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美國“全球定位系統(tǒng)”(GPS)要“升級”(附圖)
- 發(fā)布日期: 2011-09-28
- 生成日期: 2022/6/1
- 發(fā) 布 人: 衛(wèi)通達
- 信息來源: 新浪網(wǎng)
GPS“星座”
美軍士兵利用GPS進行精確定位
美國GPS系統(tǒng)要“升級”——透析美國GPS現(xiàn)代化計劃
栗靖 蔡君峰 周新心
美國的“全球定位系統(tǒng)”(GPS),是目前世界上應用最廣泛的導航定位系統(tǒng),該系統(tǒng)從提出到組建完畢歷時20年,耗資200多億美元。自海灣戰(zhàn)爭美軍首次使用GPS于實戰(zhàn)以來,G
核潛艇定位引出衛(wèi)星導航系統(tǒng)
上世紀60年代初,美國研制成功潛射彈道導彈后,確定發(fā)射導彈的核潛艇位置,成為美軍的一個重要技術(shù)難題,促使美國成為世界上最早研制和應用導航衛(wèi)星的國家。目前,美國已發(fā)展了兩代導航定位系統(tǒng)。
1964年,美國海軍初步建成并交付使用的“子午儀”,是美國第一代天基導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于雙頻多普勒測速導航體制設計的,由于使用衛(wèi)星數(shù)量較少,不能實時定位;運行軌道低,難以精密定軌;導航信號頻率較低,難以修正電離層延遲誤差等,無法滿足動態(tài)軍事用戶實時、高精度的導航定位需求。為了更有效地滿足全球范圍精確導航定位的軍事需要,1973年,美國國防部批準海陸空聯(lián)合研制第二代導航定位系統(tǒng),即能測時測距的“導航星全球定位系統(tǒng)”,簡稱“全球定位系統(tǒng)”(GPS),1994年3月,由24顆衛(wèi)星組成的導航“星座”部署完畢,標志著GPS的正式建成。
30顆衛(wèi)星構(gòu)建現(xiàn)代GPS體系
GPS空間部分目前共有30顆、4種型號的導航衛(wèi)星,其中6顆為技術(shù)試驗衛(wèi)星。24顆導航星分布在6個軌道平面內(nèi),每個近似圓形的軌道平面內(nèi)各有4顆衛(wèi)星均勻分布,可以保證在全球任何地點、任何瞬間至少有4顆衛(wèi)星同時出現(xiàn)在用戶視野中。
自GPS全部建成以后,它就晝夜不停地向地面發(fā)送導航定位信息,提供精確、連續(xù)的三維位置和速度、時間信息。通過GPS終端,使用戶在地球表面的任何地方,僅需幾秒鐘到十幾秒鐘就能夠確定自己的位置和精確時間,獲得相關(guān)的導航信息。由于GPS采用廣播的形式發(fā)送導航信息,地面用戶直接接收信號,因而可向無限多的用戶提供服務。
美國在GPS設計時提供兩種服務。一種為標準定位服務,利用粗碼(民碼)定位,提供給民間及商業(yè)用戶使用。目前GPS民碼單點定位精度可以達到25米,測速精度0.1米/秒,授時精度200納秒。另一種為精密定位服務,利用精碼(軍碼)定位,提供給軍方和得到特許的用戶使用,定位精度可達10米。
由衛(wèi)星導航擴展到軍事各領域
在信息化時代,GPS已成為高技術(shù)戰(zhàn)爭的重要支持系統(tǒng)。它極大地提高了美軍的指揮控制、多軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)和快速反應能力,大幅度地提高了武器裝備的打擊精度和效能。具體說來,GPS在軍事上的應用主要有以下幾個方面:
