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          關于美國導航衛(wèi)星發(fā)展歷程及趨勢的研究

          共 13677字,需瀏覽 28分鐘

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          2021-10-22 03:16

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          8295d7fd6a9be3421547e14d2a32b992.webp引文格式:楊子輝,薛彬. 美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢[J]. 導航定位學報, 2021, 9(5): 1-12.(YANG Zihui, XUE Bin. The developedprocedures and developing trends of the United States’navigation satellites[J]. Journal ofNavigation and Positioning, 2021, 9(5): 1-12.)DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20210501.


          美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢


          楊子輝,薛??彬

          (天津大學?海洋科學與技術學院,

          天津?300072)?



          摘要

          以美國發(fā)布的最新材料為依據(jù),重新梳理了美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢,包括子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程,美國空軍的621B項目、美國海軍的蒂馬申(TIMATION)衛(wèi)星導航系統(tǒng)及美國陸軍的賽科爾(SECOR)系統(tǒng)的相關情況,在此基礎上,論述了美國全球定位系統(tǒng)(GPS)的發(fā)展歷程,最后介紹GPS空間部分、控制部分及用戶端的現(xiàn)代化計劃。



          關鍵詞:子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng);621B項目;蒂馬申衛(wèi)星導航系統(tǒng);賽科爾系統(tǒng);全球定位系統(tǒng);現(xiàn)代化計劃



          引言


          隨著第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束,美國與蘇聯(lián)兩國就開始了包括太空爭霸在內(nèi)的各種競賽。1957年10月4日,蘇聯(lián)使用洲際彈道導彈R-7發(fā)射了世界上第一顆進入地球軌道的人造衛(wèi)星斯普特尼克一號(Sputnik-1)。蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的成功發(fā)射,給美國帶來了巨大的震撼,因為美國認為,領空是國土的自然延伸,必須要保護好美國領空的安全;美國甚至認為,蘇聯(lián)有能力用洲際彈道導彈R-7將核彈頭送入美國領空,而美國卻無力偵測到蘇聯(lián)軍事活動的相關信息[1]。


          為了追趕上蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星技術,美國陸軍和海軍同時開展了人造衛(wèi)星項目的研究,1957年11月6日,美國海軍研究實驗室(United States naval research laboratory, NRL)發(fā)射了尖兵試驗飛行器三號(vanguard test vehicle 3, TV3),但TV3的發(fā)射以失敗告終;1958年1月31日,美國陸軍成功發(fā)射了探索者一號(Explorer 1)衛(wèi)星[2]。


          1958年,美國約翰斯·霍普金斯大學(Johns HopkinsUniversity)應用物理實驗室(appliedphysics laboratory, APL)的兩位杰出科學家威廉·H.吉耶(William H. Guier)和喬治·C.韋芬巴赫(George C. Weiffenbach)為了研究蘇聯(lián)人造衛(wèi)星Sputnik的詳細情況,他們在地面已知點上,用自行研制的測量設備捕獲并跟蹤到了Sputnik發(fā)射的無線電信號,測得了Sputnik無線電信號的多普勒(Doppler)頻移,隨后他們編寫了一個計算機程序,利用該程序解算出了Sputnik的軌道參數(shù),依據(jù)他們的實驗成果,APL的另外一位科學家弗蘭克·T.麥克盧爾(Frank T. McClure)博士,設想出了一個“反向觀測方案”,即如果已知衛(wèi)星的軌道參數(shù),地面上的觀察者通過測量該顆衛(wèi)星的Doppler頻移,則可以計算出觀測者的點位坐標[3-4],由此誕生了子午儀導航原理。與傳統(tǒng)的導航方式相比,基于人造衛(wèi)星的子午儀導航方式,可以提供全天候、全覆蓋、全天時的導航服務,開啟了人類基于人造衛(wèi)星導航定位的新時代。


          1
          美國子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)


          蘇聯(lián)成功地發(fā)射了Sputnik人造衛(wèi)星,對美國科技上的沖擊與第二次世界大戰(zhàn)中的“珍珠港事件”一樣,為了趕上并超越蘇聯(lián)在航空航天領域里的成就,美國政府決定加快軍事彈道導彈計劃、全面更新航空航天計劃,組建美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)[5]。
          1957年,美國海軍特別項目辦公室要求APL協(xié)助美國海軍開發(fā)北極星艦隊彈道導彈(Polaris Fleet Ballistic Missile,FBM)戰(zhàn)略武器系統(tǒng)。McClure博士向FBM項目負責人理查德·B.克什納(Richard B.Kershner)博士匯報了他在跟蹤蘇聯(lián)人造衛(wèi)星時取得的研究成果,并一起探討了采用衛(wèi)星導航的可行性。1958年12月,美國海軍決定提供資金,用以支持Kershner博士的星基導航計劃。Kershner博士立即在APL內(nèi)組建了一個科學家團隊,用來發(fā)展美國海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng)(U.S.navy navigation satellite system, NNSS)[3,6]。由于NNSS的導航衛(wèi)星沿地球子午圈的軌道運行,因此,NNSS又稱為子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Transitnavigation satellite system, Transit)[4]。


