GPS軍用接收設(shè)備發(fā)展情況

武珺 劉春保 李俊博（北京空間科技信息研究所）

海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭及敘利亞武裝沖突的實戰(zhàn)檢驗已經(jīng)證明：美國全球定位系統(tǒng)（GPS）在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭條件下對軍隊協(xié)同作戰(zhàn)、武器精準打擊等發(fā)揮著關(guān)鍵支撐作用，而隨著美軍GPS系統(tǒng)空間星座的不斷更新、地面運行系統(tǒng)對星座運控支持能力的升級,以及GPS軍事用戶設(shè)備的研發(fā)、測試、集成與部署，GPS系統(tǒng)將迸發(fā)出更強的軍事應(yīng)用潛能，其中，以GPS軍用接收設(shè)備為代表的美軍衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用裝備作為GPS系統(tǒng)用戶段的重要組成部分，其能力及影響在美軍多種“功能性戰(zhàn)斗要素”中均有涉及，是美軍信息化條件下多域作戰(zhàn)戰(zhàn)力的倍增器。

1 GPS軍用接收設(shè)備發(fā)展背景

GPS軍用接收設(shè)備是GPS軍事用戶設(shè)備（MGUE）的重要組成部分，而MGUE是GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。當前，美軍正致力于新型GPS軍事用戶設(shè)備的研發(fā)、測試、與武器平臺的集成及性能評估、部分列裝等工作。

美軍現(xiàn)代化的GPS軍事用戶設(shè)備發(fā)展規(guī)劃主要內(nèi)容為：開發(fā)新的適用于不同條件/場景的、支持M碼（M-code）的接收卡，供GPS接收器使用，并進一步集成到美國國防部（DoD）各類武器平臺/系統(tǒng)中；在此基礎(chǔ)上，在器部件小型化等方面進行改進。

M碼是一種更強健的、加密的、軍事專用GPS信號，旨在滿足軍事定位、導(dǎo)航和授時（PNT）的需要。M碼將通過使用更強大的信號幫助軍事用戶克服GPS信號干擾，并通過對信號進行加密來防止虛假的GPS信號。2005年以來，前幾代GPS衛(wèi)星已經(jīng)能夠播發(fā)M碼信號，但美國防部由于缺乏運控系統(tǒng)的支持而無法使用M碼形成戰(zhàn)力。2018年首次發(fā)射的GPS－3（全球定位系統(tǒng)第三代衛(wèi)星）衛(wèi)星[1]，能發(fā)射更強大的M碼信號。

美國天軍（USSF）于2021年6月17日發(fā)射了第5顆GPS－3衛(wèi)星[2]，未來，星座中支持M碼播發(fā)的衛(wèi)星數(shù)量將增加至24顆，達到GPS星座基線數(shù)量基本要求，這對于美軍在全球范圍內(nèi)獲取抗干擾能力更強的軍碼信號至關(guān)重要。此外，GPS系統(tǒng)地面控制段M碼的早期使用功能已于2020年11月通過軍方驗收，顯著增強了美軍對新型GPS軍事用戶設(shè)備進行測試的能力。

M碼接收機的開發(fā)已經(jīng)歷時近10年，其設(shè)計難度在于滿足不斷變化的威脅目標，設(shè)計要求靈活、安全和開放。目前，美國防部已經(jīng)選擇雷神公司（Raytheon）、BAE系統(tǒng)公司等軍工企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)面向不同應(yīng)用場景的GPS接收板卡、嵌入式新型GPS接收機，并在斯特賴克裝甲車（Stryker vehicle）、B-2轟炸機、阿利伯克級驅(qū)逐艦（Arleigh Burke class destroyer）等代表性武器平臺上開展集成測試工作。

2 美軍GPS應(yīng)用裝備發(fā)展動向

平臺級軍事用戶設(shè)備

（1）雷神公司支持M碼相關(guān)設(shè)備獲軍方認證

2019年8月，雷神公司獲得美國空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）1美軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）于2021年8月13日正式更名為太空系統(tǒng)司令部（SSC），總部位于美國加州洛杉磯空軍基地。GPS管理局頒發(fā)的新GPS模塊（M碼模塊）和接收機的安全認證，新技術(shù)將使GPS在軍事系統(tǒng)的應(yīng)用更加安全可靠。雷神公司的軍用代碼通用GPS模塊及其地面GPS接收器（GBGRAM），以及航空電子設(shè)備GPS接收器（GRAM S/M）獲得軍方認證，GB-GRAM和GRAM S/M由美國天寶導(dǎo)航有限公司（Trimble Navigation）開發(fā)，通用動力公司(General Dynamics)為其提供模塊化加密支持。2020年4月，雷神M碼接收機開始被集成到美軍多款戰(zhàn)斗機、轟炸機及其他武器系統(tǒng)中，為武器平臺提供GPS抗干擾、防欺騙功能[3]。

