| 卫星导航系统及其在军事上应用 |
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| 高巍 曹步增 《江苏航空》2001/1 2001-11-03 |
据新华社2000年12月21日报道，我国自行研制的第二颗‘北斗导航试验卫星’，在西昌卫星发射中心用‘长征三号甲’火箭发射升空，并准确进入预定轨道。它与第一颗‘北斗导航试验卫星’一起，构成了‘北斗导航系统”，。这标志着我国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。
……目前，世界上只有少数发达国家具备了自主建设卫星导航系统的能力。”
目前，世界上已经建成的卫星导航系统有两个，分别为美国和俄罗斯建造的，我国正在建设的“北斗导航系统”是第三家。下面以美国的卫星导航定位系统(GPS)为例，介绍卫星导航的一些基本知识及其在军事领域中的应用。
导航星全球定位系统是一个空间无线电导航系统，能在任何气象条件下提供连续的全球导航服务，是美国继“子午仪”后的新一代导航定位系统。它由美国国防部负责出资筹建并全权控制，旨在为所有具有适当装备的军民用户提供精确的导航和位置信息。导航星全球定位系统的组成
导航星全球定位系统包括卫星系统、地面控制设备和用户接收设备三大组成部分。
1．卫星系统GPS卫星系统．由24颗均匀分布在6个轨道面上的卫星组成，如图所示。其中21颗为工作星，3颗为备份星。这些卫星分布在高度为20183公里，运行周期为12小时的轨道平面上，轨道倾角为55度，每个轨道上均匀分布4颗卫星，3颗卫星的覆盖区域即可覆盖全球。卫星不断发射导航信号，发射的信号包括调制在载波上的测距码和卫星轨道参数。GPS系统可确保用户在任何地点、任何进间收到至少6颗GPS卫星发出的信号，最多可同时收到11颗卫星播发的导航信号。从而实现准确的定位、定时和定速。
GPS系统在海湾战争中一战成名，成为耀眼的明星。当海湾战争开始时，GPS系统还只完成了16颗星的部署工作，因而，仅能提供19-20小时的二维定位和15小时的三维定位。整个导航星系统是在1993年完全建成的。
考虑到GPS所具有军民两用的特性，美国国防部采用了精度可选的政策，即提供精确定位(PPS)和标准定位(SPS)两种服务，前者的水平精度为22米，时钟精度为100纳秒，用于军事应用，简称P码；后者的水平精度为100米，垂直精度为156米，时钟精度为340秒，用于民用活动。简称C码。
2．地面控制设备地面控制由设在科罗拉多的斯勒埃佛空军基地的主控站和分布在全球的跟踪站组成。
控制站主要用于测量和预报卫星轨道并修正卫星的轨道位置、星历等。主控站在接收到卫星发出的星历等数据后进行适当地修正，并将修正后的数据传回卫星，而后，卫星将更新后的星历等数据传给用户的接收机。
3.用户接收设备GPS接收机主要是将卫星信号转换成位置、速度和时间的值。GPS接收机可用于导航、定位和时钟发布等任务，其中，三维定位是其主要任务。用户定位接收机内部装有准确计算每颗GPS卫星瞬时位置的程序，再接收卫星发射的以光速传播的信息，测出该信息传播的时间，即可自动计算出卫星到接收机的距离；用户接收并测量几颗卫星同步发射信号的到达时间，确定用户的三个位置坐标和时钟校正量。此外，如果测量频率差，就能确定用户速度矢量的三个分量。如果用户的GPS接收机能同时接收3颗卫星信号，即可利用三角形测量原理计算出用户GPS接收机所在的三维空间位置，还可以计算出用户接收机的运动速度。如果同时跟踪接收4颗卫星的信号，即可完成导航任务，满足各种不同的军事需要。
导航星系统的应用
GPS是导航技术发展史上的一次革命，其24小时不间断三维导航定位能力在军事上有着不可估量的潜力。
海湾开战之初，萨达姆本想祭起所谓的“战争之母”――中东的大沙漠――来教训以美国为首的多国部队。然而，事与愿违，初来乍到的多国部队对沙漠却一见如故。空中打击、地面进攻等进行得非常流畅，“沙漠盾牌”、“沙漠风暴”、“沙漠军刀”三个计划一气呵成，取得了无可非议的胜利。如此辉煌的战果中就有GPS的一份功劳。
