GPS在军事任务和国家基础设施中的作用

　　编者按  美国国防科学委员会受国防部前任副部长的委托，对GPS系统运行与管理的理状及存在问题，GPS与欧洲伽利略系统的国际竞争能力，以及下一代GPS的升级战略和技术选择策略进行了为期一年的深入调研，并于2005年11月提交了最终报告——未来的GPS。该报告主要包括讨论与建议，GPS在军事任务及国家基础设施中的作用，存在问题与改进措施和7个附件。
　　现将该报告中“GPS在军事任务和国家基础设施中的作用”一章发表，供参考。
　　一、国家安全基础设施（领域和任务）
　　在军事任务中，GPS是大幅提升军力的重要手段。GPS具有的通用数据、通用格栅、通用时间，使它在军事作战的各个方面都起着重要的作用。GPS独一无二的特性是：在地球上任何时间，任何地点，任何光照、气候或在其他资源无法看清目标的条件下，能在目标和瞄准该目标的动态武器系统之间建立起四维空间的唯一相关性。GPS的这一特点增强了精确武器的杀伤力，提高了军事任务策划者指挥军队作战的效率，使执行任务的战士或部队减少风险。其优越性甚至达到这种程度：凡是利用精确的GPS信号确定的目标点和制导的武器，无论在任何环境下其击中目标的概率远高于任何其他目标瞄准和定位相结合的技术。此外，由于GPS的应用不需要发射电子信号，因此，GPS可在要求不会产生无线电波的情况下，实现安全、高效和精确作战。由于GPS的这种性能特点，国防部和国会都始终强令军事作战使用GPS。GPS的功能已经或正在被装备、集成到国防部运行的几乎所有重要军事作战系统及其通信、数据等支持系统中。
　　现将特别任务组对GPS在各项军事任务中的作用分别简要评估如下。
　　1．空中应用
　　GPS可为所有载人和不载人空中平台的空中作战提供全球精确制导。在整个飞行阶段，包括精密进近和着陆，GPS无需依赖地基导航或地面控制，就能在全球任何地方提供点到点的空中导航。在飞机上，GPS与惯性导航联合使用效果最好。在GPS/惯性制导组合系统中，GPS为惯性制导系统提供初始化数据，为惯性系统漂移提供补偿，同时，惯性制导系统也为GPS提供在高加速度运动和方向改变时改善跟踪性能。在许多应用中，GPS/惯性制导联合系统可以使用低成本的惯性系统，而单独用的惯性系统成本高。通过联合战术信息分发系统（JTIDS）通信网络转发的GPS位置数据，可为航空指挥官连续提供空中战机部署的三维精确图像。无论是飞机还是机载武器都可使用GPS。但是，由于目前只有少数类型的飞机能直接向机载GPS武器传输初始化数据，从而使它们从机翼下或弹舱中释放出来时能迅速捕获和跟踪GPS信号，因此机载GPS武器的效能尚未充分发挥。
　　2．海上应用
　　GPS能为公海、沿海区域、海港和内陆水道上航行的舰船提供全球无缝海事导航。GPS已经取代了以前公海上的舰船和潜艇导航常用的两种无线电导航系统，取消了飞机从公海返回航空母舰时所需要的高功率无线电通信要求。GPS也改善了在夜间和可视条件很差的情况下极近距离操作的安全性。
　　3．陆地应用
　　GPS使全球陆地作战更有效和更安全。GPS与带有栅格的地图相结合能使地面部队在无特征地形条件下实施协同作战；与激光测距仪合用时，可精确确定GPS制导武器的远距离攻击目标。GPS与战术安全通信设备合用，可使指挥官连续掌握部队的位置和行进方向，提高作战效率和减少误伤。至于GPS在森林、高山和城市地区应用的局限性，可以通过增强军用信号和提升卫星遮蔽角的方法予以解决。
　　4．太空中的应用
