美國(guó)GPS系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在美國(guó)GPS－2F導(dǎo)航衛(wèi)星密集發(fā)射的同時(shí)，全新一代的GPS－3A的研制和生產(chǎn)以及地面段的現(xiàn)代化改造等工作也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。

1 第3顆GPS－2F衛(wèi)星成功發(fā)射

2012年10月4日，德?tīng)査?火箭攜帶一顆GPS－2F衛(wèi)星從卡納維拉爾角發(fā)射升空，3個(gè)多小時(shí)后衛(wèi)星進(jìn)入軌道。

美國(guó)空軍于1996年將GPS－2F衛(wèi)星的研制合同授予了波音公司。按照最初的計(jì)劃，美國(guó)空軍將采購(gòu)33顆GPS－2F衛(wèi)星，不過(guò)這份訂單最終減少到12顆。此次發(fā)射的GPS－2F衛(wèi)星為12顆衛(wèi)星中的第3顆，之前的2顆衛(wèi)星分別于2010年5月28日和2011年7月16日發(fā)射升空。第3顆GPS－2F衛(wèi)星在軌測(cè)試完成之后，用于替代1993年6月26日發(fā)射的GPS－2A衛(wèi)星。目前9顆未發(fā)射的GPS－2F衛(wèi)星中已經(jīng)有3顆制造完成并入庫(kù)保存，另有6顆還處于制造和測(cè)試中。

GPS－2F衛(wèi)星是目前美國(guó)發(fā)射的最先進(jìn)的導(dǎo)航衛(wèi)星，同時(shí)也是美國(guó)GPS現(xiàn)代化計(jì)劃非常重要的組成部分。與前一代的GPS－2RM衛(wèi)星相比，GPS－2F增加了一個(gè)高精度民用導(dǎo)航信號(hào)—L5頻段，其中心頻率為1176.45MHz，主要用于民用航空領(lǐng)域。星上采用了更加先進(jìn)的原子鐘和太陽(yáng)電池，星載原子鐘包括1臺(tái)銫鐘和2臺(tái)銣鐘，采用了美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的數(shù)字化星鐘技術(shù)，進(jìn)一步提高了星鐘系統(tǒng)的穩(wěn)定性，誤差達(dá)到8ns/天的等級(jí)；同時(shí)，為滿(mǎn)足導(dǎo)航信號(hào)數(shù)量和功率增加的要求，GPS－2F衛(wèi)星采用艾培爾（ABLE）公司開(kāi)發(fā)的新型太陽(yáng)電池翼，該太陽(yáng)電池翼質(zhì)量約54.93kg，設(shè)計(jì)在軌工作壽命為12年，并且可以在地面貯存8年，即使在壽命末期，仍能夠提供超過(guò)2610W的功率。

此外，GPS－2F衛(wèi)星還使用了更加安全、抗干擾能力更強(qiáng)的軍用M碼信號(hào)，并將軍用碼和民用碼完全分開(kāi)。由于克林頓時(shí)代取消了在民用碼中增加干擾以降低其精度的選擇可用性（SA）政策，所以目前的GPS民用碼有足夠的精度用于武器制導(dǎo)，很多的非美國(guó)盟國(guó)也能用GPS民用碼進(jìn)行武器制導(dǎo)。而GPS－2F衛(wèi)星將軍用和民用信號(hào)分開(kāi)，在戰(zhàn)爭(zhēng)期間可使該衛(wèi)星對(duì)特定地區(qū)關(guān)閉被敵方利用的民用信號(hào)，以保證己方使用加密的軍用信號(hào)。

2 第1顆GPS－3A衛(wèi)星完成發(fā)射預(yù)備演習(xí)

目前，美國(guó)新一代導(dǎo)航衛(wèi)星GPS－3A的研制和生產(chǎn)工作也在緊鑼密鼓地進(jìn)行著。據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）內(nèi)參網(wǎng)站2012年9月7日消息，洛馬和雷神公司已經(jīng)于8月24日成功完成了GPS－3A首顆星的發(fā)射預(yù)備演習(xí)，對(duì)于計(jì)劃于2014年發(fā)射該衛(wèi)星的任務(wù)來(lái)說(shuō)，邁出了重要里程碑式的一步。

2012年1月，洛馬和雷神公司共同建立了“車(chē)間到車(chē)間”的通信鏈路，使得遠(yuǎn)在賓夕法尼亞州新城市的洛馬公司車(chē)間中的GPS－3A衛(wèi)星可以與位于科羅拉多州奧羅拉市的雷聲公司新一代GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCS）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信與控制測(cè)試。并在此基礎(chǔ)上，成功進(jìn)行了首顆GPS－3A衛(wèi)星的發(fā)射預(yù)備演習(xí)。通過(guò)為期3天的演習(xí)，驗(yàn)證了衛(wèi)星的基本指揮和控制功能，測(cè)試了軟件和硬件接口，并對(duì)衛(wèi)星發(fā)射和早期入軌任務(wù)中所需進(jìn)行的各種操作程序進(jìn)行了演示。

