有关GPS通信技术的应用

有关GPS通信技术的应用
有关GPS通信技术的应用

有关GPS通信技术的应用
美国gps技术的军事应用
徐 阳
1 引言
全球定位系统是利用围绕地球的24颗卫星通过接收机准确计算出自己所在位置的系统,不仅用于军事,而且广泛应用于汽车行驶导向,预测地震等民用领域.全球定位系统原本是美国国防部为飞机舰艇研发的导航系统.
在1991年海湾战争中,全球定位系统就开始咱露头角.近年来,虽然全球定位系统制导安装有全球定位系统制导装置的联合直接攻击炸弹和巡航导弹,并在1999年对科索沃的空袭中大量使用.平滑演进的CDMA网络 联合直接攻击炸弹在距离目标30km处投下炸弹,命中精度能达到10m.这种炸弹造价仅为1.8万美元,以其廉价的价格和稳定的性能而受到好评,联合直接攻击炸弹正在逐渐取代易受天气影响的激光制导及图像制导武器而确立其"全天候武器"的地位.
海湾战争时期,全球定位系统已成为美国陆军排长,连长等的标准装备,对于特种部队进行地面战也是不可缺少的.后方司令部能通过全球定位系统,时刻掌控在阿富汗执行任务的特种部队的位置.队员一旦面临危险,即时就能派出救援部队.在空中待命的支援战机向炸弹输入数据,就可对敌方进行精度达10m内的轰炸.
2 美国军用GPS技术发展近况
全球定位系统(GPS)技术主要分为卫星技术、接受技术和地面控制技术,在武器装备上安装GPS接收机后,就可确定其速度和位置,包括纬度、经度和高度,定位精度可达几米.军事应用主要是将GPS接收机安装在弹药、武器平台、通信系统、指挥控制系统中.以下简要介绍一下美国军用GPS技术的发展近况.
2.1改进GPS卫星
最近,美国国防部计划对当前使用的GPS卫星进行现代改造,增加发射3个新的信号：一是高功率点波束军用M码,这种信号的增益将比GPS发射机当前采用的增益高得多,加载在L1和L2载波上,只供军用,在战时军方有权对某地区得其他信号进行干扰,增加M信号,有助于确保美军士兵在其他信号受干扰情况下得以导航；二是将C/A码加载在L2载波上,原来加载在L1载波上得C/A码继续保留；三是L5码,用作生命安全信号,仅供民用.美国国防部计划在两种GPS卫星上加载这三种新信号：Block II R改进型卫星和Block II F 卫星.计划从2003年开始发射加有新得编码的卫星.美国还在进一步探索新的GPS体系结构.不久前,美国空军和波音公司和洛克希德.马丁公司分别签订了为期1年的合同,需求他们就GPS-III的结构体系和需求进行研究,评估可供选择方案,降低总费用和提供灵活性和耐久性,以满足未来30年对卫星导航日益增长的军民需求.
2.2 新一代GPS接收机
美国当前在GPS接收机方面的两项最为重要的技术是GPS接收机应用组件(GRAM)和有选择地利用或防欺骗模块(SAASM).其中GRAM是一种标准电子插件,可将其加在未来的飞机、舰艇、导弹和各种武器中,目的是确保安全性、互通性,减少非标准接口、定义和功能的数目.所有的GRAM将采用开放式系统结构,能灵活地增加、替代或取消系统中的某些元件.SAASM是第二代的GPS技术产品安全模块,用于保护保密的GPS算法、数据和校准,他将集成到接收机应用模块中.这种集成技术将提高GPS系统的安全性,使GPS接收机更易于维护,降低其费用.
为解决GPS接收机信号弱、易受干扰等问题,洛克希德.马丁公司和罗克韦尔.科林公司一起研发了GPS时间－空间抗干扰接收机(G-STAR)系统.该系统包括一个宽动态范围的射频前端,他能将输入信号转为瞬时频率.然后,瞬时频率被送入能减少或消除干扰的"射束形成器",并在此进行模数转换,转换后的数据随后被送入完全信息化的GPS接收机.其特点是：在抑制干扰信号的同时,能融合各天线接受到的信号,形成指向GPS卫星的波束；能进行数字信号处理,滤掉干扰信号：还具有波束指向、抑制和过滤各种干扰的能力,以适应环境的变化(包括平台或干扰源的移动).系统除了具有数字能力外,还具有可编程能力,并且是模块的,并利用具有"空间时间自适应处理"功能的现成商业部件增强抗干扰能力更强,有广泛的应用.