          從1959年9月17日開始發(fā)射Transit-1A衛(wèi)星開始,到1988年6月16日發(fā)射Transit-Nova-2衛(wèi)星為止,美國共研制了33顆Transit導航衛(wèi)星,發(fā)射了26顆,其具體情況如表1所示。


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          圖1為20世紀60年代初進行Transit系統(tǒng)原理設計時設計的星座[6],圖2為建成后的Transit系統(tǒng)星座。雖然當初設計Transit系統(tǒng)星座時,只要用3顆衛(wèi)星即可為用戶提供服務(如圖1所示),為了保證Transit系統(tǒng)服務的可靠性,實際則建成了6顆導航衛(wèi)星的Transit系統(tǒng)星座,在這6顆導航衛(wèi)星中,3顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星,3顆為備份衛(wèi)星[8]。


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          1963年12月5日成功發(fā)射Transit-5BN-2衛(wèi)星后,Transit系統(tǒng)正式成為世界上第一個為用戶提供定位服務的星基導航系統(tǒng),到1964年11月,美國海軍開始使用Transit系統(tǒng)為潛艦提供導航定位服務[8]。Transit系統(tǒng)在為全球用戶提供了32年的導航定位服務后,于1996年12月31日停止發(fā)射導航定位信號。Transit系統(tǒng)在軌的可用衛(wèi)星繼續(xù)為美國海軍電離層監(jiān)測系統(tǒng)(navy ionospheric monitoring system,NIMS)提供服務[9]。
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          2
          GPS發(fā)明之前的技術探索


          雖然Transit系統(tǒng)能夠為地面用戶提供定位服務,但Transit系統(tǒng)仍然存在明顯的缺陷:


          • Transit接收機的觀測值是接收機中產(chǎn)生的標準頻率與從Transit衛(wèi)星信號產(chǎn)生的多普勒頻移進行比較,通常至少需要兩個觀測值才能夠確定Transit接收機的位置。Transit只有6顆衛(wèi)星,為了得到這兩個觀測值,用戶有時候不得不等待90 min,這對于潛艦、導彈等軍用用戶,已經(jīng)失去了使用價值;

          • Transit衛(wèi)星的軌道距地面僅1100 km,由于低軌衛(wèi)星特別容易受到大氣阻力和地球重力變化的影響,這使得精確確定Transit衛(wèi)星的軌道參數(shù)變得特別困難,嚴重地影響了用戶的定位精度[10]。為了克服Transit系統(tǒng)存在的缺陷,需要積極探索建立新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。


          01


          美國空軍的621B項目[11]

          1962年,美國航空航天公司總裁伊萬·格廷(Ivan Getting)博士意識到,星基導航系統(tǒng)將會在國防及民用領域發(fā)揮巨大作用,為此他設想了一種比Transit系統(tǒng)更為精密的定位系統(tǒng),該系統(tǒng)可以用戶提供全天時、連續(xù)的3維(3D)定位服務。Getting博士將他的定位方案直接呈遞給美國國防部(U.S. Departmentof Defense, DoD),而且他一直為該定位方案奔走呼吁,Getting博士的衛(wèi)星導航定位方案最終獲得了美國空軍的經(jīng)費支持,并將該項目命名為621B項目。


          從1962年開始,在美國空軍的資助下,美國航空航天公司的研究人員對該種新型導航衛(wèi)星系統(tǒng)所涉及的各個方面進行了仔細研究;從1964—1966年,航空專家詹姆斯·伍德福德(James Woodford)和中村秀吉(Hideyoshi Nakamura)的貢獻尤為突出。1966年8月,美國國防部將伍德福德和中村秀吉的研究項目列為秘密,直到13年后的1979年,美國國防部才對他們的研究成果進行解密。621B項目的研究成果為美國全球定位系統(tǒng)(global positioningsystem, GPS)的成功做出了巨大貢獻,主要包括:


          • 詳細研究了被動式測距即單程測距原理;

          • 研究了星載原子鐘并制定了星載原子鐘的驗證方法與手段;

          • 研究了采用4顆導航衛(wèi)星就可以實現(xiàn)用戶端只需要石英鐘即可以完成精密定位的原理;

          • 研究了碼分多址(code division multipleaccess, CDMA)的導航信號體制。


          02


          美國海軍蒂馬申(TIMATION)衛(wèi)星導航系統(tǒng)[11-12]

