GPS系统面临的挑战 国际竞争越来越激烈从上世纪末开始，除俄罗斯提出全面恢复GLONASS系统外，包括美国盟友在内的众多国家和组织都开始启动与GPS类似的卫星导航系统发展计划，全面打破了美国GPS在全球导航领域的垄断，并在基础构型和某些技术上超越了美国的GPS。为保持GPS的先进性，美国在1999年1月推出了GPS现代化计划。首先，美国主动取消SA政策（已在2000年5月1日零点开始执行），使民用实时定位和导航精度提高3～5倍；其次，增加了第二民用码，即C/A码，这样用户就可以有更好的冗余观测，提高定位精度，改善电离层误差；第三，增加民用频率，并将军民信号分开，避免相互影响。2004年4月，美提出全面改进现有GPS系统。 干扰技术发展迅猛随着美国GPS技术在武器系统中的广泛应用，许多国家都开发了形式多样的GPS对抗技术，对现有GPS系统构成了严重威胁。由于GPS卫星离地表高度较高，卫星信号到达地面时较弱，信噪比较低，且以固定频率发射，极易受到敌方的干扰、利用或破坏。2001年，美国空间委员会和运输部在相关报告中警告说，全世界军事上日益依赖GPS，已促使许多国家研制干扰它的设备，而且不费吹灰之力。功率仅为1瓦的机载干扰机就可阻碍85千米远的GPS接收机锁定GPS信号。低功率干扰机的成本不足1000美元，功率1000瓦、可装入轻型车辆的干扰机，其成本约为10万美元。报告指出，国外正在研制兆瓦级的干扰机，它可在更大的范围内阻碍GPS的使用。弗吉尼亚州列克星敦研究所专家称，制造GPS干扰机不需要太多的钱或专门的技术，半工业化国家几乎都能够制造，只要在特定频率下大量输出噪声就行了。 美国人的预言很快在2003年被验证了，他在伊拉克的军事打击行动受到了伊拉克军队的GPS干扰机的干扰。2011年3月，驻韩美军一架参加韩美联合军事演习的RC—7B型侦察机遭到来自朝鲜海州和开城、间隔5分钟至10分钟的干扰信号，机载GPS发生故障，大约45分钟后紧急着陆。同时，韩国海军多艘海岸巡逻艇和快艇的GPS也受到朝方信号干扰。美韩军队宣称发现朝鲜在朝鲜半岛陆上军事分界线附近部署了车载GPS干扰器，它们多年前购自俄罗斯，有效作用距离为50千米至100千米。据信朝鲜正自主研发有效距离超过100千米的干扰器。同年12月，由于GPS系统被欺骗和干扰，美军1架最先进的无人侦察机RQ—170在伊朗被“击落”俘获。可见，现有GPS的缺陷已经严重危害到美军事安全。 系统设计存在局限目前GPS的总体技术框架是上世纪70年代确定的，其系统设计存在严重局限。新发射的卫星必须与它们最终要替代的卫星轨道接近，导致GPS卫星在轨道上十分接近，汇聚成团，造成GPS信号在山区或城市楼群间不佳，为此，美国阿富汗战区司令部在2010年1月要求美空军（操作GPS卫星）改进GPS阿富汗覆盖范围的备选方案，解决阿富汗山区地形阻挡GPS卫星信号的问题。加之当前GPS卫星轨道面设计和星座构成问题，GPS信号在南北两极和一些特殊地区的效果不是太好。此外，由于缺乏星间链路，对在轨卫星的轨道和姿态调整，必须等到该星过顶时才能进行，而且只能一颗一颗进行，费时费力，效率低、反应慢。 系统维护难度大现役主体卫星都会有寿终正寝问题，得采用更先进的卫星进行补网。但GPS卫星轨道特殊且精确，需要的卫星数量庞大，必须不断发射和实施不间断的轨道控制，系统维护难度大。特别是早期GPS卫星质量大，设计寿命短，加大了网络维护运行的困难。例如，早期的GPS2A设计寿命是7年半，后来发射的GPS2R和GPS2M的设计寿命是10年，目前有些卫星已经超期服役，甚至有的已达10多年，这使系统精度和可靠性难以得到保证，加之现有卫星的质量大多在2吨左右，卫星发射必须使用类似“德尔塔”系列大推力运载火箭，补网发射成本较高。 美国GPS系统在轨服务现状 鉴于上述问题，美国陆续对现有GPS系统进行改进和完善，其基本思路是确保军事使用的优先权及其在卫星导航领域中的核心地位，又决不放弃任何从巨大民用市场中获得经济和政治利益的可能性。在美国的不断改进中形成了三代GPS卫星。第一代即GPSI，从1978年到1985年完成发射，共成功发射11颗，1颗失败。该星属于双频率L1和L2基本型，目前这一代卫星已经全部退役。第三代GPS卫星研制多年，但尚未开始发射，因此目前在轨服务的全部是第二代GPS卫星。 