（2）BAE系統(tǒng)公司獲得軍方GPS M碼模塊合同

2021年5月，美國國防后勤局（DLA）授予BAE系統(tǒng)公司價值3.255億美元的先進M碼GPS模塊合同。根據(jù)合同，BAE系統(tǒng)公司將為美國國防部及其盟友提供支持先進M碼信號的、現(xiàn)代化GPS用戶設(shè)備（MGUE）第一階段的產(chǎn)品，即通用GPS模塊（CGMs），以滿足2030年之前的庫存需求。BAE系統(tǒng)公司還將基于CGMs生產(chǎn)地面和精確制導(dǎo)彈藥所需的軍用GPS接收器。

單兵級軍事用戶設(shè)備

2020年6月26日，SMC與柯林斯航空航天公司（Collins Aerospace）、雷神公司情報部以及TAG公司(Technology Advancement Group)簽訂了3份固定價格快速原型合同[4]，總金額4110萬美元，旨在開發(fā)現(xiàn)代化GPS手持設(shè)備樣機，為政府提供基于硬件和軟件開發(fā)的創(chuàng)新解決方案。

合同要求制造的現(xiàn)代化GPS手持樣機較目前美軍使用的設(shè)備體積更小、功耗更低，支持軍碼功能更加強大，并且具備抗干擾、防欺騙等功能。合同屬于GPS軍事用戶設(shè)備現(xiàn)代化第一階段的第二個目標任務(wù)，是建立在第一階段第一個目標任務(wù)，即模型和圖紙的工作基礎(chǔ)上，從5家供應(yīng)商中優(yōu)選的結(jié)果。合同同時要求供應(yīng)商與美國陸軍及海軍陸戰(zhàn)隊舉行4次樣機測試，以便用戶進行及時反饋，更好幫助產(chǎn)品改進定型，盡快過渡到可以實用化狀態(tài)。

3 新型GPS軍事用戶設(shè)備在美軍代表性平臺的應(yīng)用

當前，新型GPS軍事用戶設(shè)備在美軍重要武器平臺應(yīng)用的突出特點體現(xiàn)為：通過支持M碼增強抗干擾能力，以及通過多源融合手段提升獲取導(dǎo)航、定位、授時信息能力的彈性。

MAPS系統(tǒng)集成到陸軍斯特賴克裝甲車平臺

MAPS系統(tǒng)可通過收集和整合不同來源的PNT數(shù)據(jù)確保車輛在GPS信號受到干擾、發(fā)生服務(wù)降級、甚至拒止服務(wù)情況下仍可獲取有效PNT信息，這些來源包含授時、氣壓測量、慣性導(dǎo)航等各類傳感器。駐扎在歐洲的第二裝甲兵團（2nd Regiment）的斯特賴克裝甲車輛上，裝備了第一代MAPS系統(tǒng)。2020年10月，美國陸軍授予雷神技術(shù)公司子公司2和柯林斯航空航天公司用以完善陸軍的定位、導(dǎo)航與授時系統(tǒng)相關(guān)合同（第二代MAPS），以滿足軍隊載人車輛應(yīng)對日益復(fù)雜環(huán)境的訴求。第二代MAPS系統(tǒng)由柯林斯航空航天公司的NavHub-100型導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)字GPS抗干擾接收器-100型（Digital GPS Anti-jam Receiver-100）組成，可提供更高級別的保護，與陸軍現(xiàn)有的MAPS相比，第二代MAPS系統(tǒng)具有兩個方面的能力提升：一是支持使用M碼；二是可通過現(xiàn)代化信號跟蹤（MST）增強GPS完好性，提升系統(tǒng)的可靠性。

美陸軍斯特賴克裝甲車輛

未來，MAPS系統(tǒng)將成為自動化指揮系統(tǒng)/電子戰(zhàn)—C4ISR/EW標準模塊化開放套件的一部分，后者屬美國陸軍項目的通用架構(gòu)。當MAPS系統(tǒng)需要升級時，可通過芯片插入機箱的方式完成即插即用，美國陸軍已經(jīng)完成了擁有該能力原型樣機的測試。

現(xiàn)代化嵌入式導(dǎo)航系統(tǒng)集成到美空軍主要作戰(zhàn)平臺

雷神公司于2017年成功在B-2轟炸機平臺完成了首個M碼接收器的測試。此后，在內(nèi)部和第三方進行了多項測試。美軍M碼接收器具有標準接口和開放式體系架構(gòu)，能夠兼容美國及其盟友的相關(guān)系統(tǒng)。根據(jù)國際武器交易條例和美國國務(wù)院規(guī)定，雷神公司的M碼產(chǎn)品可面向美國軍方及其盟友使用。