          1964年,在美國海軍研究實驗室(United States navalresearch laboratory, NRL)科學家老羅杰·L.伊斯頓(Roger L.Easton,Sr.)的領導下,美國海軍發(fā)起了第二個衛(wèi)星導航項目蒂馬申(TIMATION)衛(wèi)星導航系統(tǒng),TIMATION是指時間(TIMe)和導航(navigATION)。TIMATION項目的主要目的是探索星基被動式測距技術、世界各國授時中心之間的時間傳遞方法,以期能夠在世界范圍內(nèi)為用戶提供全天候、全天時的高精度實時定位服務。美國海軍的TIMATION項目與美國空軍的621B項目同時進行,二者形成了競爭關系。


          1967年5月31日,NRL發(fā)射了TIMATION-1實驗衛(wèi)星;1969年9月30日,NRL發(fā)射了TIMATION-2實驗衛(wèi)星。TIMATION項目的研究成果,也為GPS的成功做出了巨大貢獻,主要貢獻包括:


          • 仔細研究了接收機定位精度與導航衛(wèi)星間構(gòu)成的幾何精度衰減因子(geometric dilution of precision, GDOP)之間的關系,其結(jié)果表明,GDOP可以用來識別所用導航星座的衛(wèi)星并消除其他衛(wèi)星的干擾信號;


          • 當導航衛(wèi)星的運動周期為8或12 h,衛(wèi)星軌道的傾斜為53°,導航衛(wèi)星分布在3個衛(wèi)星軌道面、每個衛(wèi)星軌道上有9顆導航衛(wèi)星時,在世界上任意位置,如果衛(wèi)星的高度截止角為5°,按照這樣星座布置的衛(wèi)星,則可以為全世界任何地方,提供全天候、全天時不間斷的導航定位服務,因此,TIMATION項目建議將“3×9”這樣的星座結(jié)構(gòu)作為美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座。


          03


          美國陸軍的賽科爾(SECOR)系統(tǒng)[13-14]

          美國陸軍為統(tǒng)一美國陸地、島嶼上大地控制點的坐標,提高地形圖的精度,與美國海軍聯(lián)合開發(fā)了賽科爾(SECOR)系統(tǒng)。SECOR系統(tǒng)是一種全天候、可移動的大地測量定位系統(tǒng),采用漸進式測距(sequentialcollation of range)原理來確定未知點的坐標。SECOR系統(tǒng)由4臺接收機、1顆或者多顆定位衛(wèi)星組成,將3臺接收機安置在已知點上,1臺接收機安置在未知點上,4臺接收機同時接收SECOR衛(wèi)星發(fā)射的測量信號,首先通過相位比較方法,來確定接收機與SECOR衛(wèi)星間的斜距并將其記錄在磁帶上;然后使用3個已知站與衛(wèi)星之間的距離來計算SECOR衛(wèi)星的位置,這種方法不需要已知衛(wèi)星的軌道參數(shù);最后利用未知點與SECOR衛(wèi)星間的斜距及SECOR衛(wèi)星的位置,計算出未知點的坐標值。

          若4臺接收機能夠同時觀測到同一顆SECOR衛(wèi)星,則可以同時多次完成接收機與SECOR衛(wèi)星之間的距離測量,獲得大量的觀測數(shù)據(jù),這樣可以提高未知點坐標的測量精度。例如,當SECOR衛(wèi)星的共視時間為10~12 min時,用4臺接收機可以獲得約為48000組距離測量值。為了提高測量結(jié)果的可靠性,一般情況下要求獲取2顆以上SECOR衛(wèi)星的共視觀測數(shù)據(jù),或者獲取同一顆SECOR衛(wèi)星通過測量現(xiàn)場2次以上的觀測數(shù)據(jù)。SECOR系統(tǒng)的地面距離測量范圍為160~4800 km,未知點的位置精度為3~10 m。


          從1961年2月21日至1970年4月8日,美國陸軍共發(fā)射了23顆具有SECOR載荷的衛(wèi)星,其中有些SECOR載荷是安裝其他衛(wèi)星上,例如1961年2月21日發(fā)射失敗的SECOR載荷,就是安裝在美國海軍的Transit衛(wèi)星上的;有些SECOR載荷是作為單獨衛(wèi)星發(fā)射的。