第二代即GPS2，分为4个系列：GPS 2、GPS2A、GPS2R（GPS2R—M）和GPS2F，后面的大写字母，A表示“新型”，R表示“替补”，M表示“现代化”，F则表示“后续”。 其中GPS2原型从1989年到1990年共成功发射9颗，目前已全部退役。GPS2A从1990年到1997年共发射19颗，目前在轨10颗。GPS2R从1997年到2004年共发射13颗，其中l颗失败，目前在轨12颗：GPS2RM从2005年到2009年共发射8颗，7颗正常服务；GPS2F从2010年开始发射，计划发射10颗，目前只发射了两颗并投入服务。 总的来看，目前在轨并正常服务的GPS卫星有31颗。按照美国计划，到2020年以后，星座全部换为GPS2F卫星，再用20年左右的时间，用GPS3完全取代GPS2卫星，因此在未来十余年中，在轨服务的主要是GPS2F卫星。 GPS系统的技术改进 GPS2F卫星属于GPS2A和GPS2R的后续卫星系列，其技术代表了第二代卫星的最新发展。该星由波音公司研制，主要技术特点如下。 提高导航定位精确度GPS2F系列卫星利用先进原子钟技术，提高了GPS的核心服务——授时服务的精度。这些时钟具有铷铯合成的频率标准，可将时间误差控制在一天8纳秒以内。GPS2F—1的在轨测试已展现出出众的性能，在一些方面是星座中最好的。随着在轨调节的继续，其性能还会提升。 加强军用信号抗干扰能力美国从GPS2RM和GPS2F卫星开始采用M码发送信号，一种新的加密军用信号，加载在L1和L2载波上，具有发射功率高、抗干扰能力强和保密性能好等特点。增加M码后使军民信号彻底分开，实现了无需民用信号引导就可直接访问M码信号的能力。这种新的频谱分离信号的好处是：保护友方使用；阻止敌方使用，保持选定操作区域（Areas of Operation）以外的民用信号继续使用。就军民两种应用而言，系统都会在精确性、有效性、完整性和可靠性方面有极大提高，增强了GPS的抗干扰能力，提高了系统的精度和安全性。此外，GPS2F还具有可变功率能力，使运行者通过提高信号功率来破坏干扰企图。
GPS系统面临的挑战 国际竞争越来越激烈从上世纪末开始，除俄罗斯提出全面恢复GLONASS系统外，包括美国盟友在内的众多国家和组织都开始启动与GPS类似的卫星导航系统发展计划，全面打破了美国GPS在全球导航领域的垄断，并在基础构型和某些技术上超越了美国的GPS。为保持GPS的先进性，美国在1999年1月推出了GPS现代化计划。首先，美国主动取消SA政策（已在2000年5月1日零点开始执行），使民用实时定位和导航精度提高3～5倍；其次，增加了第二民用码，即C/A码，这样用户就可以有更好的冗余观测，提高定位精度，改善电离层误差；第三，增加民用频率，并将军民信号分开，避免相互影响。2004年4月，美提出全面改进现有GPS系统。 干扰技术发展迅猛随着美国GPS技术在武器系统中的广泛应用，许多国家都开发了形式多样的GPS对抗技术，对现有GPS系统构成了严重威胁。由于GPS卫星离地表高度较高，卫星信号到达地面时较弱，信噪比较低，且以固定频率发射，极易受到敌方的干扰、利用或破坏。2001年，美国空间委员会和运输部在相关报告中警告说，全世界军事上日益依赖GPS，已促使许多国家研制干扰它的设备，而且不费吹灰之力。功率仅为1瓦的机载干扰机就可阻碍85千米远的GPS接收机锁定GPS信号。低功率干扰机的成本不足1000美元，功率1000瓦、可装入轻型车辆的干扰机，其成本约为10万美元。报告指出，国外正在研制兆瓦级的干扰机，它可在更大的范围内阻碍GPS的使用。弗吉尼亚州列克星敦研究所专家称，制造GPS干扰机不需要太多的钱或专门的技术，半工业化国家几乎都能够制造，只要在特定频率下大量输出噪声就行了。 美国人的预言很快在2003年被验证了，他在伊拉克的军事打击行动受到了伊拉克军队的GPS干扰机的干扰。2011年3月，驻韩美军一架参加韩美联合军事演习的RC—7B型侦察机遭到来自朝鲜海州和开城、间隔5分钟至10分钟的干扰信号，机载GPS发生故障，大约45分钟后紧急着陆。同时，韩国海军多艘海岸巡逻艇和快艇的GPS也受到朝方信号干扰。美韩军队宣称发现朝鲜在朝鲜半岛陆上军事分界线附近部署了车载GPS干扰器，它们多年前购自俄罗斯，有效作用距离为50千米至100千米。