崔瀟瀟 趙煒渝 李秀紅(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所)
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,部隊(duì)指揮控制和快速反應(yīng)協(xié)同,提升武器裝備打擊精度和作戰(zhàn)效能等,都離不開(kāi)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍首次將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)投入現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)使用。盡管當(dāng)時(shí)“全球定位系統(tǒng)”(GPS)星座并未部署完畢,但臨時(shí)裝備GPS導(dǎo)航接收機(jī)的武器裝備戰(zhàn)斗力仍得到成倍提高。此后,科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)以及伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中都能看到GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的參戰(zhàn)身影。
GPS導(dǎo)航系統(tǒng)看似具有革命性影響,但技術(shù)缺點(diǎn)也尤為致命。該系統(tǒng)需要發(fā)送和接收衛(wèi)星信號(hào),存在導(dǎo)航頻率公開(kāi)、長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)弱、易受電磁和網(wǎng)絡(luò)攻擊等缺陷,且極易被拒止、削弱甚至欺騙。一旦衛(wèi)星出現(xiàn)故障無(wú)法提供服務(wù)時(shí),將對(duì)依賴該系統(tǒng)的作戰(zhàn)人員和武器裝備帶來(lái)災(zāi)難性后果。
早在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)期間,伊軍曾使用干擾器對(duì)美軍部分制導(dǎo)武器實(shí)施干擾,使其偏離打擊目標(biāo)。俄羅斯針對(duì)北約的制導(dǎo)導(dǎo)彈研制出信號(hào)干擾機(jī),可在導(dǎo)彈飛行不同階段對(duì)其導(dǎo)航信號(hào)實(shí)施干擾。此外,還有其他種類繁多的干擾設(shè)備。
在GPS系統(tǒng)自身缺陷逐漸暴露和多元化的空間資源環(huán)境逐步形成的情況下,美國(guó)擔(dān)心其在歐洲的支配和主導(dǎo)地位受到削弱,也擔(dān)心對(duì)它具有潛在威脅的國(guó)家擁有衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)之后,對(duì)其國(guó)家安全造成威脅。未避免其在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)的壟斷地位受到挑戰(zhàn),美軍從21世紀(jì)初開(kāi)始實(shí)施“GPS現(xiàn)代化”項(xiàng)目。
“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃由美國(guó)國(guó)防部研制和發(fā)展,1973年開(kāi)始方案論證、仿真試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)和設(shè)備研制,經(jīng)過(guò)多年的不斷發(fā)展和改進(jìn),共有7種衛(wèi)星,分別是GPS-1、GPS-2、GPS-2A、GPS-2R、GPS-2M、GPS- 2F和GPS-3。截至2018年底,美國(guó)有31顆在軌運(yùn)行的GPS衛(wèi)星,提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)(PNT)服務(wù),新發(fā)射的衛(wèi)星將逐步替換上一代GPS衛(wèi)星。
“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃將發(fā)射新一代導(dǎo)航衛(wèi)星,逐步代替上一代衛(wèi)星。旨在保持未來(lái)30年內(nèi)美國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)地位,改進(jìn)GPS的總體性能,推動(dòng)美國(guó)的國(guó)家政策,確保在提供GPS全球服務(wù)和“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”(GNSS)全球應(yīng)用上的領(lǐng)先地位。從目前情況來(lái)看,“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃的主要舉措包括以下幾方面。
(1)優(yōu)化星座布局
