卫星定位导航系统在军事上的应用（摘中国3S人才网）

一、 卫星定位导航系统发展与现状
卫星定位导航是从军事应用迫切的需求开始发展的。
最早的卫星定位导航系统是由美国海军和詹斯.霍普金斯大学应用物理实验室从1958年12月研制的，目的是为北极星核潜艇提供全球导航，称为美国海军导航卫星系统（NNSS）。1964年系统建成并投入使用，又称为子午卫星系统。该系统卫星数目少（仅6颗工作卫星）、运行高度低、不能进行三维连续导航、一次定位时间较长，精度低。
1973年12月，美国国防部批准研制“授时与测距导航/全球定位系统”（NAVSTAR/GPS），通常称为全球定位系统（GPS）。迄今为止，GPS共设计了三代，第一代主要用于试验，第二代用于全球定位系统的正式工作，1994年发射完毕，第三代与20世纪90年代末开始陆续发射，预计数量20颗，取代第二代卫星，用于改善全球定位系统。GPS系统由空间段、地面段和用户段三大部分组成。卫星星座由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成，目前在轨卫星27颗。GPS由美国国防部控制，可提供军民两种服务。军码定位精度10米，仅供美军及盟友使用；使用美国GPS精码P(Y)的除美国军方以外，目前美国军方授权所在国家和地区的军方使用的有27个。其中主要是北约国家的军方，在授权亚太地区军方使用的国家和地区主要有：韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。民码定位精度20米左右，平时向全球开放，战时能实施局部关闭。GPS在海湾战争中特别是科索沃战争中，对空中平台导航、武器发射瞄准、精确制导、打击目标定位等重要作战环节都起到了难以替代的关键作用。GPS具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力和精密授时能力。目前是世界上最实用，也是应用最广泛的全球定位导航系统，占据90%以上卫星定位导航的市场份额。
2004年12月8日，美国布什总统批准了一项新的天基定位、导航与授时服务国家政策。“中央情报局将确定、监视和评估国外对使用GPS定位、导航和授时体系和相关服务的威胁的进展；为国防部长决定开发对抗手段提供支持信息”；“为保障国土安全，改进拒绝和阻断敌方使用任何天基定位、导航和授时服务” “在实际的条件下，培训、装备、测试和训练美国的军事力量和国家安全能力，包括GPS的拒绝与阻断。”任何其他国家都有可能被美国政客认定为“敌方”，因此，唯一使用GPS对于国家安全是致命的。
70年代初，前苏联国防部提出了全球导航星系统（GLONASS）的方案设想，1978年开始系统设计，1982年10月12日，前苏联发射了第一颗军用导航卫星，1996年1月18日系统组网成功并投入运营，建设耗资40多亿美元。系统星座由分布3个轨道面上的24颗卫星组成，俄军方控制。GLONASS在系统组成、定位测速原理等方面类似于GPS，但在一些具体技术体制上也与其存在一定的差别。GLONASS可提供军民两种导航定位服务，民用精度50米左右，军码精度与GPS相当。GLONASS的民用市场应用程度远不及GPS，但其军码系统已在其武器装备中普遍使用。
由于俄罗斯近年来经济不景气，系统补网不及时，随着星座中卫星寿命到期失效，到2002年8月只有5颗卫星在轨工作了。其中3颗（1组）为2000年10月发射，2颗为2001年12月发射。目前，从高技术战争需要出发，俄罗斯已下决心恢复和进一步发展该系统。俄政府于2001年8月20日通过了第587号“全球导航系统”联邦专项规划，明确了在2005年前恢复系统正常工作，并制订了2010年前 GLONASS发展的详细计划。
1992年2月，欧洲GALILEO计划提出，拟于2008年建成，计划投资约28亿美元，系统星座由分布在3个轨道面上的30颗卫星组成，是欧盟15个国家参与建设的民用商业系统。GALILEO系统提供3种类型服务，即：面向市场的免费服务，定位精度12-15米；商业服务，定位精度5-10米；公众服务，定位精度4-6米。其中后两种服务是受控和收费服务。中国投资参与合作。