据信朝鲜正自主研发有效距离超过100千米的干扰器。同年12月，由于GPS系统被欺骗和干扰，美军1架最先进的无人侦察机RQ—170在伊朗被“击落”俘获。可见，现有GPS的缺陷已经严重危害到美军事安全。 系统设计存在局限目前GPS的总体技术框架是上世纪70年代确定的，其系统设计存在严重局限。新发射的卫星必须与它们最终要替代的卫星轨道接近，导致GPS卫星在轨道上十分接近，汇聚成团，造成GPS信号在山区或城市楼群间不佳，为此，美国阿富汗战区司令部在2010年1月要求美空军（操作GPS卫星）改进GPS阿富汗覆盖范围的备选方案，解决阿富汗山区地形阻挡GPS卫星信号的问题。加之当前GPS卫星轨道面设计和星座构成问题，GPS信号在南北两极和一些特殊地区的效果不是太好。此外，由于缺乏星间链路，对在轨卫星的轨道和姿态调整，必须等到该星过顶时才能进行，而且只能一颗一颗进行，费时费力，效率低、反应慢。 系统维护难度大现役主体卫星都会有寿终正寝问题，得采用更先进的卫星进行补网。但GPS卫星轨道特殊且精确，需要的卫星数量庞大，必须不断发射和实施不间断的轨道控制，系统维护难度大。特别是早期GPS卫星质量大，设计寿命短，加大了网络维护运行的困难。例如，早期的GPS2A设计寿命是7年半，后来发射的GPS2R和GPS2M的设计寿命是10年，目前有些卫星已经超期服役，甚至有的已达10多年，这使系统精度和可靠性难以得到保证，加之现有卫星的质量大多在2吨左右，卫星发射必须使用类似“德尔塔”系列大推力运载火箭，补网发射成本较高。 美国GPS系统在轨服务现状 鉴于上述问题，美国陆续对现有GPS系统进行改进和完善，其基本思路是确保军事使用的优先权及其在卫星导航领域中的核心地位，又决不放弃任何从巨大民用市场中获得经济和政治利益的可能性。在美国的不断改进中形成了三代GPS卫星。第一代即GPSI，从1978年到1985年完成发射，共成功发射11颗，1颗失败。该星属于双频率L1和L2基本型，目前这一代卫星已经全部退役。第三代GPS卫星研制多年，但尚未开始发射，因此目前在轨服务的全部是第二代GPS卫星。 第二代即GPS2，分为4个系列：GPS 2、GPS2A、GPS2R（GPS2R—M）和GPS2F，后面的大写字母，A表示“新型”，R表示“替补”，M表示“现代化”，F则表示“后续”。 其中GPS2原型从1989年到1990年共成功发射9颗，目前已全部退役。GPS2A从1990年到1997年共发射19颗，目前在轨10颗。GPS2R从1997年到2004年共发射13颗，其中l颗失败，目前在轨12颗：GPS2RM从2005年到2009年共发射8颗，7颗正常服务；GPS2F从2010年开始发射，计划发射10颗，目前只发射了两颗并投入服务。 总的来看，目前在轨并正常服务的GPS卫星有31颗。按照美国计划，到2020年以后，星座全部换为GPS2F卫星，再用20年左右的时间，用GPS3完全取代GPS2卫星，因此在未来十余年中，在轨服务的主要是GPS2F卫星。 GPS系统的技术改进 GPS2F卫星属于GPS2A和GPS2R的后续卫星系列，其技术代表了第二代卫星的最新发展。该星由波音公司研制，主要技术特点如下。 提高导航定位精确度GPS2F系列卫星利用先进原子钟技术，提高了GPS的核心服务——授时服务的精度。这些时钟具有铷铯合成的频率标准，可将时间误差控制在一天8纳秒以内。GPS2F—1的在轨测试已展现出出众的性能，在一些方面是星座中最好的。随着在轨调节的继续，其性能还会提升。 加强军用信号抗干扰能力美国从GPS2RM和GPS2F卫星开始采用M码发送信号，一种新的加密军用信号，加载在L1和L2载波上，具有发射功率高、抗干扰能力强和保密性能好等特点。增加M码后使军民信号彻底分开，实现了无需民用信号引导就可直接访问M码信号的能力。这种新的频谱分离信号的好处是：保护友方使用；阻止敌方使用，保持选定操作区域（Areas of Operation）以外的民用信号继续使用。就军民两种应用而言，系统都会在精确性、有效性、完整性和可靠性方面有极大提高，增强了GPS的抗干扰能力，提高了系统的精度和安全性。此外，GPS2F还具有可变功率能力，使运行者通过提高信号功率来破坏干扰企图。