          3
          GPS計劃的開啟與系統(tǒng)建設


          到1972年,美國海軍的Transit項目、TIMATION項目以及美國空軍的621B項目已經(jīng)實施了好幾年,取得了許多應用成果,但在實施過程中也存在許多問題,因此他們也一直在研究改善星基無線電導航衛(wèi)星的可能性。早在1969—1970年間,美國航空航天公司總裁Getting博士就向美國總統(tǒng)理查德·尼克松(RichardNixon)的科學顧問李·杜布里奇(LeeDuBridge)建議,鑒于星基導航潛在用戶太多,應該成立總統(tǒng)特別委員會,以指導美國的衛(wèi)星導航工作。經(jīng)過數(shù)個星期的縝密思考后,DuBridge顧問認為要實現(xiàn)Getting博士的建議太困難了,因為Getting博士的建議涉及“四多”,即“涉及的人多,涉及的政府機構(gòu)多,涉及的政治操作多,涉及的公司及機構(gòu)多”。DuBridge顧問希望美國空軍一如既往地推進自己的星基導航項目[15]。


          1973年11月17日,DOD決定將美國海軍的Transit項目、TIMATION項目,美國空軍的621B項目以及美國陸軍的SECOR項目合并,成立納芙斯塔爾(NAVSTAR)GPS聯(lián)合項目辦公室(JointProgram Office, JPO),并任命美國空軍上校布拉德福德·W.帕金森(Bradford W. Parkinson)博士為JPO的首任主任。一段時間以來,人們認為NAVSTAR是授時和測距導航信號(navigation signal timing and ranging)或者是授時和測距導航衛(wèi)星(navigation satellite timing and ranging)的縮寫詞,其實這是一種誤讀,Parkinson博士說,在JPO內(nèi),從來沒有沒有人認為NAVSTAR是前述縮寫詞,NAVSTAR只是負責(GPS)計劃預算的關鍵決策者約翰·沃爾什(John Walsh)給全球定位系統(tǒng)GPS起的一個好聽的名字而已[15],NAVSTAR-GPS后來簡稱為GPS,由美國空軍作為GPS項目的負責單位。


          GPS由以下三部分組成:


          1)空間部分[16]。由一組向用戶發(fā)送無線電信號的衛(wèi)星組成,為保證在95%的時間內(nèi),能為GPS用戶提供可靠的服務,美國承諾要一直保持至少24顆GPS衛(wèi)星處于為用戶提供服務的狀態(tài)。為了兌現(xiàn)這一承諾,最近十多年,美國空軍一直在太空布設了31顆GPS在軌衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星運行在位于距地表20200 km的中圓地球軌道(mediumEarth orbit, MEO)上,運行周期為12 h。GPS星座中的24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上,軌道傾角為55°,在每個軌道面上等間隔布置有4顆GPS衛(wèi)星,GPS星座的這種布局方式,可確保用戶可以從地球上的任何位置,能夠觀測到至少4顆衛(wèi)星。GPS的星座如圖3所示。


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          1974年6月,JPO將羅克韋爾國際公司(Rockwell International)作為GPS衛(wèi)星的建造商。從1978年2月22日發(fā)射GPS星座的第一顆組網(wǎng)衛(wèi)星NAVSTAR1開始,到1993年5月12日成功發(fā)射第24顆組網(wǎng)衛(wèi)星 GPS-2A-11,美國共發(fā)射了31顆NAVSTAR衛(wèi)星、15顆GPS衛(wèi)星[18]。


          特別需要提及的是,美國空軍為了驗證星載原子鐘的性能,于1974年7月13日發(fā)射了搭載了兩臺銣原子鐘的TIMATION-III衛(wèi)星,TIMATION-III衛(wèi)星亦稱為第一代導航技術衛(wèi)星(navigation technologysatellite, NTS-1)。


          2)控制部分[18-19]。GPS控制部分由美國在全球設置的地面設施組成,這些地面設施可以完成對GPS衛(wèi)星的跟蹤監(jiān)測,向GPS衛(wèi)星傳輸各種指令和數(shù)據(jù)。目前控制設施包括:①主控站及備用主控站;②11個指令傳輸及地面天線站;③16個監(jiān)測站。控制部分的監(jiān)控設備分布如圖4所示。圖4中:AFSCN(airforce satellite control network)為美國空軍衛(wèi)星控制網(wǎng);NGA(NationalGeospatial-Intelligence Agency)為美國國家地理空間情報局。


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          3)用戶段。與互聯(lián)網(wǎng)一樣,GPS是全球信息基礎架構(gòu)的重要組成部分。因為GPS具有自由、開放、免費和可靠的特性,人們基于GPS開發(fā)了各式各樣的應用程序,GPS已經(jīng)深深嵌入到軍事武器、國民經(jīng)濟及人們生活中。


          GPS可以提高包括農(nóng)業(yè)、建筑、采礦、測量、包裹運送和物流供應鏈管理等涉及整個經(jīng)濟領域的生產(chǎn)力效率;在電信網(wǎng)絡、銀行系統(tǒng)、金融市場和電網(wǎng)等嚴重依賴精確時間同步的領域,GPS可以為其提供準確的時間基準,完成時間同步。如果沒有GPS的協(xié)助,遠程建筑施工、自動駕駛等服務將無法正常運行。GPS在應急救援、地面交通安全管理、交通事故的預防、汽車自動駕駛,飛航安全等領域都有廣泛的用途[20]。正如奧地利格拉茨大學伯恩哈德·霍夫曼-韋倫霍夫(Bernhard Hofmann-Wellenhof)教授1991年指出的那樣,“GPS將來的應用,只受人們想象力的限制(The future uses of GPS are limited only by one’s imagination)”。


