高邊疆之謀⑩|美持續升級GPS系統,為導航授時戰做準備

2021-01-13 澎湃新聞

美國科羅拉多州施裡弗空軍基地,隸屬美國空軍第50航天聯隊的第2航天作戰中隊操縱維護著目前世界上最大的軍用衛星星座——全球導航系統(GPS)星座。

衛星導航定位系統對現代社會發揮著越來越重要的作用,不僅僅提供位置信息,還為很多系統提供精確授時,無論是軍事行動,還是社會生產行動,越來越離不開它。它的錯誤信號,可能導致某一地區的金融交易失敗、手機通信網絡癱瘓、民航客機偏離航線,或者是衛星制飛彈藥被投到友軍的頭上。

隨著美國組建「天軍」被提上議事日程,GPS系統未來可能將劃歸美國的「天軍」所屬。這引發了外界的擔心,即以爭奪制天權為主要目標的「天軍」會不會操縱GPS系統,展開廣泛的導航戰和授時戰?

為導航而生的GPS

第一顆人造衛星升空後不久,美俄就開始致力於導航衛星的研製,相繼發展了各自的系統,例如美國的「子午儀」衛星系統。但是這些系統都有其局限性,無法實現連續的三維定位導航。真正讓衛星導航定位系統大放異彩的,則是GPS系統。

在1973年的勞動節期間,五角大樓約20名軍官的一次會議,最終決定了新一代衛星導航系統的命運。這次會議討論了如何創建「國防導航衛星系統」(DNSS)的問題。當年晚些時候,DNSS計劃被命名為Navstar(導航星)——利用計時和測距的導航系統的英文縮寫。這也大致闡述了這一導航系統的基本原理: 通過測量衛星信號從發出到抵達用戶的時間差,算出用戶與已知空間位置的衛星的距離,再通過一組方程組算出用戶的位置。由於個別衛星與名稱Navstar相似,後來一個更全面的名稱被用來識別這一星座——導航星-全球定位系統(Navstar- GPS)。

美國早期研製的「子午儀」導航衛星。

實際上,技術上的探索在一年前就有了成果。1972年,美國空軍中央慣性制導試驗基地(霍洛曼空軍基地)利用地基偽衛星技術,在白沙飛彈靶場進行了4個GPS原型接收機的飛行試驗。隨著技術的不斷突破,短短5年之後,第一個試驗型Block I 全球定位系統衛星於1978年發射。1983年,在蘇聯截擊機擊落因迷航而誤入飛行禁區的韓國007航班後,美國總統隆納·雷根宣布,GPS系統完成部署後將供民用。1978年至1985年期間,美國發射了10枚Block I原型衛星,來驗證這個概念。1988年開始,這些衛星的控制交由科羅拉多州科羅拉多斯普林斯的費爾康空軍基地的第二衛星控制中隊負責。

1989年2月14日,第一顆實用型的Block II衛星發射升空。1991年的海灣戰爭中,軍方首次廣泛使用全球定位系統。當年,微型GPS接收器完成研製,1.25公斤手持式接收器取代了以前的16公斤軍用接收器。1992年,原管理該系統的第二航天聯隊停止職能,被第50航天聯隊取而代之。

到1993年12月,全球定位系統實現了初始作戰能力(IOC),這意味著有完整的星座(24顆衛星)可供使用,並提供標準定位服務(SPS)。此時GPS計劃的成本(包括衛星發射的成本,但不算用戶設備的成本)估計約為50億美元(當年幣值)。1995年4月,美國空軍航天司令部宣布GPS系統實現全面作戰能力(FOC),標誌著軍方的「精確定位服務」(PPS)全面投入使用。

根據最初的設計,GPS星座共有24顆衛星,後來增加了一些備份衛星。

最初,最高質量的信號僅用於軍事用途,根據「選擇可用性」政策(SA)民用的信號任務增大誤差,降低了精度。 2000年5月1日,美國總統柯林頓籤署了一項政策,取消「選擇可用性」政策,以便為民用接收機提供與軍方同樣的準確性。因為當時差分GPS服務的普及增加了民用精確度,也消除了美國的軍事優勢。此外,美國軍方當時正在積極開發技術,以便拒絕向潛在對手區域提供GPS服務。

2004年11月,高通宣布成功測試用於手機的GPS晶片。2005年,第一顆升級後的GPS衛星發射並開始傳輸第二個民用信號(L2C),以提高用戶的性能。上述舉措為GPS在民間的廣泛應用奠定了基礎。

1991年的海灣戰爭中,軍方首次廣泛使用全球定位系統。

不斷擴展的星座

自部署以來,美國已對GPS服務實施了多次升級改進,包括增加民用新信號,並提高了準確性,同時保持與現有GPS設備的兼容性。截至2015年初,儘管諸如接收機質量和大氣問題等許多因素都會影響精度,但提供高質量的航空級標準定位服務(SPS)的GPS接收機的水平精度已經優於3.5米,在部分區域甚至可以達到1米以內的精度。

這主要源於GPS系統的空間部分。GPS空間部分由向用戶傳輸無線電信號的一組衛星組成。根據最初的設計,GPS星座共有24顆衛星,分布在距離地面20200公裡的中軌道(MEO)6個軌道平面上,每個平面分布4個衛星。每顆衛星每天繞地球兩次,這個24個位置的布置可以確保用戶幾乎可以從地球上任何一點觀看至少4顆衛星。這是一部GPS定位終端能夠有效計算出自身位置的最少衛星數量,因為需要解算一個包含終端時鐘誤差、自身位置三維空間坐標總共4個未知數的方程組。

