一文读懂：美国“GPS现代化计划”

2018年12月23日，美国太空探索技术公司（SpaceX公司）用“猎鹰9”火箭将美国第三代全球定位系统（GPS）的首颗卫星顺利送入太空。这颗卫星的发射标志着期待已久GPS系统现代化升级之路终于迈出了实质性的一步。

就此，本文首先详细梳理了GPS系统的组成、服务、应用及其日益凸显的技术缺陷。而后全面分析了美国提出的“GPS现代化计划”，该计划旨在保持未来30年内美国在卫星导航系统上的优势地位，并且对GPS的空间段、地面段以及信号体系进行全面的优化升级，以确保在提供GPS全球服务和GNSS全球应用上的领先地位。

GPS概述

1.GPS定义

全球定位系统（GPS）是在美国海军前导航卫星系统的基础上发展起来的以卫星为基础的新型导航定位系统。它具有全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和授时功能, 能为用户提供精确的三维坐标、速度和时间。

2.GPS的组成

目前GPS系统由空间卫星星座、地面监控系统及用户设备组成。

GPS空间星座部分由24颗中轨道GPS卫星(含3颗备用卫星) 组成，这些卫星均匀分布于轨道倾角为55°的6个轨道面上 , 轨道平均高度约为20 200 km。早期的GPS卫星发射两个载波 L1 (1 575142 MHz) 和 L2 (1 227160 MHz) 信号。GPS的地面控制系统由监测站、主控制站和上行注入站组成，其中主控制站位于美国科罗拉多州斯普林斯空军基地内。地面控制系统负责监控收集由导航卫星的下行信号，计算生成卫星星历星钟参数，实时估算GPS信号的电离层和对流层延迟校正系数编算兵上行注入GPS导航电文，监控并维护系统工作状态等。

3.GPS的两种服务

美国在GPS设计时提供两种服务。一种为标准定位服务，利用粗码（民码）定位，提供给民间及商业用户使用。目前GPS民码单点定位精度可以达到25米，测速精度0.1米／秒，授时精度200纳秒。另一种为精密定位服务，利用精码（军码）定位，提供给军方和得到特许的用户使用，定位精度可达10米。

4. GPS的广泛应用

GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能等特点得到了广泛的应用 , 并且新的应用领域还在不断扩展 , 呈现出极其广阔的应用前景。在军事领域，GPS导航设备已成为美军多项军事行动的关键工具。GPS不仅能为军舰、飞机、战车、地面作战人员等提供全天候、高精度、连续实时的定位导航保障，还能为提供远程打击武器提供更加精确可靠的导航数据，从而提高远程打击精度：美军的“战斧”巡航导弹未配置 GPS制导系统之前的圆概率误差（CEP）约为9 m, 在其制导系统中引入GPS后 , 其 CEP降至 3 m, 制导精度大大提高。

5. GPS的缺陷

随着科学技术的不断发展，相比于目前多个世界大国正在积极建设的其它卫星导航系统（如北斗、Galileo等）GPS系统正日益显现出其在很多方面的固有缺陷，主要表现在：

• 卫星导航信号的强度微弱，容易受到多径、噪声、干扰等因素的影响，难以穿透城市建筑遮挡，无法满足日益旺盛的室内定位导航需求。

• 信号公开，容易受到干扰，调制于L1载波上的C/A码和P码都位于L1的中心频段, 容易受到人为干扰。此外由于P码信号不对民用用户开放，使得民用用户难以同时获得 L1和L2两个频点上的P码伪距，无法实现GPS双频观测的电离层误差校正, 限制了 GPS单点定位精度的提高。

• GPS的卫星导航电文必须每天更新一次 , 地面监控系统担负着编算和注入导航电文的重要任务, 一旦地面监控系统受到破坏或受到信息安全攻击，则很难保证系统导航服务的可靠性。