          4
          GPS帶來的效益與風險


          01


          GPS帶來的軍事效益[21]

          無論對士兵還是對武器設備攜帶的導航設備而言,都需要具有以下特點:

          • 定位精度高;

          • 環(huán)境適應能力強,可全天候使用;

          • 操作簡便;

          • 重量輕,便于攜帶;

          • 保密性好,不易被敵方發(fā)現(xiàn)。


          在不同的國家,雖然軍隊的作用可能千差萬別,但每個國家軍隊都必須滿足這兩個基本要求:和平時期的訓練和戰(zhàn)時的實際戰(zhàn)斗。和平時期的訓練包括戰(zhàn)斗訓練、救災、維和及大型基地/設施的管理;當有戰(zhàn)事時,軍隊就會上戰(zhàn)場,參與戰(zhàn)場上的所有戰(zhàn)時活動。GPS可以為這些軍事活動提供以下服務:


          1)導航。當士兵身處陌生地方,特別是在黑夜及沒有明顯的地標供他們辨別方向時,他們就無法確定自己的位置,使其處于茫然無序的狀態(tài),這樣不僅會貽誤戰(zhàn)機,甚至會將勝利送給敵方。例如在1990年,美國首次將GPS 應用到海灣戰(zhàn)爭中就取得了極好的軍事效益。海灣戰(zhàn)爭是以美國為首的聯(lián)盟軍隊,在1990年8月2日至1991年2月28日間,對入侵科威特境內(nèi)的伊拉克軍隊和伊拉克境內(nèi)的伊拉克軍隊發(fā)動軍事進攻,在戰(zhàn)爭開始前,美國為聯(lián)盟軍配備了1000臺GPS接收機,到這次軍事行動快結(jié)束時,在聯(lián)盟軍中使用的GPS接收機達到了近9000臺,在短短7個月的時間內(nèi),GPS接收機的使用量增加了8倍,美軍第 7 騎兵師在GPS接收機的指引下,橫穿了毫無地面標識物的沙漠,千里突襲,直搗巴格達,一舉擊潰了伊拉克的6個主力師。反觀1999年印度和巴基斯坦在卡吉爾(Kargil)的沖突,由于剛剛開始時,印度巡邏隊沿著崎嶇的山路,誤入了巴基斯坦軍隊控制區(qū)并造成了印軍的嚴重傷亡,最后是在手持GPS接收機的幫助下,印軍才脫離了險地。


          2)跟蹤。在某些軍事應用場景中,需要連續(xù)跟蹤一些可疑目標,當掌握了較為可靠的信息后,才能夠宣布這些目標為敵對目標并用各種武器對其加以摧毀。在摧毀這些敵對目標前,需要依據(jù)這些跟蹤數(shù)據(jù)生成作戰(zhàn)數(shù)據(jù),并將其輸入到導彈和智能炸彈等現(xiàn)代武器系統(tǒng)中。例如美國陸軍開發(fā)的GPS全真數(shù)據(jù)采集、存儲及顯示系統(tǒng)(GPS truth data acquisition, recording,and display system, TDARDS),就是一種緊湊、輕便、低成本、易于攜帶的GPS移動跟蹤系統(tǒng)。TDARDS使用最新的GPS數(shù)據(jù)、無線電數(shù)據(jù)鏈路和計算機技術,為使用者提供10個跟蹤目標精確的實時、時空位置信息(time-space position information, TSPI)。被跟蹤的目標可以是地面車輛、空中直升機或者固定翼飛機。TDARDS具有高度模塊化的結(jié)構(gòu),用現(xiàn)有的商用硬件構(gòu)建,而且可以輕松地修改硬件結(jié)構(gòu),以滿足對某些特殊目標的跟蹤需求。


          3)攻擊性武器的制導。例如美國通常使用的巡航導彈,就是從很遠的地方發(fā)射,去精確攻擊預定的敵方目標。在巡航導彈的飛行過程中,會使用多通道GPS接收機實時確定巡航導彈的位置,并根據(jù)實際位置與預定位置的偏差對其飛行路徑進行修正,以達到準確攻擊敵方目標的目的。美國運載多管發(fā)射火箭系統(tǒng)(multiple launched rocket system, MLRS)的車輛,也是使用GPS及慣性組合定位的方式,來實現(xiàn)MLRS運載車的定位,這樣可以在很短的時間內(nèi)設定MLRS的打擊參數(shù),完成對敵對目標的攻擊。美國陸軍為了提高炸彈的命中精度,還基于差分GPS(differential GPS, DGPS),提出了制導能力增強(exploitation of DGPS forguidance enhancement, EDGE)計劃。美國陸軍已經(jīng)將EDGE計劃應用到了某種重型炸彈的制導上,取得了理想的效果:使用4個距落點 2000 km外的DGPS站對炸彈進行制導,在距落點20 km外發(fā)射這種型號的炸彈時,炸彈也能夠精確地命中目標。