　　GPS能连续高精度地确定地球同步轨道（GEO，约35400km）高度以下的卫星轨道，从而使GPS取代了地基雷达。这类地基雷达应用不方便，必须提前预报卫星过顶时间，无法连续跟踪单颗卫星，而且许多地基雷达还必须建在国外。GPS星座运行于中圆轨道（MEO，约20350km），因此GPS对运行在低于7400km轨道上（而低地球轨道远低于这一高度）的卫星，能像对飞机导航那样提供连续的点定位；对位于MEO或高于MEO轨道运行的卫星则要跟踪来自GPS星座另一半卫星溢出地球边缘的GPS信号，并采用连续采集数据技术确定其轨道位置；如果处于MEO和地球同步轨道卫星的系统要使用GPS，则需要捕获直接对地球广播的GPS信号，使处于地球另一面的卫星能够接收到足够强的GPS信号能量，这样，这类轨道上的卫星才能完成轨道测量计算。
　　5．武器投放
　　利用GPS可以实现从全球任何地方全天候、全天时的精确武器投放任务。GPS已提高了各种炸弹、巡航导弹和火炮的命中率和准确度。GPS能使武器从距目标越来越远的射程外进行远距离投放，从而提高了武器投放机组人员的安全。巡航导弹在缺少地形特征或缺少预知任务计划资料情况下，通常难以执行攻击任务，但是GPS却为巡航导弹完成这类攻击任务提供了多种部署选择。采用GPS精确制导炸弹或GPS锁定目标坐标的火炮对敌攻击，为近距离接近敌方的地面支持部队提供了更高的安全性。
　　6．目标瞄准
　　在使用GPS制导武器攻击固定目标时，目标位置误差（TLE）是系统总误差中的单一最大贡献者。如果能采用GPS来精确测定这些目标的坐标，就可大大增强精确攻击这些目标的能力。地面部队和前进航空管制人员通常把GPS与激光测距探结合起来使用。GPS与机载合成孔径雷达结合使用，也可获得与飞机位置相关联的精确目标瞄准信息（见附录E）。
　　7．特种部队行动中的应用
　　GPS除了对陆、海、空导航定位，目标瞄准和武器投放贡献巨大外，还在特种部队行动中发挥作用。GPS在任何天气条件下能使特种部队人员实现陆地、海洋和空中的日夜隐蔽、准确会合。特种部队只需利用GPS了解各自的精确位置和时间信息就可实现会合，而不需要发射无线电或其他容易暴露自己的不必要标识。
　　8．后勤补给
　　GPS增强了各种后勤保障和补给工作的安全与效率。它能为军事规划作战行动提供事先在隐蔽地点配置军用补给品的精确位置，即使不能事先确定补给品的位置，GPS也能准确确定所需补给品的投放位置。GPS可在任何天气条件下，精确、隐蔽、全天时地实现对舰船的海上补给和加油交会操作以及飞机在空中加油的交会操作。
　　9．扫雷/清除爆炸物
　　GPS利用差分技术的增强系统，能精确绘制出地下或水下雷区的分布图，为建立安全航线和提高清除爆炸物操作的安全性做出贡献。
　　10．搜索与救援
　　GPS能精确确定被击落飞机逃逸飞行员的位置，从而提高救援的成功率。目前投产的作战遇险脱逃者定位器（CSEL）手机，已将GPS融合到低截获/低探测概率（LPI/LPD）的超视距和直接通信装置中，从而大大提高了搜索与救援能力。
　　11．通信系统
　　GPS为有线、无线通信和数据网络提供时间和频率同步。对于加密的通信和数据传输，特别是保持不同网络之间节点的有效沟通，同步化是必不可少的。海军观测站（USNO）负责国防部的授时任务。USNO的任务之一是管理维护GPS主控站的互为备份主钟（AMC），并提供校准GPS时间与USNO标准时一致所必需的数据。GPS卫星星座的授时信号也就是USNO时间的传输版，并且已被参谋长联席会议正式指定为军队作战使用的时间源。
　　12．情报、监视和侦察系统
　　GPS能增强有关情报、监视和侦察（ISR）数据的地理坐标效能，同时提供各类ISR系统所用的精确授时信息。
　　13．网络中心战
　　GPS为网络中心战开展支援或攻击行动，提供所需的授时和同步化，也能为在网络中心战中可能使用的各种无人驾驶飞行器提供短期或长期的精确导航。
　　14．战场感知