GPS衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面,這種星座布局不利于GPS用戶定位。因此,2009年11月5日,第14空軍中隊(duì)、空軍航天司令部、空間聯(lián)合功能部隊(duì)司令部和美國(guó)戰(zhàn)略司令部在范登堡空軍基地聯(lián)合向國(guó)家PNT咨詢委員會(huì)提出了重新配置GPS星座的提案。2010年1月,美國(guó)空軍宣布執(zhí)行24+3星座布局方案。該方案依據(jù)2008年9月頒布的《GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)》中定義的24軌位星座的概念。該標(biāo)準(zhǔn)指出:24個(gè)軌位有3個(gè)是可擴(kuò)展的,在1個(gè)可擴(kuò)展的軌位上有1對(duì)衛(wèi)星連在一起,24+3星座布局就是要將連在一起的衛(wèi)星分開(kāi),對(duì)其中部分重要衛(wèi)星的軌道位置進(jìn)行調(diào)整。
(2)衛(wèi)星“推陳出新”
為了更新導(dǎo)航衛(wèi)星,承載更加強(qiáng)大的導(dǎo)航信號(hào)與服務(wù),美軍積極開(kāi)展相關(guān)導(dǎo)航衛(wèi)星的退役和增補(bǔ)工作。自2005年至今,美軍先后完成了20余次發(fā)射任務(wù),成功將8顆GPS Block 2R(M)衛(wèi)星和12顆GPS Block 2F衛(wèi)星送入軌道,完成全面現(xiàn)代化計(jì)劃中的第一和第二步,這些衛(wèi)星進(jìn)一步提高了導(dǎo)航信號(hào)服務(wù)質(zhì)量。
(3)史上最強(qiáng)大GPS衛(wèi)星- GPS-3
美軍正在全力研制生產(chǎn)下一代也就是第三代GPS衛(wèi)星—GPS-3。該系統(tǒng)性能更加卓越,將進(jìn)一步延長(zhǎng)使用壽命、提高精度、增強(qiáng)抗干擾能力。美國(guó)計(jì)劃利用32顆GPS-3衛(wèi)星取代目前在軌的舊衛(wèi)星。
2018年12月23日,美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)的獵鷹-9(Falcon-9)火箭成功發(fā)射了GPS-3的首顆衛(wèi)星,此次發(fā)射標(biāo)志著期待已久的GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化升級(jí)之路終于邁出了實(shí)質(zhì)性的一步。
GPS-3整體性能的確有很大提升,具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)定位精度進(jìn)一步提高。GPS-3衛(wèi)星配備了經(jīng)過(guò)70%獨(dú)特?cái)?shù)字設(shè)計(jì)的任務(wù)數(shù)據(jù)單元(MDU),連接了原子鐘、輻射強(qiáng)化計(jì)算機(jī)和強(qiáng)大的發(fā)射器。由于星載原子鐘、熱控單元、全數(shù)字導(dǎo)航信號(hào)生成等方面的技術(shù)升級(jí),使其這類衛(wèi)星可提供更高穩(wěn)定度的定位信號(hào),這使得GPS-3將把GPS-2時(shí)代的民用導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度提高了3倍,將從目前的3m提升到1m。在實(shí)現(xiàn)1m民用精度后,GPS-3將令民用領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航定位的運(yùn)用場(chǎng)景獲得煥然一新的突破。
提供給美軍乃至北約盟國(guó)的定位精度至少要高出1個(gè)數(shù)量級(jí),精度更高可使得美軍的精確打擊能力再次提升。對(duì)于美軍需要打擊的一些特定目標(biāo)來(lái)說(shuō),提升定位精度的意義是非比尋常的。
測(cè)試中的GPS-3衛(wèi)星
GPS-3在軌示意圖
全球各大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)
2)發(fā)射功率更高,抗干擾能力更強(qiáng)。GPS-3導(dǎo)航衛(wèi)星使用了更新的大功率發(fā)送組件,令其信號(hào)功率更出色。其抗干擾能力是二代星的8倍,衛(wèi)星壽命將延長(zhǎng)至15年。新一代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用綜合性、整體化抗干擾設(shè)計(jì),旨在打造“攻守一體”能力。作為美國(guó)空軍的戰(zhàn)略級(jí)項(xiàng)目,GPS-3導(dǎo)航衛(wèi)星優(yōu)先考慮軍事用途,它圍繞著美軍“新世紀(jì)導(dǎo)航戰(zhàn)”的思想,采用了綜合性、整體化的抗干擾設(shè)計(jì),能挫敗近年出現(xiàn)的一些GPS干擾手段。
在“進(jìn)攻”策略方面,GPS-3衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了依據(jù)作戰(zhàn)需要,靈活切斷特定地理區(qū)域?qū)Ш叫盘?hào)的能力,可以有效地阻礙使用GPS民用信號(hào)及相關(guān)差分技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航的敵方作戰(zhàn)平臺(tái)與武器。GPS-3衛(wèi)星的這種可迅速關(guān)閉特定位置導(dǎo)航服務(wù)的能力,可主動(dòng)“打擊”敵人。另外,第三代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將軍用信號(hào)與民用信號(hào)徹底分離,從根本上提升軍用信號(hào)的安全性。
