投入使用。尽管这个为核潜艇开发的定位系统具有诸多弊端，如无法确定高度信息，定位时间长，无法连续导航，无法提供高度信息，难于修正电离层延迟误差等，但对比传统定位方式已经是一场革命了。美国海军对此不足提出了 Timation 计划，试验了星载原子钟，Timation 计划为海军舰艇尤其是核潜艇提供低动态的 2 维定位服务；同期美国空军提出了 621B 计划，使用伪随机码为基础的测距原理，621B 计划为空
3、军提供高动态 3 维服务。1973 年美国国防部将海空军的方案合二为一，建立国防导航卫星系统(DNSS)，这是现有 GPS 正式的源头。此后不久，DNSS 改名为 Navstar，即授时和测距导航卫星或者说是全球定位系统(Navigation Signal Timing and Ranging/Global Positioning System)，后来简称GPS。但是授时功能始终是 GPS 的核心功能之一，这也是从 CDMA 通信到电力系统都大量采用 GPS 的重要原因。GPS 的测试阶段最初的 GPS 计划将 24 颗卫星分置于夹角 120的三个轨道面上，每个轨道面上 8 颗卫星，这样的轨道
4、设置保证地球上任一点能观测到 69 颗卫星，从而实现足够的定位精度。GPS 从 1978 年到 1985 年，从范登堡空军基地用 Atlas F 火箭发射 11 颗 Block I 批次的试验卫星，其中发射失败 1 颗，这个阶段验证了地面接收机，地面跟踪网络和 GPS 卫星的定位能力的可靠性，其结果令人满意。降低民用精度的 SA 技术1983 年韩国 007 号客机导航系统故障误入苏联领空被击落后，美国总统里根宣布一旦GPS 建成将开放给公众使用，从而开启 GPS 民用的大门。GPS 卫星将发射两种不同的测距码，即军用的 P 码和民用的 C/A 码，分别对应精密定位服务(PPS)和标准定位服务
5、(SPS)。由于C/A 码无法用双频技术消除电离层折射影响，美国技术人员预测定位精度会在百米级别。不过测试表明 C/A 码定位精度远高于预测值，能达到 14 米左右，美国军方不得不认真评估C/A 的影响。1984 年，确定了保护美国国家安全的两大措施：防止地方对军用的 P 码进行干扰的 AS(anti-Spoofing)技术和降低 C/A 码定位精度的选择可用性(SA:Selective Availability)技术。GPS 与海湾战争1989 年 2 月 14 日，第一颗 GPS 工作卫星成功发射，正式组网的工作卫星为 Block II批次，在 1989 到 1990 年间，使用 Delt
6、a II 火箭发射了 9 颗 Block II 批次的 GPS 卫星。1989 年在轨 GPS 停止服务两星期进行高频振动的 SA 验证，1990 年 3 月到 8 月更是长时间进行 SA 技术验证。由于采用 SA 技术，民间用户对定位精度不满之余，差分 GPS 定位，实时载波相位跟踪技术等技术应运而生。19901991 年的第一次海湾战争中，美军装备的 GPS系统展示相对于传统定位系统极为精确与方便的性能，引起了世人的瞩目。美国 GPS 制造商对 SA 技术的不满颇具讽刺意味的是，由于 GPS 系统还没有建成，美军的军用 GPS 接收机也在测试阶段装备数量不足，出于应急军方临时从 Trimb
7、le 公司采购了 10000 台，从 Magellan 公司采购了 3000 台民用 GPS 接收机装备部队。不过即使如此，自 1991 年 7 月起所有 GPS 卫星仍正式全部使用 SA 技术，将定位精度降低到 100 米。在海湾战争 GPS 应用的刺激下，1991 年初俄罗斯政府宣布 GLONASS 将全面支持民用，不对用户进行收费，而且没有美国方面的 SA 技术限制。1991 年前，出口美国之外的 GPS终端都需要许可证，美国商务部几乎将所有的 GPS 设备都定义为军用，严重损害了美国GPS 制造商的竞争力。在美国 GPS 制造商联合的美国 GPS 工业委员会(USGIC)的努力下，19