　　GPS能为有效的战场感知能力提供基础的三维空间与时间信息。三维空间信息通过联合战术信息分发系统（JTIDS）和增强定位报告系统（EPLRS）等战术通信/导航网络传输，为各级指挥机构连续的战场感知奠定基础。精确的三维空间和时间信息也是“蓝军跟踪”和“联合蓝军态势感知”能力的重要组成部分。这种能力有利于减少误伤和协同作战。
　　二、国家经济基础设施
　　GPS作为信息资源，为虚拟（locationless）电子/通信环境和物理世界之间建立起重要的联系。即使最好的航拍或卫星图像和地图也必须有精确的地理坐标信息才能对精确导航有帮助，而GPS提供了这种直接的联系。此外，GPS还为美国大量的通信和数据网提供授时和同步化服务。除在经济和科学方面的贡献外，GPS也是国内各种应急反应中确保速度和准确度的不可或缺的组成部分。负责保护国家基础设施的国防部和国家安全部的官员必须了解GPS给他们的日常管理工作所带来的好处。联邦、州和地方各级机构在履行保障国土安全的职责时，必须有能力对各种情报来源提供的警告和攻击信息迅速作出切实的反应。GPS是使这些信息迅速而又协调一致地发挥作用的必需要素。
　　现将特别任务组对GPS在国家基础设施的贡献分别概述如下：
　　1．民用通信
　　早在GPS星座完全投入运行之前，全球授时和通信基础设施就开始采用GPS作为时间和频率同步的主要分发手段。海军观测站负责维护GPS主控站的互为备份主钟（AMC），并提供校准GPS时间与USNO标准时所必需的数据。因此，GPS卫星星座的授时信号一直被国际上用作世界协调时（UTC）供全球连续使用。另外，大多数国家和国际通信（包括无线和有线）服务供应商都认识到免费使用GPS授时信号的巨大价值。从1980年代末开始，许多供应商就基本上采用GPS卫星连续发送的精确时间和频率信号，取代各自的地基原子频率标准。由于GPS信号是Stratum-1层（主要基准源）时间同步和频率同步的首要来源，GPS已成为互联网业务和各种通信网服务提供商之间数字数据流时间与频率同步的重要组成部分。GPS已成为最基本的、透明的赋能技术，对美国乃至全球蜂窝移动电话和其他无线媒体的经济运行发挥重大作用。
　　2．电力分配
　　美国的许多电力公司开始使用GPS授时和频率服务来提高经济效益和运营效率。电力公司主要使用GPS信号来监测线路频率的稳定性，监测与邻近电力公司网络的频率同步化，以及隔绝传输网出现的故障。GPS提供的服务精度大大超过电力公司的日常需求，其免费可用性更具吸引力；而且其精确的授时信号对于将遥远线路的故障隔离在两塔之内极其有用。当负荷在电力变电站之间转移时，就会发生重大的电力扰动，这时，GPS就可以作为将相位差维持到严格标准的一种技术选择。使用GPS能在几个小时内完成负荷转移，而使用以前的技术需要几天的时间才能完成。随着各电力公司的服务相互扩展到美国全境，而且美国还面临着敌人破坏电力网的真实威胁，各电力服务提供商之间的相互依赖关系使GPS的重要性更加凸显。因为电力公司必须利用GPS回应因环境影响（如太阳风暴）或恐怖分子的破坏而造成的大范围负荷波动和系统振荡。
　　3．电子商务与电子金融
　　许多银行和金融机构都使用GPS授时来实现其加密计算机网络同步化，尽管在许多情况下，同步化功能是隐藏在合同规定的通信服务中，并对管理者透明。此外，计算机交易通常用时间标记，随着互联网交易的出现，交易的精确定时变得更加重要。目前，USNO和美国国家标准技术研究院（NIST）是为确定金融交易顺序提供时间标记服务的法定机构。在整个互联网中，GPS是精确授时信号的分发系统。随着电子商务在美国和国际上迅速发展，精确的时间标记将会越来越重要。
　　4．交通运输