首批G-STAR产品于2001年初问世,并内嵌到罗克韦尔.科林公司生产的SAASM内.该系统被安装到联合空地防区外导弹上,这是该接收机首次被应用于军事领域.
2.3 提高导航战能力
GPS导航设备已成为美军导航、武器瞄准和救援等军事行动的关键工具,因此,美国非常重视导航战的研究,需求采取有效的技术和战术措施,防止敌人有效使用GPS系统并利用该系统进行对抗,确保己方能有效地利用GPS系统打击敌人,并保障战区外民用用户有效地使用GPS系统.美国GPS系统现代化的基本思路是增强抗干扰能力和改进安全性能,使敌方无法使用GPS.美国主要采用了提高功率、保护密码和在信号中嵌入数据等技术手段.例如,使用功能更强的M码军用信号,信号功率增益约20dB加强了抗干扰性,减少了对民用系统的影响.除了增强功率外,提高抗干扰能力的其他手段包括改动信号频率、随机微跳频等等.
导航战的一个重要方面是改善GPS接收机的天线.可控接受模式天线(CRPA)能在卫星方向上形成电子化天线束,增强抗干扰能力,使信号功率增益30dB,更进一步改进措施是对接收机天线加零,加零将抑制在干扰机方向上天线的敏感性.如果这一技术和CRPA技术一起应用,能将抗干扰能力提高50dB.美国空军至少正在执行2项试验计划,以发展智能加零GPS天线技术.美国海军计划研制水平极化加零天线,以保护战术武器免受中、低功率地干扰器的影响.天线的研制指标为：发射器信号衰减30dB,最小值为20dB；增益为0dB；天线孔径为7.5cm.
2.4 在武器装备中的新应用
GPS制导系统已应用到炮弹上.和在航空炸弹上的应用相比,炮弹上的GPS接收机的体积更小,工作环境更加恶劣.Interstate电子公司首次将CPS/INS制导组件用于美国海军的改进型MK45式舰炮炮弹,该制导组件装在127mm炮弹的前椎部,可承受12500g的剧烈冲击.发射期间,在炮弹穿过炮管的几秒内,接收机快速捕捉P(Y)码信号.这种炮弹具有较长的弹丸控制段,且受到的干扰小,便于惯性测量装置的校准.岩梨通信公司将研究一种仅采用GPS制导的非旋转稳定炮弹的制导算法,炮弹具有和增程制导弹药类似的动力特性.这种算法利用反馈控制回路中的加速度进行测量,并可利用两种来源的滚动高度数据：卡尔曼滤波器的估计值或直接来自多天线的估计值.
鉴于激光制导炸弹在科索沃战争中的表现,为了提高其在复杂气象条件下的作战能力,美海军为激光制导炸弹加装GPS/INS制导组件,现已完成GBU-24E/B型激光制导炸弹的投掷试验.
美国陆军的"复仇者"机动防空导弹系统使用GPS和惯性陆上导航系统对捕捉目标和跟踪瞄准目标(STC)的过程进行改造,提高了作战能力.改造后地域防空指挥、控制和情报系统获得目标数据.GPS和陆上导航系统能测量车辆的位置和航向,炮塔能自动旋转,对准目标.
3 美国海军应用水下GPS全球定位系统技术
据有关媒体报道,法国的ASCA公司已为美国海军研发了利用水下全球定位系统(GPS)技术进行搜索和救援及对抗水雷的系统,他能利用水下的GPS信号确定目标的经、纬度和深度坐标.美国海军海上系统司令部已于2001年8月购买了一套该系统,该系统可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波发送器,只需要不到半天的时间就能找到目标.在2001年夏天进行的一次试验中,该系统只用了1个小时就搜寻到了目标.
水下GPS系统包括GPS智能浮标(GIB)、便携式控制站及32千赫的声波发送器.浮标将抛放在水面舰的水中听音器通过水面上的三个天线和指挥、控制、通信和情报系统相连.当浮标在黑匣子声波发生器约500m之内时,就能精确地探测到声波发生器的信号.测量水下移动目标发出的声脉冲和GIB浮标下面的水中听音器接受到的信号之间的时间差,就能得到浮标和目标之间的相对位置.同时,利用差分GPS接收器能精确测量出浮标的精确位置.这样也就得到了目标的精确定位.定位数据能在计算机的浮标之间进行交换,无线电的传输范围能得到10km(利用直升机)或5km(利用舰船).
水下GPS系统的另一项可能的应用就是进行爆炸性军火处理(EOD),能用来处理在科索沃战争中投放在地中海的没有爆破的哑弹.此外,该技术还能用于水雷对抗等许多领域中.
摘自《全球定位系统》