8、91 年后 9 月 1 日后美国商务部不再对民用 GPS 出口进行许可证限制，不过 SA 政策仍然让美国 GPS 制造商极为不满，俄罗斯 GLONASS 不进行任何限制的措施更是令不满火上浇油。1995 年 GPS 系统完全建成1990 年末开始，开始 Block IIA 卫星的发射，到 1997 年为止发射了 19 颗 Block IIA卫星。1993 年 12 月美国宣布 GPS 卫星导航定位系统具备初步作战能力，美国还宣布对民用用户 10 年内免收任何费用。截止 1994 年 3 月 10 日发射了 15 颗 Block IIA 卫星，预定的 24 颗卫星全部发射完毕，再经过大约 1 年
9、时间的调试，1995 年 4 月 GPS 系统宣布具备完全作战能力。不过，在此之前，GPS 早已广泛用于军用和民用了。GPS 工业委员会的胜利尽管 GLONASS 系统由于俄罗斯的经济困境未能及时投入使用，卫星性能也不尽人意，但是对 GPS 的刺激还是不小的，更何况 GPS 的广泛民用背景下 SA 政策显得尤为刺眼，美国GPS 工业委员会也一直大力推动关闭 SA。1996 年，美国总统克林顿正式发布了国家 GPS 政策(PDD)，明确表示美国在保护国家安全和对外政策利益的同时，推动 GPS 全球卫星导航系统的应用，增强美国民用卫星导航系统工业的竞争力，为此美国政府还承诺 10 年内中止使用选择
10、可用性技术(SA)。GPS 在民用领域的广泛应用1996 年另一件对 GPS 影响深远的事情是美国通信委员会颁布了行政性命令 E911，硬性要求建设公众安全无线网络，也就是无论在任何时间和地点都能通过手机信号追踪到用户。这对运营商来说是资金和技术上的噩梦，但极大促进了 GPS 导航定位系统的广泛应用。随着 3G 通讯的发展，所有 CDMA 系统均使用 GPS 进行授时，尤为体现了 GPS 系统对民用产业的重要性，此外电力系统，金融系统的授时目前也广泛采用 GPS 的卫星信号。车载 GPS 定位，手机定位，也是很常见 GPS 应用方式，至于用于测绘勘探，更是最早 GPS 的应用领域。GPS 制导
11、武器的大发展在广泛用于民用的同时，第一次海湾战争让美国军方从 20 世纪 80 年代后期就开始研制的 GPS 制导武器大大加速，在 1999 年科索沃战争中 JDAM 等 GPS 制导的灵巧弹药投放了645 枚之多几乎耗尽库存，以至于美军向波音公司紧急要求加快生产，其制导精度和打击效果也很令人满意。GPS 制导武器具有廉价高效的特色，新一代的 JDAM，JSOW，JASSM 和SDB 都普遍采用 GPS 制导，廉价高精度武器极大的提升了美军的打击能力，到了 2001 年阿富汗战争期间和 2003 年第二次海湾战争期间，分别投放了 4500 枚和 6540 枚 JDAM 弹药，加上 SDB 等，
12、GPS 制导灵巧炸弹已经成了美国实施高精确打击的主力军。发射新卫星、取消 SA 干扰信号得益于美国雄厚的技术底蕴，也为了保持 GPS 的长期稳定运行，美国 GPS 系统始终采取部署一代，改进一代，研发一代的仿真，每代间隔大约为 10 年。1987 年早在 GPS Block II 和 IIA 尚未发射时，GPS Block IIR 卫星的研发和采购合同已经授予通用电气公司宇航部(现并入洛克希德公司)，1996 年美国又启动了 GPS Block IIF 卫星的改进升级计划，授予罗克韦尔公司(现并入波音公司)。1997 年，美国开始 GPS Block IIR 卫星的发射，尽管 1 月 17 日
13、首颗 GPS IIR 卫星发射失败，截止 2004 年 11 月 6 日，此后的 12 颗卫星都顺利发射升空。2000 年美国取消了对 GPS 卫星民用信道的 SA 干扰信号，民用 GPS 的定位精度达到平均 6.2 米的实用化水平，从而掀起 GPS 产业和应用热潮。2003 年尽管当初宣布的 GPS 免费使用到期，但是美国 GPS 产业从业人员众多，GLONASS 系统开始恢复元气，同时欧洲开始 Galileo 卫星导航系统的开发，中国也开始北斗卫星导航系统的发展，美国政府已经表示可预见的未来延长免费服务期限，并承诺提高定位精度吸引民用用户。GPS 的现代化民用方面包括提高定位精度占领民用导