          4)救援。救援和應急響應也是軍隊的一個重要職能,當發(fā)生緊急情況時,救援人員必須首先確定傷亡人員的位置,這樣才能夠縮短救援時間。例如,美國空軍利用GPS技術,開發(fā)了戰(zhàn)場幸存者定位器(combat survivor evader locator, CSEL)系統(tǒng)。CSEL系統(tǒng)將GPS接收器與無線電通信集成在一起,搜索和救援團隊可以比以前更快、更準確地找到遇難人員。


          5)地圖更新。即使在信息化高度發(fā)達的今天,美國國防部仍然需要根據(jù)作戰(zhàn)任務的需要,繪制不同比例尺的軍事地圖,為了保證這些軍事地圖的精確性及現(xiàn)勢性,必須采取遙感和地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)技術來繪制可用的地形圖,這樣就需要首先利用安置在遙感衛(wèi)星上的GPS接收機,確定遙感衛(wèi)星的位置后,才能夠獲取地面目標的空間位置。


          GPS在軍隊的成功應用,同樣的技術也可以民用,例如利用DGPS、實時動態(tài)差分定位(real-timekinematic positioning, RTK)等技術,可以引導飛機進場著陸、汽車的自動駕駛、精細農(nóng)業(yè)等,GPS的時間傳遞技術,可以解決電力系統(tǒng)及金融服務等的時間統(tǒng)一同步問題。


          02


          GPS帶來的經(jīng)濟效益[22-23]

          2019年6月,美國美國國家標準與技術研究院(National Instituteof Standards and Technology, NIST)發(fā)布了《全球定位系統(tǒng)的經(jīng)濟效益(Economic benefits of the global positioning system (GPS))》。據(jù)NIST估計,僅在美國,自1980年代GPS開始民用和商用以來,GPS產(chǎn)生了約1.4萬億美元的經(jīng)濟效益,特別是近十年來,GPS創(chuàng)造的經(jīng)濟效益更是特別顯著,占到了美國國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product, GDP)的0.4%,成為美國的重要高科技產(chǎn)業(yè)。?


          03


          GPS帶來的風險

          從戰(zhàn)時的武器制導、駕駛員的行車導航,再到跨國公司協(xié)調(diào)復雜的物流網(wǎng)絡,每天都有數(shù)以億計的用戶依靠GPS進行導航和定位。GPS的精確定時功能,也為金融、電力和電信等行業(yè)提供了時間同步的基準。甚至“GPS”一詞,也偏離“全球定位系統(tǒng)”的本意,成了表示“某人在特定時間點出現(xiàn)在特定位置”這樣的流行語[22]。用戶過度依賴GPS,必然會給GPS用戶帶來潛在風險。


          早在2012年,美國國土安全部(U.S. Department of Homeland Security, DHS)就向美國國會提交了《國家風險評估:全球定位系統(tǒng)中斷給美國關鍵基礎設施帶來的風險(National Risk Estimate:risks toU.S.Critical infrastructure from global positioning system disruptions)》[24],該報告列舉了GPS服務中斷或者GPS信號受到干擾后,對美國通信及運輸?shù)?6個關鍵基礎設施行業(yè)帶來的影響,GPS作為“一種看不見的工具”,其結(jié)果是,各個關鍵基礎設施領域的管理者,“大大低估了”本行業(yè)主要用戶對GPS的依賴程度。因此,DHS要求各行業(yè)需對本行業(yè)提出GPS風險評估報告,制定相應的應對措施,以減輕GPS潛在危險對本行業(yè)可能造成的影響。


          5
          GPS的現(xiàn)代化


          01


          ?星載計時器的現(xiàn)代化

          文獻[25]論述了GPS的定位原理,如圖5所示。GPS衛(wèi)星與用戶接收機之間的測距公式[25]為

          ?

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          式中:c為信號傳播速度即光速,其值為3×108 m/s;T2和T1分別為導航信號被接收的時刻和導航信號播發(fā)的時刻。


          微分式(2)并按照方差協(xié)方差傳播定律,在假定導航信號接收時刻和導航信號播發(fā)時刻的測時精度相等的情況下,可得導航衛(wèi)星到用戶接收機距離的精度為?