在 GPS系统自身缺陷逐渐暴露和多元化的空间资源环境逐步形成的情况下 , 美国担心其在欧洲的支配和主导地位受到削弱 , 也担心对它具有潜在威胁的国家拥有卫星导航定位技术之后 , 对其国家安全造成威胁。未避免其在卫星导航领域内的垄断地位受到挑战，美国启动了 GPS 现代化计划。

美国GPS现代化计划

GPS现代化计划旨在保持未来30年内美国在卫星导航系统上的优势地位，改进GPS的总体性能， 推动美国的国家政策， 确保在提供GPS全球服务和GNSS全球应用上的领先地位。同时为美军提供更高精度的定位服务，同时通过可变发射功率、点波束等技术实现更高的抗干扰性能。

从目前情况来看，GPS现代化计划的主要举措包括：

（一）空间段升级

优化星座布局

目前的GPS卫星分布在6个轨道面，这种星座布局不利于GPS用户定位。因此，2009年11月5日，第14空军中队、空军空间司令部、空间联合功能部队司令部和美国战略司令部在范登堡空军基地联合向国家PNT咨询委员会提出了重新配置GPS星座的提案。2010年1月，美国空军宣布执行24＋3星座布局方案。24＋3星座布局依据2008年9月颁布的《GPS标准定位服务性能标准》中定义的24轨位星座的概念。《标准》指出：24个轨位有3个是可扩展的，在1个可扩展的轨位上有一对卫星连在一起，24＋3星座布局就是要将连在一起的卫星分开，对其中部分重要卫星的轨道位置进行调整。

卫星“推陈出新”

此外，鉴于很多卫星是上世纪发射，已经达到或接近了服役年限，为了更新导航卫星，承载更加强大的导航信号与服务，美军积极开展相关导航卫星的退役和增补工作。

自2005年至今，美军先后完成了20余次发射任务，成功将8颗Block IIR(M)卫星和12颗Block IIF卫星送入轨道，完成了现代化计划中的第一和第二步，这些卫星在原有的下行信号基础上增发了军用码、第二民用信号（L2C信号）和第三民用信号（L5信号），从而进一步提高了导航信号服务质量。

史上最强大GPS卫星

此外，美军正在全力研制生产下一代也就是第三代GPS卫星—GPS III。

GPS III将成为史上最强大GPS卫星。GPS—III卫星由洛克希德·马丁公司研发设计，这款最新的GPS微信具有三点优势，首先有更高的发射功率和新的抗干扰措施，为美军提出的21世纪“导航战”服务，增加敌方干扰其导航定位信号的难度，且它可以依据需要，迅速关闭特定地理位置的导航信号发送，这样的作用可以让敌方发射的导弹无法有效的命中己方，破坏了导弹的定位信号。

• 更精准：根据向洛克希德·马丁公司提供卫星导航有效载荷的哈里斯公司称，GPS III卫星配备了经过70％独特数字设计的“任务数据单元（MDU），连接了原子钟、辐射强化计算机和强大的发射器。由于星载原子钟、热控单元、全数字导航信号生成等方面的技术升级，使其这类卫星可提供更高稳定度的定位信号，这使得GPS III信号的准确度比当前GPS卫星的信号提高了近3倍。

• 更抗干扰：PS Ⅲ卫星除传统导航载荷外，还搭载了遇险报警载荷( DASS)，具备对定位信标进行搜索和位置确定的能力，卫星的抗干扰能力也提高了8倍。

• 可互操作：由于采用新的L1C民用信号，使得它将成为第一颗可与其他国际全球导航卫星系统互操作的GPS卫星。

就目前披露的信息来看，新一代导航卫星GPS Ⅲ共有 36 颗，包括 A、B、C 三种类型。其中，GPS ⅢA卫星12颗，GPS ⅢB卫星8颗，GPS ⅢC卫星16颗。

GPS ⅢA 卫星：主要任务是提高定位精度，扩大信号覆盖范围，该类卫星搭载播发在 L1 频点的第四民用信号（L1C信号），以实现与未来其它卫星导航系统的兼容互操作；

