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1、GPS发展简史2000年美国取消了对GPS卫星民用信道的SA干扰信号，民用GPS的定位精度达到平均6.2米的实用化水平，从而掀起GPS产业和应用热潮。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。长期以来，判别敌我位置就是各国军队迫切渴求的能力。在古代即使是绘制粗糙的地图也是将领们的无价之宝，到了近代出现了绘制等高线经纬度的高精度地图，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
2、潜艇开发的定位系统具有诸多弊端，如无法确定高度信息，定位时间长，无法连续导航，无法提供高度信息，难于修正电离层延迟误差等，但对比传统定位方式已经是一场革命了。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(DNSS)，这是现有GPS正式的源头。此后不久，DNSS改名为Navstar，即授时和测距导航卫星或者说是全球定位系统(Navigation Si
3、gnal Timing and Ranging/Global Positioning System)，后来简称GPS。但是授时功能始终是GPS的核心功能之一，这也是从CDMA通信到电力系统都大量采用GPS的重要原因。GPS的测试阶段最初的GPS计划将24颗卫星分置于夹角120的三个轨道面上，每个轨道面上8颗卫星，这样的轨道设置保证地球上任一点能观测到69颗卫星，从而实现足够的定位精度。GPS从1978年到1985年，从范登堡空军基地用Atlas F火箭发射11颗Block I批次的试验卫星，其中发射失败1颗，这个阶段验证了地面接收机，地面跟踪网络和GPS卫星的定位能力的可靠性，其结果令人满意。
4、降低民用精度的SA技术1983年韩国007号客机导航系统故障误入苏联领空被击落后，美国总统里根宣布一旦GPS建成将开放给公众使用，从而开启GPS民用的大门。GPS卫星将发射两种不同的测距码，即军用的P码和民用的C/A码，分别对应精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)。由于C/A码无法用双频技术消除电离层折射影响，美国技术人员预测定位精度会在百米级别。不过测试表明C/A码定位精度远高于预测值，能达到14米左右，美国军方不得不认真评估C/A的影响。1984年，确定了保护美国国家安全的两大措施：防止地方对军用的P码进行干扰的AS(anti-Spoofing)技术和降低C/A码定位精度的选择可
5、用性(SA:Selective Availability)技术。GPS与海湾战争1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星成功发射，正式组网的工作卫星为Block II批次，在1989到1990年间，使用Delta II火箭发射了9颗Block II批次的GPS卫星。1989年在轨GPS停止服务两星期进行高频振动的SA验证，1990年3月到8月更是长时间进行SA技术验证。由于采用SA技术，民间用户对定位精度不满之余，差分GPS定位，实时载波相位跟踪技术等技术应运而生。19901991年的第一次海湾战争中，美军装备的GPS系统展示相对于传统定位系统极为精确与方便的性能，引起了世人的瞩目。美国GP
6、S制造商对SA技术的不满颇具讽刺意味的是，由于GPS系统还没有建成，美军的军用GPS接收机也在测试阶段装备数量不足，出于应急军方临时从Trimble公司采购了10000台，从Magellan公司采购了3000台民用GPS接收机装备部队。不过即使如此，自1991年7月起所有GPS卫星仍正式全部使用SA技术，将定位精度降低到100米。在海湾战争GPS应用的刺激下，1991年初俄罗斯政府宣布GLONASS将全面支持民用，不对用户进行收费，而且没有美国方面的SA技术限制。1991年前，出口美国之外的GPS终端都需要许可证，美国商务部几乎将所有的GPS设备都定义为军用，严重损害了美国GPS制造商的竞争力
7、。在美国GPS制造商联合的美国GPS工业委员会(USGIC)的努力下，1991年后9月1日后美国商务部不再对民用GPS出口进行许可证限制，不过SA政策仍然让美国GPS制造商极为不满，俄罗斯GLONASS不进行任何限制的措施更是令不满火上浇油。1995年GPS系统完全建成1990年末开始，开始Block IIA卫星的发射，到1997年为止发射了19颗Block IIA卫星。1993年12月美国宣布GPS卫星导航定位系统具备初步作战能力，美国还宣布对民用用户10年内免收任何费用。截止1994年3月10日发射了15颗Block IIA卫星，预定的24颗卫星全部发射完毕，再经过大约1年时间的调试，19
8、95年4月GPS系统宣布具备完全作战能力。不过，在此之前，GPS早已广泛用于军用和民用了。GPS工业委员会的胜利尽管GLONASS系统由于俄罗斯的经济困境未能及时投入使用，卫星性能也不尽人意，但是对GPS的刺激还是不小的，更何况GPS的广泛民用背景下SA政策显得尤为刺眼，美国GPS工业委员会也一直大力推动关闭SA。1996年，美国总统克林顿正式发布了国家GPS政策(PDD)，明确表示美国在保护国家安全和对外政策利益的同时，推动GPS全球卫星导航系统的应用，增强美国民用卫星导航系统工业的竞争力，为此美国政府还承诺10年内中止使用选择可用性技术(SA)。GPS在民用领域的广泛应用1996年另一件对