GALILEO系统空间段由30颗（其中3颗为在轨备份）均匀分布在高度23616公里、倾角56?的3个圆轨道面上的中圆轨道（MEO）卫星组成，星上装有导航和搜救载荷。
地面段与GPS和GLONASS相比，增加了对系统差分、增强与完好性监测，使得GALILEO具有比上述两个系统更高的定位精度、可用性和更好的连续性。因此，GALILEO可以满足航空、道路交通管理等与人身安全紧密相关的应用要求。但是，由于参与国家政治和经济利益的争执，目前，建成时间已经推迟到2012年。
中国的“北斗一号”系统1983年由陈方允院士提出原理，1994年1月批准立项研制建设。系统于2002年1月1日试运行。该系统投资少、见效快，适合我国国情，特别是系统具有监控、指挥调度等特点。系统运行后，已经在部队演习、发射921飞船、边境勘察、海军出访等多项任务中发挥了重要作用，受到广大官兵好评。
“北斗一号”系统空间部分包括三颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。用户终端是直接由用户使用的设备，用于接收地面中心站经卫星转发的测距信号。根据执行任务不同，用户终端分为定位通信终端、集团用户管理站终端、差分终端、校时终端等。
新一代北斗导航系统正在实施过程中，预计由5颗静止轨道卫星和30颗静止轨道卫星组成。2008年中国和周边国家可以使用所提供的服务。可提供定位、授时和测速服务。定位精度10米、授时精度50纳秒、测速精度0.2米/秒。
另外，日本、印度、澳大利亚等国也打算建立自己的卫星定位导航系统。
二、 卫星定位导航系统在军事上的应用
卫星定位导航系统最初的设计目标是为地面、海上和航空军事用户提供导航定位业务，早期在空间飞行器上的应用也在landsat-d上得到了验证。定位和导航，是现代军事系统的核心技术和关键技术。准确和迅速地获得正确的时间和敌我双方的位置是决定战争胜负的关键。卫星定位导航系统的作用正是实时提供准确的授时、位置、速度信息。在武器装备上安装卫星定位导航接收机后，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。军事应用主要是将卫星定位导航接收机安装在弹药、武器平台、通信系统、指挥控制系统中。在军事上，卫星定位导航系统主要应用于以下领域：
1、 导航定位
卫星定位导航系统可用于飞机、卫星等空间飞行器、水面舰艇、潜艇的定位导航。为飞机、卫星、舰艇、车辆等安装上卫星定位导航系统后，能够大幅度地提高其作战效能。
目前，GPS和惯导组合导航方式在美军的军用飞机上普遍采用。GPS提供精确的位置和速度信息，惯导不易受干扰，可以在无GPS信号时提供导航信号，保证系统的高可用性。GPS使特别行动直升机与攻击直升机能够协同作战。”GPS还使空中加油机与需要加油的作战飞机能够更快地相互找到对方。由于航母及其舰载机大量采用GPS和夜视系统等装备，美军航母全天候、全天时作战能力显著提高，每天出动的架次从原来的125~140架次增加到200架次以上，许多袭击活动都选在夜间进行。B-2采用了GPS辅助瞄准系统，具有一次精确瞄准16个分散目标的能力。
采用GPS导航，接收装置简单，定位精度高，特别适合于近距离的相对定位。美国海军试飞员已经驾驶F/A-18飞机在罗斯福号航母上利用GPS实现了首次自动着舰，据称这种系统的性能相当于甚至超过了目前自动着舰系统的性能。由美国海军牵头的舰载GPS系统将全面取代现行的舰载塔康系统，通过双通道数据链路为370海里范围内的飞机提供航母的位置，这就意味着未来的舰载机自动着舰系统将完全采用GPS进行导航。