“一箭雙星”發(fā)射GPS－3A衛(wèi)星構(gòu)想

美國(guó)空軍GPS指揮部主任伯尼·格魯伯上校說(shuō)：“首顆GPS－3A發(fā)射預(yù)備演習(xí)的完成是整個(gè)GPS業(yè)界的一個(gè)重要里程碑，它標(biāo)志著我們正在發(fā)展的下一代GPS衛(wèi)星與下一代GPS操作控制系統(tǒng)正在協(xié)調(diào)穩(wěn)步地向前發(fā)展。”

根據(jù)2008年5月15日美國(guó)空軍授予的合同，洛馬公司將研制和生產(chǎn)8顆GPS－3A衛(wèi)星。與GPS－2F衛(wèi)星相比，GPS－3A衛(wèi)星的M碼信號(hào)將更強(qiáng)，具有更好的抗干擾能力。同時(shí)，GPS－3A衛(wèi)星還將在L1頻段增加與歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)完全兼容、并具有互操作性的L1C民用信號(hào)。GPS－3A衛(wèi)星還將開(kāi)展GPS星間鏈路的演示與驗(yàn)證工作，為GPS星間鏈路的建立奠定基礎(chǔ)。與目前GPS衛(wèi)星已經(jīng)具有的星間鏈路不同，GPS－3衛(wèi)星的星間鏈路將采用Ka頻段（原為UHF頻段），星間鏈路的信號(hào)播發(fā)方式也由廣播式改為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，從而能大大提高安全性。屆時(shí)，星－星與星－地的通信能力將提高到100Mbit/s。

美國(guó)空軍計(jì)劃從第9顆GPS－3衛(wèi)星開(kāi)始，使用“一箭雙星”方式發(fā)射衛(wèi)星，以降低發(fā)射成本，預(yù)計(jì)平均每顆衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用將降低5000萬(wàn)美元。目前，研究小組已經(jīng)提交了一種采用宇宙神－5火箭捆綁5個(gè)固體火箭助推器的發(fā)射方案，該方案將2顆GPS－3衛(wèi)星采用上下堆疊的方式置于5m高的整流罩中。

3 GPS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)良好

截止到2013年2月20日，GPS星座中正在工作的衛(wèi)星共計(jì)有31顆，其中包括9顆波音公司制造的GPS－2A衛(wèi)星、12顆洛馬公司制造的GPS－2R衛(wèi)星、7顆洛馬公司制造GPS－2RM及3顆波音公司制造GPS－2F衛(wèi)星。

這些在軌衛(wèi)星中，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的達(dá)22年。根據(jù)目前的美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃，為了確保在軌衛(wèi)星數(shù)目的充足以及對(duì)老舊衛(wèi)星的及時(shí)更替，預(yù)計(jì)到2030年美國(guó)國(guó)防部還將發(fā)射40到50顆衛(wèi)星，這其中不但包括12顆GPS－2F的后9顆、8顆GPS－3A衛(wèi)星，還將包括更為先進(jìn)的16顆GPS－3B衛(wèi)星以及8～16顆GPS－3C衛(wèi)星，其中最先進(jìn)的GPS－3C衛(wèi)星將具備播發(fā)“點(diǎn)波束”M碼信號(hào)的能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)導(dǎo)航戰(zhàn)的支持。

4 地面段建設(shè)有條不紊

GPS系統(tǒng)地面控制段主控站位于科羅拉多州施里弗空軍基地，4個(gè)地面天線(xiàn)（注入站）分別位于卡那維拉爾角、阿松森、迭戈加西亞和夸賈林環(huán)礁，6個(gè)監(jiān)測(cè)站分別位于施里弗空軍基地、卡那維拉爾角、阿松森、夏威夷、迭戈加西亞和夸賈林環(huán)礁。

1999年美國(guó)提出了GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，其中地面控制段的現(xiàn)代化分為3個(gè)階段，包括體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)計(jì)劃（AEP）、新一代運(yùn)行控制段 1（OCX 1）和OCX 2。

AEP階段主要增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代化改進(jìn)的GPS－2RM和2F衛(wèi)星的運(yùn)行控制能力，主要內(nèi)容包括GPS主控站改造、新建GPS備份主控站（位于加利福尼亞的范登堡空軍基地），增加抗干擾、抗欺騙能力，并將原屬美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）的10個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站納入到GPS地面控制段的體系中，增強(qiáng)GPS星座的監(jiān)測(cè)與控制能力；利用美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)（AFSCN）的8副地面天線(xiàn)對(duì)GPS系統(tǒng)原有的4副地面天線(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)充，增強(qiáng)上行注入能力。

