美国GPS定位卫星系统。（资料图）

 中国网消息：按照目前计划，美国空军将于5月发射首颗新一代全球定位系统卫星（GPS IIF），这一发射预期已经比原GPS星座的现代化计划推迟了五年之久。此前，美国政府的研究警告称，日渐老化的GPS在轨卫星可能于今年开始失效。全球 卫星导航系统，是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系统，被称作“人类在太空里的眼睛”，哪个国家拥有这双“眼睛”，就相当于掌握 了太空战制胜的“王牌”。为此，美国、俄罗斯、欧盟都不惜投入巨资建设全球卫星导航系统。迄今为止，在全球卫星导航系统中数GPS功能最为完备。

　　GPS为军事目的而开发，可“军民两用”

　　长期以来，判别敌我位置一直是世界各国军队迫切渴求的能力。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，但 对比传统的定位方式而言已经是一场革命了。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，这是现有GPS正式的源头。此后不久，国防导航卫星系统改名为Navstar，即授时和测距导航卫星或 者说是全球定位系统，后来简称GPS。

　　GPS是美国为军事目的而开发的，历时20多年，耗资200多亿美元建立起来的卫星导航系统。1983年，时任美国总统里根建议GPS扩展到民用领 域。在1991年的海湾战争中，美军的全球定位系统大显身手，为美军实施精确轰炸立下了赫赫战功，同时，这也刺激了它在商业领域的应用。1993年，美国 正式向全球民间用户免费开放其研发的全球定位系统，并承诺不会中断服务，甚至外国军队都可以使用它。但为了防范“某些国家”利用该系统威胁美国，全球定位 系统对外国只提供低精度的卫星导航信号。一旦发生威胁自身安全的军事冲突，美国会马上切断卫星导航服务。此外，美国政府为了加强其在全球导航市场的竞争 力，撤销对GPS的SA干扰技术，标准定位服务定位精度双频工作时实际可提高到20米、授时精度提高到40纳秒，以此抑制其他国家建立与其平行的系统，并 提倡以GPS和美国政府的增强系统作为国际使用的标准。

就目前而言，GPS已经是一个军民两用系统，提供两个等级的服务。随着GPS向民用开放，它所蕴藏的巨大商机被发掘出来。GPS不仅用于导弹、飞船的导航 定位，更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位，公安、银行、医疗、消防等用它建立监控、报警、救援系统，企业用它建立现代物流管理系统，农业、林业、环 保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位，特别是随着卫星导航接收机的集成微型化，出现各种融通信、计算机、GPS于一体的个人信息终端，使卫星 导航技术从专业应用走向大众应用，成为继通信、互联网之后的IT第三个新的增长点。

　　GPS卫星导航的组成结构

　　GPS卫星导航由三大部分构成：空间部分、地面控制系统和用户设备部分。其中：GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55°。此外，还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

　　地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、 相对距离、大气校正等数据。

　　用户设备部分即GPS 信号接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫 星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的 经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源，设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测，在用机外电源时 机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为 使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。
   
    美重整GPS卫星星座，优化GPS导航系统

　　随着卫星导航技术的不断成熟与广泛应用，用户对GPS提出了更高的要求。军事用户要求GPS抗干扰能力更强，可实施安全可靠的高精度导航定位， 并且不同类型的GPS用户应有不同的使用范围和权限；民用用户要求进一步提高导航定位精度，加强系统的完好性，扩大服务覆盖范围和改善服务的持续性。于 是，1999年1月25日，美国副总统提出实施GPS的现代化计划，通过对GPS卫星平台、卫星载荷和导航信号、地面设施、接收机等各个方面的技术改进， 使GPS为美军赢得战争胜利提供更强有力的支持，并保持GPS在全球民用卫星导航领域中的主导地位。按计划，GPS星座的现代化分三个阶段进行：第一阶 段，从2003年开始发射12颗改进型GPS IIR-M型卫星，进行星座的更新；第二阶段，从2005年底开始发射GPS IIF卫星；第三阶段，最初计划首颗GPS III卫星于2009年发射，2016-2017年完成满星座部署。