　　GPS自1990年代初投入正式运营以来，其高质量性能和低成本应用已经为民用和商业运输基础设施带来了巨大的变化。海岸警备队和联邦航空局（FAA）都使用了GPS，同时启动了增强GPS精度的计划。最初，海岸警备队利用海事无线电导航信标，向美国海岸线（缅因-得克萨斯和加利福尼亚-阿拉斯加）、大湖流域和圣劳伦斯海道、密西西比河和密苏里河流域，提供优于10m精度的差分增强服务。目前这项服务已达到全运行能力，实际定位精度达到1～2m。最近几年，海岸警备队与联邦铁路局和空军合作，将差分增强服务扩展到覆盖美国全境，满足陆地用户的需求，这项服务称为国家差分GPS服务（NDGPS），NDGPS利用过时的空军地波应急网（即将废除）的低频信号，向美国的铁路和大陆用户传输GPS增强信号，定位精度为1m。这项服务最初只是支持列车主动控制，而目前服务对象已远远超过了铁路系统。
　　与此同时，联邦航空局投资数十亿美元建设和部署了一个覆盖美国、加拿大及太平洋、大西洋地区的广域增强系统（WAAS）。该系统通过卫星通信链路传输增强信号，提高GPS的导航精度、可靠性和可用性，满足航空用户的要求。FAA还建立了GPS本地局域增强系统（LAAS），以辅助飞机的仪表着陆和地面操作。WAAS为欧洲和日本的国际民用航空业提供了全球GPS无缝增强系统的范例。日本也在规划一项GPS天基增强辅助系统，发送民用GPS信号，该计划称为准天顶卫星系统（QZSS）。QZSS由少数几颗卫星组成，这些卫星在轨道上的分布构形使日本上空增加了民用GPS信号量，以改善稠密市区的可用性。除这些活动外，外国的差分GPS服务也得到大多数政府的支持，被广泛用于满足各种定位（地理信息系统）和运输的需要。这些国际增强活动还反映了各国对卫星导航服务，特别是对GPS的需求日益增长。
　　另一种称为全球差分GPS（GDGPS）的服务是利用全球民用基准站网进行差分GPS修正，不直接服务于运输领域。GDGPS最初是由喷气推进实验室开发为NASA服务的，现在又通过商家为精细农业服务。GDGPS还为民用GPS信号提供有价值的监测信息源。
　　所有上述服务的共同特征在于，每一种服务都是对GPS卫星核心服务的增强，如果没有GPS基本信号，就没有增强服务。大多数情况下，这些增强服务用于检测基本信号的质量，但不久的将来它们必将成为交通运输和公共安全服务不可或缺的重要工具。
　　5．应急响应服务
　　GPS与通信和交通运输业息息相关的另一重要贡献是为警车、消防车、救护车及其他应急服务提供应急服务基础设施。越来越多的救护车区域服务提供商在使用GPS，GPS已成为管理应急响应车队的手段。随着GPS在汽车中的应用日益广泛，它正在成为处理E-911（紧急求助呼叫服务）业务的一个重要手段。当发生交通事故时，车上安全气囊激活的同时也会激活GPS定位装置的发送开关，应急车辆依据其位置信息快速赶到事故现场。此外，GPS定位服务也将被嵌入手机中，蜂窝电话服务供应商已被要求依法规划E-911的能力。GPS的重大价值还体现在消防部门扑灭加州山区的林火中；在处理美国东南部的飓风和中西部地区洪水的救灾活动中，派出的政府各类应急反应小组也都使用了GPS。GPS正在越来越广泛地应用于应急响应领域和E-911，同时GPS未来在改善不同管辖区应急响应组织之间地理空间协调性的重要性也将增强。尤其需要联邦政府各级领导来加快改进应急服务。通过联邦、州和地方政府，提高人们对GPS的认识，宣传GPS的好处，对所有参与应急响应的人员进行统一的业务培训。因恐怖活动或使用生化或核武器的其他敌对活动而造成不可预见的大范围灾难的情况下，这种制度化的三维空间协调性对作出快速而有效反应是极为重要的。
　　崔志  译  廖春发  校
　　摘自《卫星应用》

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