OCX 1階段與OCX 2階段主要內(nèi)容包括建立全新的GPS地面控制段體系結(jié)構(gòu)；實(shí)現(xiàn)對(duì)新導(dǎo)航信號(hào)（L1C、L2C、L5C和軍用M碼信號(hào)）的監(jiān)測(cè)；增加對(duì)GPS－3衛(wèi)星新增能力的管理與控制能力，如靈活的信號(hào)功率配置、星－星和星－地鏈路及點(diǎn)波束能力等。按照目前計(jì)劃，OCX 1階段將在2016年具備全面運(yùn)行能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)L2C和L5信號(hào)的監(jiān)測(cè)；而到OCX 2階段完成時(shí)，GPS系統(tǒng)地面控制段將具備管理32顆衛(wèi)星組成的GPS星座的能力。

美國(guó)GPS衛(wèi)星在軌情況統(tǒng)計(jì)表

SA關(guān)閉前后定位精度對(duì)比

GPS系統(tǒng)定位精度統(tǒng)計(jì)圖

5 定位精度提高，應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大

2000年5月2日前，美國(guó)采取SA政策，人為地將誤差引入GPS衛(wèi)星星鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS精度，其直接影響是C/A碼的精度從20m降低到100m。車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)不能提供精確轉(zhuǎn)向，民用GPS裝置也不能精確定位到某個(gè)街區(qū)，更不要說(shuō)定位某條道路了。2000年5月2日后，美國(guó)關(guān)閉了SA開(kāi)關(guān)，使全球民用GPS接收機(jī)的精度瞬間得到大幅提升，定位精度從原來(lái)的足球場(chǎng)大小縮小到一間屋子大小。

2000年以來(lái)的12年里，GPS的定位精度一直在不斷提高。今天，利用GPS基準(zhǔn)站、更優(yōu)化的算法和更先進(jìn)的接收機(jī)，以及性能卓越的民用GPS設(shè)備不僅能夠定位街道，而且能夠定位用戶(hù)在街道的哪一邊。在GPS系統(tǒng)定位精度統(tǒng)計(jì)圖中給出了2012年1－5月全球GPS普通用戶(hù)的定位性能數(shù)據(jù)，可以看出大約有50%用戶(hù)的平均定位精度達(dá)到1.58m，而95%用戶(hù)的平均定位精度達(dá)到了2.55m。當(dāng)前，對(duì)于一些特殊的用途，利用GPS信號(hào)的載波相位和互聯(lián)網(wǎng)可使定位精度達(dá)到厘米量級(jí)，甚至毫米量級(jí)。從而進(jìn)一步促進(jìn)了GPS在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

GPS應(yīng)用領(lǐng)域

完成AEP改造后的GPS地面控制段地理分布OCS-運(yùn)行控制系統(tǒng)，NGA-國(guó)家地理空間情報(bào)局，AFSCN-美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)

在軍事應(yīng)用方面，美軍不僅將GPS技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)、導(dǎo)彈等高技術(shù)武器上，甚至為單兵配備了接收設(shè)備。借助GPS系統(tǒng)，戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)、偵察機(jī)和特種作戰(zhàn)飛機(jī)可以全天候準(zhǔn)確無(wú)誤地執(zhí)行任務(wù)；坦克編隊(duì)可在沒(méi)有特征的沙漠地帶完成精確的機(jī)動(dòng)；掃雷部隊(duì)可安全通過(guò)雷區(qū)、準(zhǔn)確測(cè)定布雷位置以便將其摧毀；給養(yǎng)運(yùn)輸車(chē)能在沙漠中發(fā)現(xiàn)作戰(zhàn)人員并為其提供補(bǔ)給；特別行動(dòng)直升機(jī)與攻擊直升機(jī)能夠協(xié)同作戰(zhàn)。可以說(shuō)，GPS系統(tǒng)已經(jīng)成為美軍必不可少的戰(zhàn)斗保障設(shè)施。

在民用方面，GPS更是遍地開(kāi)花。傳統(tǒng)應(yīng)用如汽車(chē)導(dǎo)航、個(gè)人定位服務(wù)、精密農(nóng)業(yè)、海事以及測(cè)量等等領(lǐng)域，每年的新應(yīng)用和新產(chǎn)品都層出不窮；近兩年，GPS在野生動(dòng)物跟蹤研究與保護(hù)、地球科學(xué)及環(huán)境研究等新興領(lǐng)域更是有了長(zhǎng)足發(fā)展。例如，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)著名地質(zhì)力學(xué)專(zhuān)家邁克爾·貝維斯帶領(lǐng)他的研究團(tuán)隊(duì)，在格陵蘭島的冰原地區(qū)建立了一個(gè)GPS測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測(cè)格陵蘭島的冰川融化情況；未來(lái)通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)，貝維斯的研究團(tuán)隊(duì)可以在1個(gè)月內(nèi)跟蹤監(jiān)測(cè)到格陵蘭島冰川的劇烈變化。