全時域的自主導航。GPS的主要功能就是自主導航,利用接收終端向用戶提供位置、時間信息,也可結(jié)合電子地圖進行移動平臺航跡顯示、行駛線路規(guī)劃和行駛時間估算,從而大大提高部隊的機動作戰(zhàn)和快速反應能力。
各種作戰(zhàn)平臺的指揮監(jiān)控。GPS的導航定位和數(shù)字短報文通信基本功能可以有機結(jié)合,利用系統(tǒng)特殊的定位體制,將移動目標的位置信息和其他相關(guān)信息傳送至指揮所,完成移動目標的動態(tài)可視化顯示和指揮指令的發(fā)送,實現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)移動目標的指揮監(jiān)控。
精確制導和打擊效果評估。GPS制導有精度高、制導方式靈活等特點,已成為精確制導武器的一種重要制導方式。在近幾場高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中,美軍使用精確制導導彈和炸彈的比例比海灣戰(zhàn)爭時增加了近100倍,而它們?nèi)炕虼蟛糠侄家揽縂PS制導。GPS還可以對打擊目標命中率進行評估。在裝有GPS接收終端的彈藥擊中目標引爆的瞬間,觸發(fā)用戶機進行定位,并將位置信息和時間信息迅速傳送到指揮中心,從而進行命中率評估,其評估效果已在伊拉克戰(zhàn)爭中得到充分檢驗。
未來單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)保障。主要利用定位和通信功能,為單兵提供位置信息和時間信息服務,同時可將單兵的位置信息實時動態(tài)傳送到指揮機構(gòu),并及時向單兵發(fā)送各種指令,提高單兵作戰(zhàn)和機動能力。在科索沃戰(zhàn)爭中,美軍的F-117隱形飛機被擊落后,由于飛行員配備了GPS接收機的呼救裝置,從而使美軍能搶在南聯(lián)盟軍隊之前,在7小時內(nèi)找到并救出飛行員。
軍用數(shù)字通信網(wǎng)絡授時。利用GPS可提供高精度授時,為軍用通信網(wǎng)絡提供統(tǒng)一的時標信息,從而使通信網(wǎng)絡速率同步,保證通信網(wǎng)中的所有數(shù)字通信設備工作于同一標準頻率上。
然而,在近幾場局部戰(zhàn)爭中,GPS也暴露出了一些問題。首先是GPS信號的抗干擾能力較弱。因為在一般情況下,從衛(wèi)星反饋到地面的信號很小,如果對方采取各種干擾措施,就會使GPS接收機無法正常工作,從而使其導航定位精度降低或產(chǎn)生誤導。在伊拉克戰(zhàn)爭中,伊軍在其境內(nèi)部署了一些GPS干擾裝置,結(jié)果使美軍的GPS制導武器大失水準,有部分導彈甚至飛到了伊朗、土耳其境內(nèi)。另據(jù)報道,俄羅斯目前已經(jīng)研制成功一種手持式GPS干擾器,可干擾150公里范圍內(nèi)的GPS信號。其次,各國目前都高度重視導航定位系統(tǒng)的發(fā)展,美國GPS一統(tǒng)天下的時代受到了威脅。俄羅斯和印度合作恢復“格魯納斯”系統(tǒng),歐盟及其他國家合作建立“伽利略”系統(tǒng),其性能都絲毫不遜色于美國的GPS。在美國看來,其他系統(tǒng)的建立對美國的太空利益構(gòu)成了重大威脅。
五項計劃為GPS系統(tǒng)升級
為了能使GPS更好地滿足軍事、民間和商業(yè)用戶不斷增長的應用需求,美國決定用先進技術(shù)改進和完善GPS系統(tǒng)。其現(xiàn)代化計劃主要包括以下內(nèi)容:
