高边疆之谋⑩｜美持续升级GPS系统，为导航授时战做准备

美国科罗拉多州施里弗空军基地，隶属美国空军第50航天联队的第2航天作战中队操纵维护着目前世界上最大的军用卫星星座——全球导航系统（GPS）星座。

卫星导航定位系统对现代社会发挥着越来越重要的作用，不仅仅提供位置信息，还为很多系统提供精确授时，无论是军事行动，还是社会生产行动，越来越离不开它。它的错误信号，可能导致某一地区的金融交易失败、手机通信网络瘫痪、民航客机偏离航线，或者是卫星制导弹药被投到友军的头上。

随着美国组建“天军”被提上议事日程，GPS系统未来可能将划归美国的“天军”所属。这引发了外界的担心，即以争夺制天权为主要目标的“天军”会不会操纵GPS系统，展开广泛的导航战和授时战？

为导航而生的GPS

第一颗人造卫星升空后不久，美俄就开始致力于导航卫星的研制，相继发展了各自的系统，例如美国的“子午仪”卫星系统。但是这些系统都有其局限性，无法实现连续的三维定位导航。真正让卫星导航定位系统大放异彩的，则是GPS系统。

在1973年的劳动节期间，五角大楼约20名军官的一次会议，最终决定了新一代卫星导航系统的命运。这次会议讨论了如何创建“国防导航卫星系统”（DNSS）的问题。当年晚些时候，DNSS计划被命名为Navstar（导航星）——利用计时和测距的导航系统的英文缩写。这也大致阐述了这一导航系统的基本原理： 通过测量卫星信号从发出到抵达用户的时间差，算出用户与已知空间位置的卫星的距离，再通过一组方程组算出用户的位置。由于个别卫星与名称Navstar相似，后来一个更全面的名称被用来识别这一星座——导航星-全球定位系统（Navstar- GPS）。

美国早期研制的“子午仪”导航卫星。

实际上，技术上的探索在一年前就有了成果。1972年，美国空军中央惯性制导试验基地（霍洛曼空军基地）利用地基伪卫星技术，在白沙导弹靶场进行了4个GPS原型接收机的飞行试验。随着技术的不断突破，短短5年之后，第一个试验型Block I 全球定位系统卫星于1978年发射。1983年，在苏联截击机击落因迷航而误入飞行禁区的韩国007航班后，美国总统罗纳德·里根宣布，GPS系统完成部署后将供民用。1978年至1985年期间，美国发射了10枚Block I原型卫星，来验证这个概念。1988年开始，这些卫星的控制交由科罗拉多州科罗拉多斯普林斯的费尔康空军基地的第二卫星控制中队负责。

1989年2月14日，第一颗实用型的Block II卫星发射升空。1991年的海湾战争中，军方首次广泛使用全球定位系统。当年，微型GPS接收器完成研制，1.25公斤手持式接收器取代了以前的16公斤军用接收器。1992年，原管理该系统的第二航天联队停止职能，被第50航天联队取而代之。

到1993年12月，全球定位系统实现了初始作战能力（IOC），这意味着有完整的星座（24颗卫星）可供使用，并提供标准定位服务（SPS）。此时GPS计划的成本（包括卫星发射的成本，但不算用户设备的成本）估计约为50亿美元（当年币值）。1995年4月，美国空军航天司令部宣布GPS系统实现全面作战能力（FOC），标志着军方的“精确定位服务”（PPS）全面投入使用。

根据最初的设计，GPS星座共有24颗卫星，后来增加了一些备份卫星。

最初，最高质量的信号仅用于军事用途，根据“选择可用性”政策（SA）民用的信号任务增大误差，降低了精度。 2000年5月1日，美国总统克林顿签署了一项政策，取消“选择可用性”政策，以便为民用接收机提供与军方同样的准确性。因为当时差分GPS服务的普及增加了民用精确度，也消除了美国的军事优势。此外，美国军方当时正在积极开发技术，以便拒绝向潜在对手区域提供GPS服务。

2004年11月，高通宣布成功测试用于手机的GPS芯片。2005年，第一颗升级后的GPS卫星发射并开始传输第二个民用信号（L2C），以提高用户的性能。上述举措为GPS在民间的广泛应用奠定了基础。

1991年的海湾战争中，军方首次广泛使用全球定位系统。

不断扩展的星座

自部署以来，美国已对GPS服务实施了多次升级改进，包括增加民用新信号，并提高了准确性，同时保持与现有GPS设备的兼容性。截至2015年初，尽管诸如接收机质量和大气问题等许多因素都会影响精度，但提供高质量的航空级标准定位服务（SPS）的GPS接收机的水平精度已经优于3.5米，在部分区域甚至可以达到1米以内的精度。

这主要源于GPS系统的空间部分。GPS空间部分由向用户传输无线电信号的一组卫星组成。根据最初的设计，GPS星座共有24颗卫星，分布在距离地面20200公里的中轨道（MEO）6个轨道平面上，每个平面分布4个卫星。每颗卫星每天绕地球两次，这个24个位置的布置可以确保用户几乎可以从地球上任何一点观看至少4颗卫星。这是一部GPS定位终端能够有效计算出自身位置的最少卫星数量，因为需要解算一个包含终端时钟误差、自身位置三维空间坐标总共4个未知数的方程组。