美國方面的承諾是,GPS系統在95%的時間內保持至少24顆在軌衛星可供使用。為確保這一承諾,空軍在過去幾年中一直確保超出24顆衛星(通常31顆)在軌正常運行,以便在基準衛星服務中段或退役時維持覆蓋範圍,並改善精度。

正在批量製造的GPS衛星。

2011年6月,美國空軍成功完成了被稱為「可擴展24」配置的GPS星座擴展。當時執行這一操作的就是第50航天聯隊第二航天行動中隊。這次擴展中,6顆衛星被重新定位,以便讓3顆衛星稱為基本星座的一部分。因此,GPS現在可以看成一個27星星座,使得在世界大部分地區的覆蓋範圍得到改善,頁便於在更複雜的地形條件下接收衛星信號。這被認為是GPS系統42年的歷史中最佳幾何結構。而歐洲正在建設的「伽利略」系統以及中國「北鬥三」號的無源星座,同樣是27顆衛星。

截至2018年5月12日,如果不包括退役的仍然在軌備用衛星,GPS星座共有31顆衛星在軌,包括1顆Block IIA、11顆Block IIR、7顆Block IIR-M衛星和12顆Block IIF。額外的衛星可以提高GPS性能,使得在地球大部分區域,可以同時收到8顆GPS衛星的信號,但超出的衛星並不屬於核心星座。

按照計劃,美國空軍今年將發射新一代的GPS Block III衛星,其壽命提高到15年,相比之下,Block IIF的壽命為12年,而之前的Block IIA、Block IIR、Block IIR-M衛星設計壽命只有7.5年,當然它們不少都超出了設計壽命。

此外,GPS Block III衛星精度比之前的型號提高了3倍,而抗幹擾能力提高了8倍。

GPS Block III衛星將首次廣播新型民用信號L1C。L1C信號將使得GPS與國際全球衛星導航系統(GNSS,例如歐洲的「伽利略」系統)實現互操作。根據最初的設想,GPS III衛星還將安裝核爆探測裝置,但是目前的衛星尚未安裝。洛克希德·馬丁公司將在其位於科羅拉多州丹佛附近的衛星工廠生產10顆GPS Block III衛星。

新一代的GPS Block III衛星在微波暗室接受測試。

發動導航授時戰?

如今,GPS系統不僅僅是一套導航、定位、授時系統,還是一套制導系統。美軍幾乎所有的制導武器,都依靠GPS提供制導信息。而其「傑達姆」衛星制導炸彈也成為最廉價、應用量最多的制導武器。

可以說,誰奪取了導航授時領域的優勢,誰就佔領了戰場制高點。

而美軍早就意識到了導航、授時的重要地位。1997年,美軍在英國召開的GPS應用研討會上正式提出了「導航戰」的概念:在複雜電子環境中,確保己方和友方能夠有效利用衛星導航信息,阻止敵方使用衛星導航信息,同時不影響戰區外和平利用衛星導航信息。而授時的用途,甚至要比導航定位更為廣泛。首先,所有的GPS定位都是以授時為前提的,定位的過程實際上是授時的過程。此外,各種軍事行動以及民間的電力、通信、交通、測繪等都離不開授時。因此,最近美國還提出了與導航戰對應授時戰的概念。美國在發展GPS Block III時,就提出該系統將提供新的導航戰功能,在向美國和盟軍提供GPS的同時,將關閉有限的地理位置的GPS服務。

美國洛·馬公司關於GPS衛星性能特色的介紹,包括Block IIR、Block IIR-M和Block III三種衛星。

這也引發人們對美國操縱GPS系統的擔憂。實際上,這種擔憂由來已久。之前國內關於美國關閉 「銀河」號貨輪的GPS系統,切斷中國東南沿海的GPS信號的傳言流傳甚廣。從當時的技術來看,切斷、關閉某一個平臺或區域的GPS系統,而不影響到相鄰區域的平臺很難做到,更大的可能是進行了幹擾。今年的在美國空襲敘利亞期間,敘利亞首都大馬士革附近的GPS信號出現異常,開始有分析認為是美國關閉了GPS信號,但後來發現頻率相近的中國「北鬥」定位系統也難以捕捉信號,這就進一步確認並非美國「關閉GPS信號」,而是因為俄羅斯實施了GPS幹擾,以保護自身目標免遭美國的GPS制導武器的打擊。

現在來看,首先開始導航戰的可能並不是美國人。伊朗2011年依靠GPS欺騙和幹擾迫降了美國的RQ-170隱身無人機。儘管在當時這引發了廣泛的質疑,但是如今用GPS幹擾和欺騙對付無人機已經成為一種主流方式。一個羽毛球拍或者步槍大小的裝置,就能驅離或者迫降民用無人機。

隨著GPS III系統的民用信號和軍用信號的分開,美國操縱GPS系統在未來將逐漸變得在技術上越來越可行。正因為如此,中、俄、歐洲都在競相發展獨立的衛星導航定位系統。結果是人們暫時還不用擔心那一天自己的手機找不到衛星導航信號,這並不是美國人的「信用好」,而是競爭的結果。伴隨中國「北鬥」、俄羅斯「格洛納斯」、歐洲「伽利略」系統的崛起,GPS的民用信號已經失去壟斷地位,激烈的競爭促使美國不得不在對GPS信號動手腳之前,三思而後行。

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