3)各項(xiàng)新技術(shù)手段全面提升。GPS-3衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)接口及靈活、輕松插入的模塊化架構(gòu),可更加智能、快速地構(gòu)建下一代導(dǎo)航系統(tǒng),使衛(wèi)星具備在軌編程和在軌升級(jí)能力,將可根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行安裝,非常便捷;通過(guò)采取軍、民頻段分離,增加新的民用信號(hào)L1C,可實(shí)現(xiàn)與GNSS的互通。
GPS-3導(dǎo)航有效載荷通過(guò)采用新的一個(gè)任務(wù)數(shù)據(jù)單元,其70%采用數(shù)字化設(shè)計(jì),連接原子鐘、輻射加固計(jì)算機(jī)和強(qiáng)大的發(fā)射機(jī),這些新的技術(shù)手段將增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)功率,以及信號(hào)與GNSS的兼容性。新一代導(dǎo)航有效載荷還將為新的GPS-3搜救有效載荷提供時(shí)鐘信號(hào)。
GPS系統(tǒng)的地面段是GPS地面運(yùn)行控制系統(tǒng)(OCX)的核心部分,它承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、控制和管理的功能,能夠?qū)崟r(shí)生成并向?qū)Ш叫l(wèi)星注入導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。目前,GPS地面控制段由1個(gè)主控站(MCS)、1個(gè)備用主控站、17個(gè)監(jiān)測(cè)站和12個(gè)地面天線組成。
目前,美國(guó)空軍正在加快新一代GPS地面系統(tǒng)即GPS OCX的開(kāi)發(fā)和部署工作。新一代GPS OCX是下一代地面高性能實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng),它旨在為軍用、商業(yè)和民用用戶提供安全、精確、可靠的導(dǎo)航與授時(shí)信息。GPS OCX將集成地面段、空間段和用戶段的服務(wù)于一體,以加強(qiáng)其無(wú)縫支持全球數(shù)十億用戶的任務(wù)指揮、控制及態(tài)勢(shì)感知能力。OCX控制段將增加系統(tǒng)容量,支持新型GPS-3衛(wèi)星。
與上一代OCX相比,新一代的GPS OCX計(jì)劃性能顯著增強(qiáng),大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能和效率,主要包括:①采用新的Kalman濾波器提升所有用戶精度;②解除對(duì)GPS星座中衛(wèi)星數(shù)量的上限,允許更多的衛(wèi)星參與運(yùn)行;③所有關(guān)鍵的OCX外部接口將采用數(shù)字簽名,保護(hù)信息不被篡改。
為了更加全面地增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的信號(hào)體制,提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能及與其他系統(tǒng)的兼容互操作能力,在GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中新增了部分新型信號(hào)類型,主要包括:①第二民用信號(hào):在GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃中由GPS Block 2R(M)衛(wèi)星首次搭載,是播發(fā)在 L2頻點(diǎn)上的民用信號(hào),使得民用接收機(jī)實(shí)現(xiàn)雙頻測(cè)量成為可能,滿足了民用用戶在復(fù)雜環(huán)境下的高精度定位導(dǎo)航需求;②第三民用信號(hào):在GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中由GPS Block 2F衛(wèi)星首次搭載,是播發(fā)在 L5 頻點(diǎn)上的民用信號(hào),主要為滿足生命安全救援及其他高精度應(yīng)用需求,同時(shí)支持包括航空應(yīng)用等在內(nèi)的高可靠性導(dǎo)航定位業(yè)務(wù);③第四民用信號(hào):使用了低密度壓縮編碼(LDPC)等先進(jìn)編碼技術(shù),同等發(fā)射功率下具有更強(qiáng)的抗干擾、糾錯(cuò)能力,意味著在樹(shù)蔭遮蔽、車內(nèi)、室內(nèi)等微弱信號(hào)條件下的定位能力和可用性將大大加強(qiáng);④軍用碼/M碼:首次搭載于 GPS Block 2R(M)衛(wèi)星上,是同時(shí)播發(fā)在L1和L2頻點(diǎn)的新型軍用信號(hào),與之前的P碼不同,軍用碼可以實(shí)現(xiàn)自主定位,不需要粗捕獲碼的輔助,是未來(lái)10余年美軍及其授權(quán)用戶的主要軍用信號(hào)。