战后统计表明，不仅陆海空三军，而且连导弹、炸弹等武器系统也都利用了GPS进行定时、定位。
GPS系统在军事领域中大致有如下三个作用：
(一)为部队或单兵提供定位
1．部队或单兵有了GPS系统后，可以准确地知道自己所处的地理位置。特别是在夜晚，GPS系统可以帮助完成近50%的训练和作战任务，有效降低了误伤率。
在海湾战争中，由于沙漠地带没有树木、花草或道路等常见标识物，因而在沙漠中行动非常困难，外加海湾地区特有的沙尘暴使得部队展开更为艰难。稍有不慎，各作战部队就可能陷于茫茫沙海之中，造成严重的非战斗减员。陆军为此订购了大量的GPS接收机，较好地解决了在沙漠中的定位问题。海湾战争中，美国国内曾盛行家人购买GPS接收机送给前线的亲人，由此可见GPS应用之广泛。
2．陆军还利用GPS系统提高了部队协同进攻的安全性。在以往的作战中，为了部队间的协同，通常在进攻路线上每隔一定距离做个标记，这种方法显然极易暴露军队的行踪，但通过GPS系统，无需做这种致命的标识，各作战分队就能轻松地定位。(二)为车辆、飞机、舰艇提供导航
为车辆、飞机、舰艇安装上GPS导航系统后，能够大幅度地提高其作战效能。例如，坦克利用GPS接收机与负责后勤的油柜车、弹药车和修理车及时会合，进行战场加油、加弹、修理，可以延伸其作战半径，增加其作战效能。飞机通过CPS系统，可以在不熟悉的作战环境中找到最便捷的飞行路线。在茫茫的海洋中，舰艇的精确定位和导航一直是一个困难和复杂的问题，在晴朗的夜晚，可以通过星空进行观测，但在白天或见不到星星的夜晚，就只能通过对海图进行计算来进行定位，既麻烦又不是很准确，有了GPS后，舰艇可以随时知道自己所处的位置，并且非常精确，很好地解决了这一问题，因此，现代舰艇，包括民用船舶大都已加装了GPS导航系统。
(三)精确制导弹药制导
现代精确制导弹药有许多已经开始采用GPS技术进行制导，以提高制导的精度，并且可以简化制导的过程。
例如，战斧式巡航导弹在海湾战争中一举成名，但在当时，战斧导弹采用的是惯性导航加地形匹配导航技术，即事先将用侦察卫星拍摄的地形图数字化，然后输入导弹的控制系统中，导弹在飞行过程中，将摄像机拍下的地形与已存储的地图进行不断的比较，以修正导弹的飞行轨迹。这种技术在发射前的准备时间长(达10小时左右)；并且要有完整的侦察资料(连续的地形图像)。到了“沙漠之狐”行动时，美国再次用战斧导弹袭击巴格达，这时的战斧导弹已经开始采用惯性导航加GPS导航技术，发射准备时间已经降到了20-30分钟，命中精度也有较大的提高。
除了战斧导弹外，美军现在将GPS技术用到了很多新研制的精确制导武器之中，如正在研制的联合防区外武器(JSOW／AGM―154)。JSOW／AGM。154是美国雷神公司研制的一种低成本、高杀伤性防区外攻击武器系统，用于装备美国和盟国的各种战机，在敌方防空武器系统的射程外进行攻击，可以用来对付从轻型车到装甲车等各种点目标或区域性装甲目标，以提高飞行员和战机的生存能力。JSOW装有全球定位系统／惯性导航(GPS／INS)制导系统。制导系统可通过预先装订的模式接收瞄准信息，也可从其母机的机载探测器或其它制导系统接收最新的目标信息。
最为神奇的是英国已经研制成功的一种卫星导航炮弹，对固定目标的命中精度几乎达到100%。以往美、俄等国也曾研制过激光或毫米波制导炮弹，但由于现代战场的复杂性强，以及炮弹成本过高等因素，并未能真正形成战斗力。英国研制的这种长约0.61米，宽仅10多厘米的制导炮弹，采用了GPS技术，具有命中精度高、抗干扰能力强、成本低廉、适用范围广等多方面的优点，顺应了当今制导武器发展的潮流，大量生产装备部队并投入实战的应用前景十分看好。这种炮弹装了一个小型的GPS接收器和一台能够对炮弹所在位置进行跟踪的计算机。在炮弹发射后，弹体通过读取来自GPS卫星的信号。对自己与目标之间的距离以及自身的弹道进行跟踪，并实时引导弹体的飞行路线。同时利用附着在弹身前部的“航向校正系统”对飞行路线进行再调整。这种校正设备包括读取有关高度及目标距离信息的计算机和位于炮弹四周的金属“扇”，当金属“扇”打开时可使炮弹减慢飞行速度。通过这种卫星导航及自身调整的作用，极大地提高了炮弹的命中精度。