　　由于阿富汗与伊拉克的军事行动区域的地形问题以及信号覆盖出现的新问题，促使美国空军高度重视并设法改善目前的GPS信号覆盖状况。今年年初， 美国战略司令部和空军司令部光放宣布，他们将在未来两年内对GPS星座进行优化，以改善驻伊拉克与阿富汗的美军用户的使用效果，并且同时可以改善全球的导 航用户使用体验。战略司令部官员称同时维护提供给全球民用普通用户、商业以及军事用户更好的服务是同等重要的，此次计划改善不仅有利于军事行动，同时所有 的GPS用户都能够得到相应的改善。

　　从本质上讲，该计划是利用目前的卫星星座提高信号覆盖率，为原有星座补充新卫星，防止老化的卫星停止工作的情形出现，并提高GPS的访问能力。 该计划将在未来的24个月内，在不影响现有使用的情况下对卫星星座进行全面调整，可能会增加星座卫星数量，从而提供所有用户的使用体验，有可能提高GPS 的定位精度。
   
第二代GPS卫星精度翻倍，军事用途扩展

　　美空军定于今年5月发射首颗新一代全球定位系统卫星，是美国GPS星座的现代化进行的第二个阶段。而此前政府的研究警告说老化的GPS卫星可能 在今年开始失效，这引起了广泛关注。美国政府问责署（GAO）向国会提交的报告指出，如果在轨GPS卫星数量大减，将会削弱精确制导炸弹打击目标的能力、 被迫使飞机变更航线或延长飞行距离，还将造成城市和山区作战部队获取的GPS信号精度降低等问题。负责运行GPS卫星的美国空军相关部门否认了GPS服务 性能降低的可能性，波音导航与通信系统部的负责人也表示，随着新一代GPS卫星在轨数量的增加，其定位精度将会得到提高。

　　GPS IIF新型卫星是波音公司制造的12颗卫星中的首颗，这些卫星将在后续几年内陆续发射。GPS IIF卫星具有六大特点：1、精度提高2倍。当大多数GPS IIF卫星在轨后所提供的定位精度将小于3米，而当前GPS星座提供的定位精度小于6米。2、GPS IIF星上携带了先进的原子钟，能够提供更加精确的计时手段，也可以提高定位的精度。3、军事信号“M代码”的编制方法使其相比当前GPS卫星具有更强的 抗干扰能力，同时可变功率特性使操作人员能够在需要时提高信号功率以抵抗干扰。4、GPS IIF卫星在轨获取更新软件的能力得到极大加强。原因在于星上内存容量足够用于GPS系统和卫星操作系统的更新，相比之下当前卫星只有有限的更新能力。 5、新型的地面控制装备在运行卫星和管理星座过程中具有更高的自动化程度，同时可以降低运行成本。6、GPS IIF卫星设计运行寿命至少为12年，但有望在实际运行过程中超出预期寿命。
 
当前美国急需GPS IIF卫星发射入轨运行，但即便如此，有关专家指出GPS IIF仍无法带领其走出困境，一旦当前的30颗GPS卫星出现重大问题，将会导致地面某些区域的定位服务效果减弱，甚至丧失能力。在这方面，虽然GPS IIF虽然不足以完全解决问题，但是有助于弥补其中的差距。因此，美国迫切需求GPS III卫星以防止在轨卫星数量低于24颗。GPS III卫星的承包商是洛克希德•马丁公司，预计于2014年发射，但根据GPS IIF和其他卫星项目的延期情况来看，其按日程表发射基本是不现实的。

　　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。

　　第三代GPS卫星已开始研制，精度达0.63米

　　2008年，洛克希德.马丁公司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。