未來(lái),第三代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將進(jìn)一步提升美軍在未來(lái)導(dǎo)航領(lǐng)域的博弈實(shí)力,目前還有總價(jià)值至少為126億美元的23顆新型衛(wèi)星需要進(jìn)行制造或者發(fā)射。第二顆GPS-3衛(wèi)星將于2019年升空。
最終,美國(guó)空軍計(jì)劃在未來(lái)20年發(fā)射32顆軍民兩用的第三代GPS衛(wèi)星,用于全面替換目前運(yùn)行的第二代GPS衛(wèi)星。據(jù)計(jì)劃,新一代導(dǎo)航衛(wèi)星GPS-3共有36 顆衛(wèi)星,包括 A、B、C三種類型。其中,GPS-3A衛(wèi)星12顆、GPS-3B衛(wèi)星8顆、GPS-3C衛(wèi)星16顆。
1)GPS-3A 衛(wèi)星:主要任務(wù)是提高定位精度,擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍,該類衛(wèi)星搭載播發(fā)在 L1 頻點(diǎn)的第四民用信號(hào)(L1C信號(hào)),以實(shí)現(xiàn)與未來(lái)其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作。
2)GPS-3B 衛(wèi)星:主要任務(wù)是增加星間鏈路載荷,衛(wèi)星安裝4副反射面天線,可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星注入電文和測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的星間傳遞,從而確保在地面測(cè)控和注入部分失效情況下的星座自主運(yùn)行能力,提高系統(tǒng)抗毀生存能力。
3)GPS-3C 衛(wèi)星:主要任務(wù)是提升軍用碼的能力,該類衛(wèi)星計(jì)劃裝備大功率、點(diǎn)波束發(fā)射系統(tǒng),可以將局部地區(qū)軍用碼功率提升100倍,實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)波束增強(qiáng)應(yīng)用,從而提升GPS對(duì)于重點(diǎn)戰(zhàn)區(qū)的服務(wù)可用性。
到2034年,第三代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)“星座”部署完畢,將在高效導(dǎo)航、精確定位、快速通信和精準(zhǔn)授時(shí)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
美軍對(duì)于GPS發(fā)展戰(zhàn)略的基本思路非常清晰:確保其軍事使用的優(yōu)先權(quán)及其在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的核心地位,同時(shí)又決不放棄任何從巨大的民用市場(chǎng)中獲得經(jīng)濟(jì)和政治利益的可能性。
近年來(lái),隨著國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的飛速發(fā)展,多個(gè)國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展取得了里程碑式的階段性成果,衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)加劇。衛(wèi)星導(dǎo)航作為最重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施,已廣泛滲透到了國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中。
美國(guó)一直以來(lái)將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為維護(hù)本國(guó)空間利益和安全、占據(jù)太空優(yōu)勢(shì)地位的重要手段,從戰(zhàn)略上、體系上謀劃衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)裝備技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái),更是加緊了對(duì)新一代GPS-3衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)。目前,正在以強(qiáng)勁勢(shì)頭構(gòu)建彈性、穩(wěn)健的GPS系統(tǒng)。主要建設(shè)重點(diǎn)包括:
1)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用,采用新技術(shù)研發(fā)新產(chǎn)品,推動(dòng)GPS系統(tǒng)的應(yīng)用向各個(gè)級(jí)別、各個(gè)方面深入發(fā)展,滿足不斷增長(zhǎng)的各種需求,尤其是支援和保障軍事行動(dòng)的需求。
2)抗干擾能力的增強(qiáng)。由于GPS衛(wèi)星離地表高度較高,衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)較弱,信噪比較低,且以固定頻率發(fā)射,極易受到敵方的干擾、利用或破壞。對(duì)此,美軍決定通過(guò)“GPS現(xiàn)代化”計(jì)劃重點(diǎn)增強(qiáng)系統(tǒng)在干擾環(huán)境下的工作能力。