陆地卫星四号（landsat-d）是第一个在轨使用GPS接收机的卫星。现在很多小卫星平台都可以使用小型的、先进的GPS接收机进行授时，定位和测速。空间使用的GPS接收机和地面使用的GPS接收机有很大的不同：一是接收机要跟踪较高的多普勒频率和频率变化率，对于地轨道卫星来说，频 率的变化范围可能在?0KHz，二是要适应空间环境，保证高可靠性。卫星定位导航系统可以使卫星自主维持所需的轨道，或者在小卫星编队飞行时自主的提供相对位置、速度和对应时间。在交汇对接也可以应用GPS。
惯性导航系统、卫星定位导航系统和电子海图系统是海军舰船导航系统的三大支柱。美国“俄亥俄”弹道导弹核潜艇曾装备MK2Mod7型舰船惯性导航系统、ESGM静电陀螺监控器、卫星导航接收机、劳兰C和电子计程仪。80年代初期配置了导航声纳系统和重力梯度计。1985年以后装备静电陀螺导航仪，1987年以后装备全球定位系统。进入90年代，美国海军又推出了“三叉戟”通用程序导航分系统（TNCP）。舰船同时互补使用多种导航设备。
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。
2、 精确制导
卫星定位导航系统高精度、低成本的特点，使得卫星定位导航系统大量应用于精确制导弹药上。美军在科索沃战场上使用的精确制导武器中，1/3采用GPS制导技术。
战斧式巡航导弹将价格昂贵、准备时间长、复杂的惯性导航加地形匹配导航技术改进为惯性导航加GPS导航技术，使得发射前的10个小时左右的准备时间长和对完整的侦察资料(连续的地形图像)的要求改变为发射准备时间已经20-30分钟，不需要完整的侦察资料(连续的地形图像)，命中精度也有较大的提高。
为了克服“宝石路”激光制导炸弹受恶劣天气影响不能使用的缺点，美军在MK系列和BLU系列普通航空炸弹上加装GPS/INS制导组件，命名为“联合直接攻击弹药”（JDAM）。但存在精度不如激光制导炸弹、GPS信号容易受干扰、不能攻击移动目标等缺点。波音公司为JDAM加装了激光导引头，克服了以上缺点。中国的“雷石”6（LS-6）制导滑翔炸弹采用500千克普通炸弹加装GPS/INS复合制导组件，可用于全天候作战。为防止GPS被人为干扰，LS-6还有使用俄罗斯GLONASS系统和北斗系统的备案，可根据用户要求极短时间内完成更换。经过以上改进的普通炸弹，实现了多目标攻击、发射后不管、高精度、低成本。
英国研制了一种GPS炮弹，命中率几乎达到100%。命中精度高、成本低。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。美军现役的陆军战术弹道导弹系统(ATACMS)的最新型号也加装了GPS制导方式，以提高命中精度。
采用GPS/GLONASS INS复合制导技术，可以大大提高制导弹药的抗干扰性和战场适应性。无制导火箭、普通炮弹、战术导弹、攻击无人机、巡飞弹甚至未来的子弹都可能采用廉价的卫星定位导航系统改造。
3、 作战部队定位
地面部队传统的定位方法是用地图和罗盘（指南针）在现地标定地图，通过现地对照和测量（包括目视测量和仪器测量）来完成的。其准确性和及时性受到观测者经验和目视条件的影响，特别是在夜、雨、雾天气或地物（树林、草丛等）高而多、不便通视时，以及有敌情顾虑等条件下，要及时准确地判断站立点、测控点、目标点的位置坐标是相当困难的。
GPS接收机可以做到小型化、手持式，可与其它手持式通信设备组合在一起，是野战部队和机动作战部队不可缺少的装备。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。海湾战争期间，GPS接收机就很受部队欢迎，一度出现了军用GPS接收机严重短缺的现象，许多部队不得不从市场上购买民用接收机。当时多国部队配备的GPS接收机约有5500 台军用和1万台民用接收机。
陆军利用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，各作战部队就能轻松地定位。
炮位定位系统优于10m定位精度，满足了炮位定位精度的要求，使原一天的测量工作量仅在几分钟内就能完成。多点炮位定位测量，定位精度均可小于10m。比传统方式测量提高工作效率几百倍，极大地提高了炮兵部队的快速反应能力。在完成炮位定位系统多点测量的基础上，如再增设一个监控中心，可构成战场炮兵指挥监控系统。在监控显示器上，可实时动态显示各门火炮炮位，便于炮兵指挥员在战场上实时对各门火炮的指挥与调度，大大提高炮兵作战效能。