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          1976年6月18日,NASA在其發(fā)射的重力探測(gravity probe, GP-A)衛(wèi)星上,首次搭載了氫原子鐘[29],但美國一直沒有在GPS導航衛(wèi)星使用氫原子鐘,歐洲航天局(EuropeanSpace Agency, ESA)在2011年10月21日發(fā)射的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system, Galileo)導航衛(wèi)星IOV-1上,率先使用了氫原子鐘[30],氫原子鐘的相對精度能夠到達。


          02


          空間部分的現(xiàn)代化

          文獻[31]給出了美國已經(jīng)發(fā)射及即將發(fā)射的GPS導航衛(wèi)星型號,如圖6所示。


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          ?

          有關GPS II型衛(wèi)星,國內(nèi)已有文獻對其性能進行過詳細介紹,這里不再重復。GPS III型衛(wèi)星,是美國研發(fā)的新型GPS導航衛(wèi)星,在2018年12月23日、美國東部時間上午8時51分,美國空間探索技術公司(Space ExplorationTechnologies Corp.,SpaceX)用“獵鷹9 號(Falcon 9)”運載火箭,將首顆GPS III衛(wèi)星從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空,GPS III衛(wèi)星具有以下特點[31-32]:


          • 具有4個民用信號。除發(fā)送GPS Block IIF衛(wèi)星所有導航信號外,增加了第4個民用信號L1C,GPS Block IIF具有GPS L1頻率上的C/A碼信號、L1/L2頻率上的P(Y)碼信號、L1頻率上的民用信號L2C、L1/L2頻率上的軍用M碼、L5頻率上的民用信號。

          • 進一步增強導航信號可靠性、準確性和完整性,定位精度是GPS II衛(wèi)星的3倍。

          • 進一步提高了抗干擾能力,抗干擾能力是GPS II衛(wèi)星的8倍。

          • 衛(wèi)星在軌壽命延長至15年。


          美國計劃發(fā)射10顆GPS III衛(wèi)星,編號為SV01至SV10,從SV11號開始,GPSIII衛(wèi)星升級為GPS IIIF衛(wèi)星,美國計劃在2026—2034年間,共發(fā)射22顆GPSIIIF衛(wèi)星,GPS IIIF衛(wèi)星除具有GPS III衛(wèi)星的功能外,還會增加以下功能:


          • 建立統(tǒng)一的S波段遙測、跟蹤及指令體制;

          • 搭載有效搜救載荷;

          • 搭載激光后向反射器陣列,用于精確測定衛(wèi)星的軌道;

          • 搭載重新設計的核爆探測系統(tǒng)(nucleardetonation detection system, NDS);

          • 提高區(qū)域軍事保護(regional militaryprotection, RMP)能力,即導航衛(wèi)星在飛越預期會受影響的區(qū)域(areaof intended effect, AOIE)時,導航衛(wèi)星能夠產(chǎn)生比覆蓋其他區(qū)域高得多的軍用導航信號,圖7為提高RMP能力示意圖[33]。


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          時任美國空軍部長的希瑟·威爾遜(Heather Wilson)在2018年夏天指出,為美國導彈提供定位、導航、授時(positioning, navigation and time, PNT)的GPS,猶如是在錘子發(fā)明之前建造的一個共全世界使用的玻璃屋,在緊急情況下,GPS可能會受到敵方的干擾,而使軍隊的作戰(zhàn)系統(tǒng)陷入癱瘓[34]。


          為了確保美國衛(wèi)星導航技術處于領先地位,而且在戰(zhàn)時不受對方的干擾,美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL)開始研發(fā)導航技術衛(wèi)星3號(navigationtechnology satellite 3, NTS-3),NTS-3預計在2022年底之前發(fā)射入軌[35]。


          在NTS-3上,美國將采用很多新技術,包括:


          • 搭載在軌可重編程的PNT載荷;

          • 搭載能夠覆蓋全球和區(qū)域范圍的電子掃描天線陣列;

          • 進一步提高導航信號安全性和抗干擾的能力;

          • 搭載具有多種授時來源的守時系統(tǒng),這樣可以提高守時系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高異常狀況的檢測能力和減小授時誤差[36]。


          2030年以后,美國將發(fā)射第四代GPS衛(wèi)星GEN IV,目前還沒有資料公布GEN IV衛(wèi)星的性能。


          03


          控制部分的現(xiàn)代化

          GPS最初的控制部分(亦稱為地面系統(tǒng))僅能夠完成GPS星座的維持、控制命令的發(fā)送及衛(wèi)星導航信號的監(jiān)視等任務,在運行了22年后,2007年9月13日,美國空軍航天司令部用體系結(jié)構(gòu)演化計劃(architecture evolution plan,AEP)系統(tǒng),首次向GPS衛(wèi)星注入了導航及授時數(shù)據(jù)[37],AEP系統(tǒng)的特點為:


          • 采用分布式架構(gòu);

          • 增強了信號的強度及監(jiān)視信號的覆蓋范圍;

          • 增加了信號的安全性;

          • 提高了信號的精度;

          • 具有發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星軌道、異常處理及替換操作(launch, anomaly and disposal operations, LADO)的能力[38]。


          到2018年11月16日,AEP已經(jīng)更新至AEP 7.5版,AEP 7.5版以下的版本,是為GPS IIF以下衛(wèi)星型號服務的,AEP 8.0則是用來控制GPS III衛(wèi)星的[39]。在更新AEP系統(tǒng)的同時,美國在2005年2月18日宣布,要開發(fā)GPS下一代運行控制系統(tǒng)(next generationoperational control system,OCX),OCX能夠完成以下工作[40]:


          • 控制所有現(xiàn)代化的民用信號(L1C、L2C和L5),控制現(xiàn)代化的軍事信號(M碼信號),發(fā)射和操作GPS III衛(wèi)星,促進未來GPS架構(gòu)的發(fā)展;

          • 能夠預防及檢測到遭受敵方攻擊的情況,在遭受到網(wǎng)絡攻擊時,能夠隔離、遏制攻擊信號,并使己方信號能夠正常發(fā)射;

          • 主控站和備用主控站與星座管理功能結(jié)合,通過命令與控制,任務計劃,導航和數(shù)據(jù)分析與發(fā)布功能,為每一個移動端用戶提供完善的服務;

          • 對監(jiān)測站和地面天線之間、支持控制系統(tǒng)與航天器之間的數(shù)據(jù)鏈路和信號實施遠程監(jiān)控;

          • 開發(fā)GPS仿真裝置,用于開發(fā)、維護和測試主控站(master control station, MCS)軟件和遠程地面設施;

          • 開發(fā)標準太空教練機,為GPS操作員提供專用的培訓系統(tǒng)服務。


          OCX將其功能集成到“模塊(Block)”中,并與GPS III及相應的軍事裝備的功能保持一致。Block分為3個階段[41]:


          • OCXBlock 0。Block 0是發(fā)射和控制系統(tǒng)(launch and control system, LCS),用于控制、在軌檢驗早期發(fā)射的所有GPS III衛(wèi)星,這些GPS III衛(wèi)星為低軌(lowEarth orbit, LEO)衛(wèi)星,OCX Block 0為OCXBlock 1的試驗產(chǎn)品,其目的是為Block 1的硬件、軟件和網(wǎng)絡安全提供實驗基礎數(shù)據(jù)。


          • OCXBlock 1。Block 1可以控制GPS所有型號衛(wèi)星的民用信號(L1 C/A)、軍用信號L1 P(Y)及L2 P(Y)、GPS III衛(wèi)星、現(xiàn)代化的民用信號(L2 C)、航空飛行安全信號(L5)、現(xiàn)代化的軍事信號L1 M及L2 M、兼容其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的L1 C信號。Block 1還完全符合信息保證/網(wǎng)絡防御的要求。


          • OCXBlock 2。Block 2具有與Block 1相同的功能,但增加了與現(xiàn)代化信號廣播和授時同步的功能。Block 2與Block 1將同時交付給用戶。


          04


          用戶端的現(xiàn)代化

          用戶端的現(xiàn)代化圍繞以下幾個方面進行:

          • 進一步減小接收機的尺寸、減輕重量、降低能耗;

          • 提高接收機的安全性;

          • 提高接收機及天線的抗干擾能力;

          • 能夠更加快捷地分發(fā)加密密鑰;

          • 提高接收機的測量精度;

          • 研發(fā)GPS接收機通用模塊;

          • 提高軍用碼的訪問權限;

          • 提高導航信號的可用性;

          • 增加防篡改防欺騙能力;

          • 增加在干擾環(huán)境情況下,獲取正確導航信號的能力。


          6
          結(jié)束語


          穩(wěn)健的導航定位授時系統(tǒng),已經(jīng)成為一個國家的重要基礎設施,作為世界上第一個建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)并一直處于技術領先的美國,有許多成功的經(jīng)驗值得我們學習和借鑒。


          我國于2020年7月31日建成了北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3),已經(jīng)向全世界提供了衛(wèi)星導航定位服務,成為我國走向世界的一張國家名片,需要借鑒國外的先進經(jīng)驗,持續(xù)增加BDS-3衛(wèi)星上的有效新載荷,增強BDS-3衛(wèi)星的抗干擾能力,以滿足世界各國對衛(wèi)星定位的新要求。


          文章作者:楊子輝,薛彬文章來源:測繪學術資訊,原文標題《美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及趨勢?|楊子輝,薛彬》

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