14、航定位市场，措施是解除 SA 干扰并增加新的民用信号，使民用用户终端可以用双频消除电离层误差；军用方面包括增强抗干扰能力和提高生存能力，主要措施是将军码和民码信号分开，增加新的军用信号，增强卫星信号强度等。二代改进型 GPS 卫星扩展军事用途为此美国空军将尚未发射的 GPS IIR 卫星进行升级，增加新的军码 M 码和民码 L2C，信号强度增加了 4 倍。新卫星称为 Block IIR-M，自 2005 年 9 月 26 日开始发射，到 2009年 8 月 17 日发射了 8 颗卫星，2009 年的那次发射也是最近的一次 GPS 卫星发射。美国空军还将更改 GPS Block IIF 卫星设计
15、，强化性能推进 GPS 的现代化。随着 GPS 卫星的现代化，定位精度的提高，实时高速定位能力和抗干扰能力的增强，美军开始在越来越多的领域使用 GPS 制导武器。在新一代的 AIM-120 系列空空导弹上采用GPS 中段位置修正，在高速的 SM-3 和 THAAD 甚至是 GBI 反导拦截弹也采用了 GPS 位置修正，同样是高速的低轨道卫星也不乏采用 GPS 进行定位的案例。未来随着 AIM-120D 和 AIM-9X Block II 导弹采用 GPS 坐标系，还将实现空空导弹的第三方制导能力，至于常规火炮火控修正和制导炮弹弹道修正，更是家常便饭。GPS 可用卫星数量并不窘迫迄今为止，已发射
16、的 GPS 卫星数量为 58 颗，轨道上仍在工作的 GPS 卫星包括 11 颗GPS Block IIA 卫星，12 颗 GPS Block IIR 卫星和 7 颗 GPS Block IIR-M 卫星，总计 30 颗卫星。由于其中高达 11 颗卫星为 Block IIA 型号，而 Block IIA 设计寿命只有 8 年，可以说所有 Block IIA 卫星现在都是超期服役，同时 Block IIR 卫星设计寿命只有 10 年，早期发射的 Block IIR 卫星也在发挥余热，这也是去年美国总审计署(GAO)发布报告认为 GPS 面临崩溃的重要原因，不过美国技术扎实，卫星超龄服役屡见不鲜，实
17、际情况其实并不那么窘迫。根据美国防务新闻网的报道，2010 年 5 月美国空军将发射新的 GPS Block IIF 卫星。美国空军订购了 12 颗 GPS Block IIF 卫星，拟于 20102014 年发射完毕，可以有效缓解Block IIA 卫星即将停止工作造成的卫星数量不足的问题。GPS Block IIF 卫星设计寿命 15 年，采用模块化设计，具有灵活性，兼容性和继承性的特点。Block IIF 卫星发射功率比原设计增强 10 倍，采用小功率原子钟，快速在轨重编程能力，星间链路和自主导航技术，增加了 M 码和 L5 民用信号，加强了抗干扰能力。自主导航技术将使 Block II
18、F 卫星在没有地面控制站支持下自主运行 60180 天，加强了 GPS 星座的可靠性和生存能力。第三代 GPS 定位最高精度 0.63 米彻底实现军码与民码的分离与此同时，2008 年洛马公司的团队赢得制造新一代 GPS III 卫星的合同，GPS III 卫星将改善定位导航和授时服务精度，实现更先进的抗干扰能力，还将增加新的民码信号。GPS Block III 卫星将能提供高达 0.63 米的定位精度，同时还具有交叉连接的指挥控制体系，从一座地面控制站就能对整个星座同时进行升级。Block III 卫星还将使用点波束天线，彻底完善军用 M 码的抗干扰功能。不同于早期 GPS 卫星 L1 频段
19、混合了 C/A 码和加密的 P 码，GPS Block III 卫星增加了L1C 民码信号，彻底实现了军码和民码的分离，为屏蔽民码大开了方便之门。从历史看，GPS 的发展并没有遭遇技术上的大障碍，完全满足了军用的原始用途。而在民用上可谓一波三折，好在外国卫星导航系统的竞争和本国民用产业的发展不断打破了政府军方设置的重重障碍，终于在世界范围内得到了广泛的普及。目前来看，GPS 系统在民用卫星导航系统领域的作用已经很难撼动，唯一威胁 GPS 民用市场的，就是美国政府和军方下意识流露出来的控制欲，如果没有其他系统竞争，我们将看到一个对终端用户收费并且不时在某区域中断民用服务的 GPS 系统。从这个角度说，GLONASS，Galileo 和北斗系统是必不可缺的，不过在 GPS 尽占先机，技术也不落后的强势背景下，开放竞争的民用市场上其他系统很难翻盘了。(本文来源：网易军事 作者：松鼠)