军用自由伞降(MFF)导航系统帮助美国特种作战部队的士兵可以在浓雾、有云甚至下雨或下雪的情况下从高空伞降到预定渗透点。该系统用来将作战力量安全、精确和隐蔽地空降到敌方地域，就像飞机飞行员在没有目视参照物时利用仪表控制飞机一样。空降特种兵可在恶劣的天气环境下，从25000英尺(约7620米)高度离机并操纵冲压空气降落伞飞向距离载机数英里的预定着陆点。
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和陆上导航系统可以测量车辆的位置和航向，炮塔能自动旋转，对准目标。
美国及其盟国部队已采购了48000套国防先进全球定位卫星接收机（DAGR）。DAGR是一种手持、双频、轻型、抗干扰的精确定位系统，重量不及一磅，在战场上作为轻型精确GPS接收机（PLGR）的补充，并与集成了PLGR的平台相兼容。DAGR能够提供实时定位、速度、导航和授时信息，为水面作战人员、潜艇以及水面舰艇执行水上作战提供辅助导航。
俄军曾要求在2005年底前为俄军所有的连排级以上的指挥人员装备卫星定位导航设备。但到2005年，仅特种作战部队的机动部队和在车臣作战的空降兵装备了GLONASS卫星系统接收机。2005年6月，俄罗斯联邦政府再次下令从2006年1月1日起，所有的军用和民用航天器、飞机和舰艇、运输重要物资的汽车和火车都将装备GLONASS卫星导航系统或者与美国GPS系统兼容的接收机，并将于2009年初结束卫星导航系统的装备工作。
4、 救援服务
英雄飞行员王伟的牺牲是因为没有配备卫星定位无线电救生系统，撞机跳伞后大量搜救舰船和飞机多日无法找到。王伟的牺牲是中国人心中永远的痛。
1995 年在波黑地区被塞族导弹击落的F-16飞行员没有卫星定位无线电救生系统，飞行员为避免被俘而东躲西藏，苦熬了整整一个星期才被海军陆战队救走。之后，美军研制了Hook-112救生无线电装置，在飞机被击落时，飞行员能够利用GPS系统为营救人员指引方向。
美军飞行员目前装备了Hook-112救生无线电装置，在飞机被击落时，能够利用GPS系统为营救人员指引方向。在“盟军行动”中，被击落的F-117 飞行员一落地便利用所携带的救生无线电进行GPS 定位并发出带有位置信息的紧急呼救信号。美军派出包含EA-6B电子战飞机在内的数架飞机和直升机进行营救，7个小时之后，飞行员被救走。
5、 精确授时
GPS系统实际上是一个处于20000km高空的高精度的空中时钟，可提供大范围覆盖的高精度的时、频信号。GPS卫星上装有高精度的原子频标，频率稳定度高达10-13。并且几个GPS系统的地面监测站不断地校正它的精度。因此,它可以随时提供准确的频率标准。利用GPS卫星为时间源，可实现精确授时，从而实现远距离设备的精确同步。
利用GPS可提供高精度授时，为军用通信网络提供统一的时标信息，从而使通信网络速率同步，保证通信网中的所有数字通信设备工作于同一标准频率上。
6、 指挥管制
“北斗”卫星定位导航系统具有用户与用户、用户与地面控制中心之间双向数字简短通信能力。一般用户1次可传输36个汉字，经核准的用户可利用连续传送方式最多可传送120个汉字。这种简短通信服务，GPS无法提供。由于“北斗一号”卫星定位导航系统独特的简短通信功能可进行“群呼”，在军事上，意味着可主动进行各级部队的定位，也就是说各级部队一旦配备“北斗一号”卫星定位导航系统，除满足自身定位导航外，上级指挥部门可随时通过“北斗一号”系统掌握部队位置，并传递相关命令实现了指挥管制和战场管理功能。
其他的卫星定位导航系统需要将通信系统与卫星定位导航系统结合才能实现指挥管制功能。
三、 卫星定位导航系统的干扰
GPS系统易受低成本低技术干扰装置的影响，从而使导弹偏离飞行航线，误炸目标，导致不必要的政治影响。所谓“导航战”就是保持己方充分利用GPS导航同时阻止敌方利用GPS导航，又使民用GPS导航不受影响。