增加新的GPS信號。美國計劃在2005~2008年發(fā)射8顆改進的導航衛(wèi)星,在衛(wèi)星上播發(fā)新的軍碼和第二民碼,同時計劃在2006~2010年發(fā)射的導航星上增設第三民碼。新增軍碼信號將比現(xiàn)在使用的信號強度高得多,具有較強的發(fā)射功率、抗干擾能力和保密性能等優(yōu)點,以便于軍用接收機直接捕獲。
新增軍碼還使得美軍在戰(zhàn)時有權(quán)對某一地區(qū)的其他信號進行干擾或暫時關(guān)閉,剝奪對方使用GPS信號的能力。
第二民碼與以前的民碼相比,具有較強的數(shù)據(jù)恢復和信號跟蹤能力,能進一步提高導航定位精度。
增設第三民碼,主要是為了防止機場的地面引導雷達對民航使用的GPS信號造成干擾。
研發(fā)新一代軍用GPS接收機。為提高GPS的抗干擾能力,美國正在研制新一代軍用GPS接收機。在新型GPS接收機中,最重要的兩項技術(shù)是GPS接收機應用組件和防欺騙模塊。其中接收機應用組件是一種標準電子插件,可將其加在未來的飛機、艦艇、導彈和各種武器中,目的是確保安全性、互通性,減少非標準接口、定義和功能的數(shù)目。防欺騙模塊是第二代的GPS技術(shù)產(chǎn)品安全模塊,用于保護保密的GPS算法、數(shù)據(jù)和校準。
增強和關(guān)閉GPS發(fā)射信號。針對GPS信號容易受干擾和被他國戰(zhàn)時利用的弱點,目前美軍正設法增加GPS導航衛(wèi)星的1個可控窄波束天線,并通過該窄波束天線增大發(fā)射功率來提高信號強度。其中可控天線至少能使4顆衛(wèi)星的波束指向某一作戰(zhàn)區(qū)域,而地球上其他區(qū)域的接收信號強度卻不會明顯降低。這樣就會迫使敵方提高干擾機的信號功率,以確保其干擾的有效性。隨著干擾機體積的增大和干擾功率的增加,干擾機更容易被探測,更容易受到“哈姆”反輻射導彈武器的攻擊。同時,美軍在戰(zhàn)時也可通過控制衛(wèi)星波束天線的指向,暫時關(guān)閉某一地區(qū)的GPS信號,從而可使對方軍隊難以利用GPS系統(tǒng)。
改善地面設備。主要工作包括:更新GPS地面測控設備,增加地面測控站的數(shù)量;用新的數(shù)字接收機和計算機來更新專用的GPS監(jiān)測站和有關(guān)的地面天線;采用新的算法和軟件,提高測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與傳輸能力等。
GPSⅢ計劃。當前的GPS現(xiàn)代化工作能使星座維持運行到2010年,為了滿足到2030年的軍、民用要求,美國已著手開發(fā)GPSⅢ和相關(guān)的地面控制網(wǎng),以便在2010年后使用。
GPSⅢ計劃的目標是,提供能滿足當前和未來軍、民兩用需要的GPS結(jié)構(gòu)方案。從2004年起,美國國防部開始研究GPSⅢ的采購和結(jié)構(gòu)概念,以便驗證系統(tǒng)要求。GPSⅢ將選擇全新的優(yōu)化設計方案,放棄現(xiàn)有的24顆中軌道衛(wèi)星,采用全新的33顆高軌道加靜止軌道衛(wèi)星組成。GPSⅢ的衛(wèi)星首次發(fā)射計劃定于2009年,全部衛(wèi)星在軌運行將在2015~2020年實現(xiàn)。據(jù)介紹,與現(xiàn)有GPS相比,GPSⅢ的信號發(fā)射功率將提高100倍,信號抗干擾能力提高1000倍以上,授時精度將達到1納秒,定位精度提高到0.2~0.5米,這樣可以使GPS制導彈藥的精度達到1米以內(nèi)。
通過實施現(xiàn)代化計劃,GPS的定位、導航和授時能力將得到進一步提高。改善后的GPS將為美軍提供抗干擾能力更高和信號安全性更好的服務,同時可在未來作戰(zhàn)中剝奪其他國家使用GPS的權(quán)力。
整理:洪麓豐