GPS ⅢB 卫星：主要任务是增加星间链路载荷，卫星安装四个反射面天线，可以实现卫星注入电文和测控数据的星间传递，从而确保在地面测控和注入部分失效情况下的星座自主运行能力，提高系统抗毁生存能力；

GPS ⅢC 卫星：主要任务是提升军用码的能力，该类卫星计划装备大功率、点波束发射系统，可以将局部地区军用码功率提升100 倍，实现指定区域内的点波束增强应用，从而提升GPS对于重点战区的服务可用性。

（二）地面段升级

GPS系统的地面段是GPS系统地面运行控制的核心部分，它承担着整个系统运行监测、控制和管理的功能，能够实时生成并向导航卫星注入导航电文数据。目前GPS地面控制段由1个主控站（MCS）、1个备用主控站、17个监测站和12个地面天线组成。其具体构成如下所示：

目前美国空军正在加快新一代GPS地面系统即GPS OCX的开发和部署工作。新一代GPS OCX是下一代地面高性能实时运行系统，它旨在为军事、商业和民用用户提供安全、精确、可靠的导航和授时信息。GPS OCX将集成地面段、太空段和用户段的服务于一体，以加强其无缝支持全球数十亿用户的任务指挥、控制及态势感知能力。OCX控制段将增加系统容量，支持新型GPS III卫星。

与上一代地面运行控制系统相比，新一代的GPSOCX计划性能显著增强，大大提高整个系统的性能和效率，主要包括：

• 采用新的Kalman滤波器提升所有用户精度；

• 解除对GPS星座中的卫星数量的上限，允许更多的卫星参与运行；

• 所有关键的OCX的外部接口将采用数字签名，保护信息不被篡改。

此外，新一代的OCX将更加强调信息安全能力，据报道，由美国雷神公司负责研制的下一代GPS OCX已经于2018年11月完成了严格的网络安全漏洞评估，测试了系统抵御内部和外部网络威胁的能力，该系统100%实施国防部8500.2“深度防御”信息保障标准，建立了分层防御，将所有信息保障要求均纳入了该系统，在所有测试中，该系统都成功阻止了对导航和定时数据的恶意攻击和篡改。

（三）信号体制升级

为了更加全面的增强GPS系统的信号体制，提升系统的应用性能及与其它系统的兼容互操作能力，在GPS现代化计划中新增了部分新型信号类型，主要包括：

• 第二民用信号：在GPS 现代化计划中由 GPS Block ⅡＲ( M) 卫星首次搭载，是播发在 L2 频点上的民用信号，使得民用接收机实现双频测量成为可能，满足了民用用户在复杂环境下的高精度定位导航需求；

• 第三民用信号：在GPS现代化计划中由GPS Block ⅡF 卫星首次搭载，是播发在 L5 频点上的民用信号，主要为满足生命安全救援及其它高精度应用需求，同时支持包括航空应用等在内的高可靠性导航定位业务；

• 第四民用信号：使用了低密度压缩编码( LDPC) 等先进编码技术，同等发射功率下具有更强的抗干扰、纠错能力，意味着在树荫遮蔽、车内室内等微弱信号条件下的定位能力和可用性将大大加强；

• 军用码/M码：首次搭载于 GPS Block ⅡＲ( M) 卫星上，是同时播发在 L1 和 L2 频点的新型军用信号，与之前的P码不同，军用码可以实现自主定位，不需要粗捕获码的辅助，是未来十余年美军及其授权用户的主要军用信号。

卫星导航定位系统是现代战争的重要信息来源，作为世界上最早的卫星导航系统，GPS正不断的进行其现代化革新进程，随着我国北斗卫星导航系统建设和应用的不断深入，有必要积极借鉴GPS系统的相关经验和教训，确保系统的开放性，从而跟上世界卫星导航技术的发展步伐。