9、GPS影响深远的事情是美国通信委员会颁布了行政性命令E911，硬性要求建设公众安全无线网络，也就是无论在任何时间和地点都能通过手机信号追踪到用户。这对运营商来说是资金和技术上的噩梦，但极大促进了GPS导航定位系统的广泛应用。随着3G通讯的发展，所有CDMA系统均使用GPS进行授时，尤为体现了GPS系统对民用产业的重要性，此外电力系统，金融系统的授时目前也广泛采用GPS的卫星信号。车载GPS定位，手机定位，也是很常见GPS应用方式，至于用于测绘勘探，更是最早GPS的应用领域。GPS制导武器的大发展在广泛用于民用的同时，第一次海湾战争让美国军方从20世纪80年代后期就开始研制的GPS制导武器大大加
10、速，在1999年科索沃战争中JDAM等GPS制导的灵巧弹药投放了645枚之多几乎耗尽库存，以至于美军向波音公司紧急要求加快生产，其制导精度和打击效果也很令人满意。GPS制导武器具有廉价高效的特色，新一代的JDAM，JSOW，JASSM和SDB都普遍采用GPS制导，廉价高精度武器极大的提升了美军的打击能力，到了2001年阿富汗战争期间和2003年第二次海湾战争期间，分别投放了4500枚和6540枚JDAM弹药，加上SDB等，GPS制导灵巧炸弹已经成了美国实施高精确打击的主力军。发射新卫星、取消SA干扰信号得益于美国雄厚的技术底蕴，也为了保持GPS的长期稳定运行，美国GPS系统始终采取部署一代，改
11、进一代，研发一代的仿真，每代间隔大约为10年。1987年早在GPS Block II和IIA尚未发射时，GPS Block IIR卫星的研发和采购合同已经授予通用电气公司宇航部(现并入洛克希德公司)，1996年美国又启动了GPS Block IIF卫星的改进升级计划，授予罗克韦尔公司(现并入波音公司)。1997年，美国开始GPS Block IIR卫星的发射，尽管1月17日首颗GPS IIR卫星发射失败，截止2004年11月6日，此后的12颗卫星都顺利发射升空。2000年美国取消了对GPS卫星民用信道的SA干扰信号，民用GPS的定位精度达到平均6.2米的实用化水平，从而掀起GPS产业和应用热潮
12、。2003年尽管当初宣布的GPS免费使用到期，但是美国GPS产业从业人员众多，GLONASS系统开始恢复元气，同时欧洲开始Galileo卫星导航系统的开发，中国也开始北斗卫星导航系统的发展，美国政府已经表示可预见的未来延长免费服务期限，并承诺提高定位精度吸引民用用户。GPS的现代化民用方面包括提高定位精度占领民用导航定位市场，措施是解除SA干扰并增加新的民用信号，使民用用户终端可以用双频消除电离层误差；军用方面包括增强抗干扰能力和提高生存能力，主要措施是将军码和民码信号分开，增加新的军用信号，增强卫星信号强度等。二代改进型GPS卫星扩展军事用途为此美国空军将尚未发射的GPS IIR卫星进行升级
13、，增加新的军码M码和民码L2C，信号强度增加了4倍。新卫星称为Block IIR-M，自2005年9月26日开始发射，到2009年8月17日发射了8颗卫星，2009年的那次发射也是最近的一次GPS卫星发射。美国空军还将更改GPS Block IIF卫星设计，强化性能推进GPS的现代化。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
14、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。GPS可用卫星数量并不窘迫迄今为止，已发射的GPS卫星数量为58颗，轨道上仍在工作的GPS卫星包括11颗GPS Block IIA卫星，12颗GPS Block IIR卫星和7颗GPS Block IIR-M卫星，总计30颗卫星。由于其中高达11颗卫星为Block IIA型号，而Block IIA设计寿命只有8年，可以说所有Block IIA卫星现在都是超期服役，同时Block IIR卫星设计寿命只有10年，早期发射的Block II
15、R卫星也在发挥余热，这也是去年美国总审计署(GAO)发布报告认为GPS面临崩溃的重要原因，不过美国技术扎实，卫星超龄服役屡见不鲜，实际情况其实并不那么窘迫。根据美国防务新闻网的报道，2010年5月美国空军将发射新的GPS Block IIF卫星。美国空军订购了12颗GPS Block IIF卫星，拟于20102014年发射完毕，可以有效缓解Block IIA卫星即将停止工作造成的卫星数量不足的问题。GPS Block IIF卫星设计寿命15年，采用模块化设计，具有灵活性，兼容性和继承性的特点。Block IIF卫星发射功率比原设计增强10倍，采用小功率原子钟，快速在轨重编程能力，星间链路和自主
16、导航技术，增加了M码和L5民用信号，加强了抗干扰能力。自主导航技术将使Block IIF卫星在没有地面控制站支持下自主运行60180天，加强了GPS星座的可靠性和生存能力。第三代GPS定位最高精度0.63米彻底实现军码与民码的分离与此同时，2008年洛马公司的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。不同于早期GPS卫星L1频段混合了C/A码和加密的P码，GPS Block I