3)衛(wèi)星星座的優(yōu)化?,F(xiàn)役主體衛(wèi)星都會(huì)有壽命到期,最后“壽終正寢”的問(wèn)題。要想使衛(wèi)星能夠提供更加高效、連續(xù)實(shí)時(shí)的精確位置、速度和時(shí)間信息,就得采用更先進(jìn)的衛(wèi)星進(jìn)行補(bǔ)網(wǎng)。
4)有效競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)歐洲“伽利略”(Galileo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的興建和俄羅斯“格洛納斯”(GLONASS)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速?gòu)?fù)蘇,美國(guó)要確保GPS具有并保持先進(jìn)性。為此,美軍正在加速推進(jìn)“GPS現(xiàn)代化”,助力美軍導(dǎo)航戰(zhàn)。
根據(jù)美軍的“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念,戰(zhàn)爭(zhēng)中,美軍將著力阻止敵方使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào),并保證己方和盟友可以有效利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息,同時(shí)不影響戰(zhàn)區(qū)以外區(qū)域和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。不僅如此,美軍還根據(jù)任務(wù)需要,將導(dǎo)航戰(zhàn)劃分為進(jìn)攻導(dǎo)航戰(zhàn)和防御導(dǎo)航戰(zhàn)。前者具有指使敵方衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)失效的能力,后者則具有設(shè)法阻止敵方具備對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施進(jìn)攻的能力。
即便如此,美軍仍在開(kāi)發(fā)新一代PNT系統(tǒng),或通過(guò)多種新型導(dǎo)航定位手段緩解美軍的“GPS依賴癥”。近年來(lái),美軍還大力推動(dòng)慣性導(dǎo)航技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)協(xié)同使用,使導(dǎo)航系統(tǒng)的整體抗干擾能力大幅提升。
第三代GPS系統(tǒng)是美國(guó)在兼顧軍事應(yīng)用和領(lǐng)先全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的前提下,對(duì)GPS系統(tǒng)進(jìn)行重大改進(jìn),將成為美軍作戰(zhàn)能力和武器裝備效能提升的重要支撐。一方面,GPS系統(tǒng)定位與授時(shí)精度及抗干擾能力,將隨著GPS-3衛(wèi)星部署大幅提高,不僅可提升美軍以及盟友精確制導(dǎo)武器打擊精度,強(qiáng)化以GPS系統(tǒng)為核心的時(shí)空基準(zhǔn)對(duì)美軍聯(lián)合作戰(zhàn)的保障作用,還將幫助美國(guó)繼續(xù)掌控制定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的話語(yǔ)權(quán)。另一方面,GPS-3衛(wèi)星以及相應(yīng)的信號(hào)屏蔽技術(shù)將成為美軍實(shí)施導(dǎo)航戰(zhàn)的重要支撐,能達(dá)到阻止敵對(duì)勢(shì)力利用GPS系統(tǒng)的目的,為美軍搶奪戰(zhàn)場(chǎng)“制導(dǎo)航權(quán)”、獲取作戰(zhàn)信息優(yōu)勢(shì)提供重要基礎(chǔ);性能先進(jìn)的GPS-3衛(wèi)星還將促進(jìn)世界各國(guó)加強(qiáng)對(duì)其制衡措施的研究,推動(dòng)電子戰(zhàn)、賽博電磁對(duì)抗等能力的深入發(fā)展。
美國(guó)GPS系統(tǒng)是已經(jīng)發(fā)展了30多年的成熟系統(tǒng),全球覆蓋,軍用價(jià)值極高;人類歷史上僅次于“國(guó)際空間站”、航天飛機(jī)和“阿波羅”登月的第四大航天項(xiàng)目,技術(shù)最先進(jìn),軍用精度極高;是目前世界上最先進(jìn)的導(dǎo)航衛(wèi)星。衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要信息來(lái)源,作為世界上最早的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),GPS正不斷地進(jìn)行其現(xiàn)代化革新進(jìn)程,積極研究美軍GPS系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù),跟上世界衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展步伐具有重要意義。