使GPS失灵的手段
综前所述，GPS系统已经广泛地应用在美军的各种武器平台上，成为精确制导武器中复合制导的一种极其重要的手段。事实上GPS已成为美军实施远程精确打击的“法宝”。如果在未来战争中，美军的GPS卫星导航系统受到敌方的有效打击，那些依赖于它的作战平台和精确制导武器不但不“精”了，恐怕连东南西北都分不清了。
对付GPS的方法主要有两种，“硬摧毁”和“软干扰”。
硬摧毁主要是指利用激光、杀手卫星、反卫星导弹等武器系统对GPS导航卫星进行打击，对其进行硬摧毁，使整个系统失去作用。前苏联和美国都进行过反卫星用激光武器试验、前苏联在西伯利亚地区曾经用激光武器击毁过美国卫星，因此，现有技术手段是完全能够做到对GPS卫星系统进行硬摧毁的。但硬摧毁GPS卫星后有可能引起不可预料的后果，如引发
全面的星际战争甚至全面对抗，另外，硬摧毁武器从研制、部署到使用的成本比较昂贵。因此，不到万不得已，不应轻易采用硬摧毁的手段。
下面谈谈“软干扰”对付GPS的问题：
前面谈过，导航卫星是通过向地面发射电磁信号来进行定位、定时和导航的，只要事先知道GPS的信号特征(现在的技术手段下非常容易作到)，就可使用功率较小的干扰机对其实施有效的干扰。
由于在GPS系统的设计阶段，研制的主要目的是为海上舰船、空中飞机、地面车辆等用户提供全天候的、连续、高精度的三维位置、速度和精确的时间信息，当时并没有预测到该系统将在复杂的干扰环境下工作的问题，致使该系统目前在战场上的安全问题日益突出，一是全球定位系统的功率较低，其信号强度只有电视接收机天线接收到的信号的10亿分之一，仅相当于人的肉眼在能见度较好的条件下观看10000米以外一只25W普通白炽灯泡的亮光；二是容易受到干扰。据报道，俄罗斯不久前推出了一种最新研制的便携式全球定位系统干扰机，该干扰机重仅有3公斤，大小为120×190×70毫米，干扰功率为8W，能对美国现有全球导航卫星系统的两个频段(1227MH和1575MH)及俄罗斯同类全球导航卫星系统的两个频段(1250MH和1607MH)实施有效的干扰。据称，该干扰机用途广泛，干扰距离可达数百公里，体积小、重量轻，而且价格相当便宜(仅为3万美元)，便于大量装备使用。
在未来战争中，只要我们事先开发、研制出有效的GPS干扰机，并在预设战场进行合理的部署，就可以有效地对付敌使用GPS制导的精确制导武器，如果将GPS干扰机预先装在一些飞机或舰艇上，战时可用于干扰敌人的作战平台。考虑到强敌有很强的反辐射作战能力，有可能对我方的GPS干扰机进行精确打击，还可以开发一些一次性使用、无人看管的GPS干扰机，战时可机动部署或伞降到预定的战区，在海面上也可由潜艇放出浮动干扰机。总之，只要我们充分认识到软干扰的巨大作用和潜力，平时作好对敌斗争的准备，战时就能克敌致胜。
严峻的现实迫使美军下决心解决这一难题，大力提升实施导航战的能力，一是建立独立的军用GPS系统。由于目前的GPS系统是一种军民共用资源，存在着种种弊端，而专一的军用系统更便于在紧急关头向各军兵种的使用单位提供加密和抗干扰的GPS信号；二是增大卫星发射信号的功率，这样可以提高GPS信号的幅度和与干扰信号的信噪比，使敌方现有的干扰机失效，敌方只能进一步增强干扰的功率，这样就极易被美军的机载无源探测系统等电子侦察器材发现，并可能立即遭到反辐射武器的打击。
GPS干扰机与GPS导航系统的对抗，将是长期的、螺旋式的，直到有一天军用卫星导航系统将无法继续使用为止。
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