GPS的发展历史

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(NavigationSignalTimingandRanging/GlobalPositioningSystem)，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6~9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AtlasF火箭发射11颗BlockI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。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用性(SA:SelectiveAvailability)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BlockII批次，在1989到1990年间，使用DeltaII火箭发射了9颗BlockII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。1990~1991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GPS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。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BlockIIA卫星的发射，到1997年为止发射了19颗BlockIIA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BlockIIA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，1995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，改进一代，研发一代的仿真，每代间隔大约为10年。1987年早在GPSBlockII和IIA尚未发射时，GPSBlockIIR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GPSBlockIIF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GPSBlockIIR卫星的发射，尽管1月17日首颗GPSIIR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。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GPSIIR卫星进行升级，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BlockIIR-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GPSBlockIIF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。未来随着AIM-120D和AIM-9XBlockII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GPSBlockIIA卫星，12颗GPSBlockIIR卫星和7颗GPSBlockIIR-M卫星，总计30颗卫星。由于其中高达11颗卫星为BlockIIA型号，而BlockIIA设计寿命只有8年，可以说所有BlockIIA卫星现在都是超期服役，同时BlockIIR卫星设计寿命只有10年，早期发射的BlockIIR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GPSBlockIIF卫星。美国空军订购了12颗GPSBlockIIF卫星，拟于2010~2014年发射完毕，可以有效缓解BlockIIA卫星即将停止工作造成的卫星数量不足的问题。GPSBlockIIF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。BlockIIF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BlockIIF卫星在没有地面控制站支持下自主运行60~180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GPSIII卫星的合同，GPSIII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。GPSBlockIII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。BlockIII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，GPSBlockIII卫星增加了L1C民码信号，彻底实现了军码和民码的分离，为屏蔽民码大开了方便之门。从历史看，GPS的发展并没有遭遇技术上的大障碍，完全满足了军用的原始用途。而在民用上可谓一波三折，好在外国卫星导航系统的竞争和本国民用产业的发展不断打破了政府军方设置的重重障碍，终于在世界范围内得到了广泛的普及。目前来看，GPS系统在民用卫星导航系统领域的作用已经很难撼动，唯一威胁GPS民用市场的，就是美国政府和军方下意识流露出