2020年2月7日，美國國防部授予霍尼韋爾公司（Honeywell）價值35億美元的合同，這份不定期/不定量合同要求為嵌入式GPS導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)代化，即為EGI/EGI-M提供生產(chǎn)、維護和工程技術(shù)服務(wù)，合同交付日期是2035年12月31日。這是將GPS接收器嵌入激光陀螺儀的獨立慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的一項工作，整個系統(tǒng)質(zhì)量約8.12kg，具有導(dǎo)航、指向、穩(wěn)定和飛行控制功能。EGI-M系統(tǒng)可以根據(jù)獨特的平臺要求實現(xiàn)快速插入，支持新功能，具有良好的適應(yīng)性。EGI/EGI-M的開放系統(tǒng)架構(gòu)融合了軍用GPS接收器，集成了新技術(shù)的系統(tǒng)有望應(yīng)用于F-22戰(zhàn)斗機和E-2D預(yù)警機等平臺。

美軍F-22戰(zhàn)斗機

E-2D預(yù)警機

4 GPS軍用接收設(shè)備發(fā)展趨勢研判

新型GPS軍用接收設(shè)備注重安全可靠，抗干擾、防欺騙能力大幅提升

從GPS星座目前狀態(tài)及未來空間段持續(xù)升級的角度分析，GPS－3衛(wèi)星M碼功率遠高于目前軍用P（Y）信號，信號抗干擾能力是原來的8倍；未來GPS－3F衛(wèi)星還將實現(xiàn)點波束增強功能，可同時支持全球任意兩個區(qū)域的點波束信號功率增強需求，功率增強達20dB；從GPS系統(tǒng)運控段層面分析，在具備支持M碼早期使用功能基礎(chǔ)上，其支持新信號的能力將進一步增強。這些都為GPS系統(tǒng)軍事用戶設(shè)備接收信號的安全、可靠奠定了良好基礎(chǔ)?；诖耍捎媚K化、軟件定義的接收機等GPS軍事用戶設(shè)備將具有更強的安全與可靠性。

支持M碼的接收卡將實現(xiàn)可拔插，便于交互操作與功能升級

美國為便于各軍種、武器平臺實現(xiàn)交互操作與功能升級，同時從長遠兼顧考慮降低系統(tǒng)采購與維護成本，其新型GPS軍事用戶設(shè)備支持M碼的接收卡將實現(xiàn)可拔插。這種設(shè)計的難度在于集成M碼接收卡的設(shè)備組件等需要滿足不斷變化的威脅目標，設(shè)計要求靈活、安全和開放。模塊化要求組件是離散的，彼此之間的依賴性較低，而這可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，需要權(quán)衡技術(shù)升級與性能的潛在損失之間的關(guān)系。

美借助軍備出售或以項目合作輻射影響力

2021年7月，SMC批準BAE系統(tǒng)公司向德國提供支持M碼的GPS軍事用戶設(shè)備，此批設(shè)備為地面用途支持M碼的小型化精密GPS接收機板卡（MPE-M），合同價格與產(chǎn)品數(shù)量未披露。這標志著德國成為美國國外軍事銷售計劃（FMS）下的高級GPS用戶設(shè)備的第一個買家。此外，SMC于2020年底提出了一項為期三年的跨國項目計劃，該計劃授權(quán)將支持M碼GPS軍事用戶設(shè)備借給伙伴國家進行實驗室和實地測試，加拿大是首個簽署該文件的國家，并于2021年2月從美國獲取了支持M碼的GPS軍事用戶設(shè)備板卡用于開展測試。預(yù)計法國、韓國和英國也將獲得GPS M碼早期使用功能第一階段的技術(shù)產(chǎn)品。所有伙伴國家都將進行實驗室和現(xiàn)場測試，以評估該類產(chǎn)品與各自應(yīng)用/集成平臺的性能和兼容性，并分享其經(jīng)驗成果。澳大利亞、意大利、荷蘭和瑞典（瑞典為非北約國家，加入北約反應(yīng)部隊與北約和平伙伴關(guān)系計劃3“和平伙伴關(guān)系計劃”的主要內(nèi)容包括：(1)北約正式邀請前華沙條約組織國家和歐洲中立國家參加“和平伙伴關(guān)系計劃”，在軍事演習、維和、危機控制等方面進行合作和政治磋商；(2)伙伴國可向北約總部派出聯(lián)絡(luò)員；(3)伙伴國必須承認西方的民主、人權(quán)標準，并尊重現(xiàn)有邊界。）已表示有興趣并有意于2021年晚些時候加入該協(xié)定。美國GPS軍用接收設(shè)備研發(fā)、集成測試、列裝等工作持續(xù)推進，一方面，將直接有效提升美軍在復(fù)雜對抗環(huán)境中可靠獲取定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)的能力；另一方面，美國通過出售軍備或以項目合作等形式，利用盟友對部分新型GPS軍事用戶設(shè)備進行測試，并收集反饋意見建議，既輻射軍事影響力，又便于降低自身裝備測試成本、加速設(shè)備改進與未來定型生產(chǎn)。