美军探索GPS导航拒止环境下的"替代式"导航技术

　　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。

　　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。

　　“天、地、用户”三大部分衔接而成GPS导航卫星结构体系

　　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。

　　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。

　　美军构建GPS拒止环境下的“定位、导航与授时”（PNT）能力

　　潜在对手对当前GPS能力的攻击日益复杂，部队需在GPS面临挑战的远程、高风险环境中作战，因此，“可靠PNT”对于所有军种而言都是必需能力。4月，美海军向工业界寻求创新方法，以改进未来导航套件，从而在GPS拒止环境中导航。此外，2月，美空军特种作战司令部战场空军办公室从罗克韦尔 柯林斯公司订购了远程安全接收器，以保护GPS系统免受不断增长的干扰和欺骗威胁。

　　“可靠PNT”包含四个子项目：伪卫星、下车PNT、乘车PNT和抗干扰天线。这些子项目分别处于不同的技术成熟度阶段。到目前为止，伪卫星是唯一进入技术成熟和风险降低（TMRR）阶段的项目，已授出竞争性的原型合同。伪卫星是可提供类似GPS信号的系统，这种信号可被传统军事GPS接收器使用。区域防护可通过部署伪卫星发射器来实现，支持旅级作战部队的作战区域。伪卫星子项目可使依赖PNT的系统持续作战，如蓝军跟踪系统、通信网络和精确制导弹药。