美国方面的承诺是，GPS系统在95％的时间内保持至少24颗在轨卫星可供使用。为确保这一承诺，空军在过去几年中一直确保超出24颗卫星（通常31颗）在轨正常运行，以便在基准卫星服务中段或退役时维持覆盖范围，并改善精度。

正在批量制造的GPS卫星。

2011年6月，美国空军成功完成了被称为“可扩展24”配置的GPS星座扩展。当时执行这一操作的就是第50航天联队第二航天行动中队。这次扩展中，6颗卫星被重新定位，以便让3颗卫星称为基本星座的一部分。因此，GPS现在可以看成一个27星星座，使得在世界大部分地区的覆盖范围得到改善，页便于在更复杂的地形条件下接收卫星信号。这被认为是GPS系统42年的历史中最佳几何结构。而欧洲正在建设的“伽利略”系统以及中国“北斗三”号的无源星座，同样是27颗卫星。

截至2018年5月12日，如果不包括退役的仍然在轨备用卫星，GPS星座共有31颗卫星在轨，包括1颗Block IIA、11颗Block IIR、7颗Block IIR-M卫星和12颗Block IIF。额外的卫星可以提高GPS性能，使得在地球大部分区域，可以同时收到8颗GPS卫星的信号，但超出的卫星并不属于核心星座。

按照计划，美国空军今年将发射新一代的GPS Block III卫星，其寿命提高到15年，相比之下，Block IIF的寿命为12年，而之前的Block IIA、Block IIR、Block IIR-M卫星设计寿命只有7.5年，当然它们不少都超出了设计寿命。此外，GPS Block III卫星精度比之前的型号提高了3倍，而抗干扰能力提高了8倍。GPS Block III卫星将首次广播新型民用信号L1C。L1C信号将使得GPS与国际全球卫星导航系统（GNSS，例如欧洲的“伽利略”系统）实现互操作。根据最初的设想，GPS III卫星还将安装核爆探测装置，但是目前的卫星尚未安装。洛克希德·马丁公司将在其位于科罗拉多州丹佛附近的卫星工厂生产10颗GPS Block III卫星。

新一代的GPS Block III卫星在微波暗室接受测试。

发动导航授时战？

如今，GPS系统不仅仅是一套导航、定位、授时系统，还是一套制导系统。美军几乎所有的制导武器，都依靠GPS提供制导信息。而其“杰达姆”卫星制导炸弹也成为最廉价、应用量最多的制导武器。可以说，谁夺取了导航授时领域的优势，谁就占领了战场制高点。

而美军早就意识到了导航、授时的重要地位。1997年，美军在英国召开的GPS应用研讨会上正式提出了“导航战”的概念：在复杂电子环境中，确保己方和友方能够有效利用卫星导航信息，阻止敌方使用卫星导航信息，同时不影响战区外和平利用卫星导航信息。而授时的用途，甚至要比导航定位更为广泛。首先，所有的GPS定位都是以授时为前提的，定位的过程实际上是授时的过程。此外，各种军事行动以及民间的电力、通信、交通、测绘等都离不开授时。因此，最近美国还提出了与导航战对应授时战的概念。美国在发展GPS Block III时，就提出该系统将提供新的导航战功能，在向美国和盟军提供GPS的同时，将关闭有限的地理位置的GPS服务。

美国洛·马公司关于GPS卫星性能特色的介绍，包括Block IIR、Block IIR-M和Block III三种卫星。

这也引发人们对美国操纵GPS系统的担忧。实际上，这种担忧由来已久。之前国内关于美国关闭 “银河”号货轮的GPS系统，切断中国东南沿海的GPS信号的传言流传甚广。从当时的技术来看，切断、关闭某一个平台或区域的GPS系统，而不影响到相邻区域的平台很难做到，更大的可能是进行了干扰。今年的在美国空袭叙利亚期间，叙利亚首都大马士革附近的GPS信号出现异常，开始有分析认为是美国关闭了GPS信号，但后来发现频率相近的中国“北斗”定位系统也难以捕捉信号，这就进一步确认并非美国“关闭GPS信号”，而是因为俄罗斯实施了GPS干扰，以保护自身目标免遭美国的GPS制导武器的打击。

现在来看，首先开始导航战的可能并不是美国人。伊朗2011年依靠GPS欺骗和干扰迫降了美国的RQ-170隐身无人机。尽管在当时这引发了广泛的质疑，但是如今用GPS干扰和欺骗对付无人机已经成为一种主流方式。一个羽毛球拍或者步枪大小的装置，就能驱离或者迫降民用无人机。

随着GPS III系统的民用信号和军用信号的分开，美国操纵GPS系统在未来将逐渐变得在技术上越来越可行。正因为如此，中、俄、欧洲都在竞相发展独立的卫星导航定位系统。结果是人们暂时还不用担心那一天自己的手机找不到卫星导航信号，这并不是美国人的“信用好”，而是竞争的结果。伴随中国“北斗”、俄罗斯“格洛纳斯”、欧洲“伽利略”系统的崛起，GPS的民用信号已经失去垄断地位，激烈的竞争促使美国不得不在对GPS信号动手脚之前，三思而后行。