在战争情况下，卫星定位导航系统拥有国为阻止敌方使用，保证己方使用，会改变导航信号的参数，如信号载频、伪随机码结构等。为了己方的安全，必须有效地干扰对方的卫星定位导航系统。这种对抗的关键是侦察。卫星定位导航信号的侦察目的是解决在没有载波频率、伪码序列等先验知识的情况下，发现和捕捉GPS信号和GLONASS信号，以便引导干扰。
敌方容易、快速、廉价地制造、购买和使用各种GPS干扰机，以干扰依靠GPS制导的美国武器和其它平台。如1994年9月，在约翰?霍普金斯大学应用物理实验室公开展示了一种烟盒大小的GPS干扰机，采用12伏电池作动力，产生100毫瓦的输出功率，通过一根细小的全向天线发射信号。该装置足以干扰半径16公里范围内的任何采用CA编码的GPS接收机。美国联邦航空局负责电子对抗的研究部门在1996年12月2日到1997年1月7日对GPS 进行干扰测试表明干扰功率1瓦的干扰机天线指向为水平线以上不超过2?时能对200公里范围内的GPS 接收机进行干扰。
俄罗斯设计的GPS干扰机甚至可通过因特网采购。这种干扰机重3-10公斤(不含电池),价格低，能对美国现有GPS系统的四个频段实施有效干扰。
美国武器库中现有的大部分导弹都易受GPS干扰的影响，这些导弹包括:增强型“杰索”、增强型高速反辐射导弹、AGM-130、“斯拉姆”-ER、装有GPS的“鱼叉”、陆军战术导弹系统、“杰达姆”以及增强型GBU-15。对于一些飞行时间长的GPS制导导弹来说，很易受干扰，在干扰有效的情况下根本无法收到GPS制导信号。在导弹飞行的最初阶段，当制导系统以CA编码信号工作时，一般来说，24分贝以上的干扰就足以封锁GPS信号;当导弹的制导系统转变成Y编码模式时，干扰/信号比为54分贝以上的信号就足以干扰制导系统。在导弹飞行的末段，干扰信号可能会阻止导弹到达目标“框”中，在这种情况下，即使导弹还具有其它弹载导引系统也已不能再将其导向预定的目标点。
对于装有GPS/INS复合制导系统的导弹，当GPS接收机在导弹飞行的任意点上受到干扰时，那么该导弹在整个干扰阶段只能保持“惯性滑移”，其飞行弹道由不太精确的INS系统导引。对于飞行805公里，时间超过1小时的远程导弹来说，在整个飞行阶段得不到GPS系统的更新的情况下，INS系统这样的偏移率将有可能使导弹产生14.5公里的脱靶距离。
从现实可实现性出发，军用GPS 接收机的干扰应以转发式欺骗干扰为主辅以相关压制干扰。首先用相关码压制干扰发射一个很短的时间让干扰区内的GPS 接收机转入搜索状态。然后切换到转发式欺骗干扰上使要干扰的GPS 接收机锁定到欺骗信号上，过一段时间再重复这个过程。采用这种组合方式可以较好地发挥压制干扰和欺骗干扰的作用，达到好的干扰效果。
对GPS干扰的发展趋势是：
1、 应用多点分布干扰源，使它们散布在不同的空域、地域，当干扰源方向超过GPS接收天线阵元数时，自适应接收天线抗干扰措施失效
2、 应用现代化检测技术（周期谱相关、倍频检测等），提取低信噪比GPS扩频信号的载波频率，以实施跟踪瞄准式的干扰
3、 对GPS实施大空域的干扰压制，可以使GPS接收机较长时间接收不到导航信号，此时与它交联的惯导积累误差增大，降低导航精度
4、 同时干扰GPS和GLONASS，使其导航信息不能相互利用
虽然美国不打算改进现有的导弹，但将采用高达90分贝的超高抗干扰GPS接收机、地形辅助导航技术、高抗干扰数据链路、路段弹道制导修正系统以及射频数据链路/光电传感器导的相结合的末制导等技术来提高未来精确制导武器的抗干扰能力。以色列设计的某些远程导弹采用了GPS制导方式，但它们具有高抗干扰性，特别是末段采用了控制导弹飞行的数据链路。目前正在进入以色列武库的精确打击导弹采用了数字跳频数据链路，抗干扰性能高达90-100分贝，足以对付近期潜在威胁。

 

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