劉棟梁，陸靜，鄭紫霞，張嵩

(中國航天標準化研究所,北京 100071)

0 引言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為當前社會使用最廣泛、最便捷、最有效的高精度、高實時、高可靠定位、導航和授時(PNT)手段.自問世以來深刻地改變了人類社會生產(chǎn)生活方式，顛覆了軍事領域戰(zhàn)爭形態(tài)和作戰(zhàn)樣式.

20 世紀90 年代初，美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo 相繼建成，而我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)作為當前全球四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一，已經(jīng)可以和美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo 相競爭[1-3].隨著信息技術以及通信導航技術的發(fā)展，終端發(fā)展愈發(fā)必要，關于導航用戶裝備的研究也越來越多[4-6]，希望能夠?qū)で笸黄?

目前，美國衛(wèi)星導航用戶裝備已在多個領域有實際應用，并在近年的戰(zhàn)爭中發(fā)揮了關鍵作用.為提高“導航戰(zhàn)”能力，美國不斷研究并開發(fā)新的GPS 終端設備或接收機，把各種新技術融入設備之中，真正做到了技術為裝備服務.本文以美國軍用衛(wèi)星導航用戶裝備為主，對GPS 第一代、第二代、第三代典型用戶裝備現(xiàn)狀進行分析，在此基礎上總結(jié)了GPS 用戶裝備的發(fā)展特點，并提出了GPS 用戶裝備的發(fā)展趨勢，為我國衛(wèi)星導航終端設備的研制提供了一定的參考價值.

1 GPS 用戶裝備現(xiàn)狀

自1990 年的海灣戰(zhàn)爭到目前美軍的GPS 用戶裝備已歷經(jīng)三代，走過了從箱式整機到板卡，再到模塊的技術演變歷程.形成了脈絡清晰、前后相承的裝備發(fā)展路線和具有通用化、系列化、模塊化特征的簡約實用的用戶裝備型譜.美軍研制并裝備過的主要用戶裝備及發(fā)展關系如圖1 所示[7].

圖1 GPS 用戶裝備家族樹

GPS 用戶裝備采用裝備形態(tài)與應用領域相結(jié)合的分類方式，總體上分為單機獨立應用裝備(便攜或手持)、嵌入與集成應用裝備、安全設備和天線系統(tǒng)四大類.其中單機獨立應用裝備和嵌入式集成應用裝備為終端裝備，安全設備和天線系統(tǒng)為模塊或芯片裝備.

1.1 GPS 第一代用戶裝備

第一代GPS 用戶終端裝備以整機為主，均為單頻接收機，且有通道數(shù)少、體積和重量大等明顯不足的問題.安全裝備包括精密定位服務安全模塊(PPSSM)和輔助輸出芯片(AOC)，由于不具備防撬功能，而且兩個安全設備之間有明文和加密數(shù)據(jù)傳輸，因此GPS 第一代用戶裝備被認為是涉密裝備，其注冊管理和密鑰加注采用物理介質(zhì)傳輸方式，給勤務保障造成了極大負擔.

第一代GPS 用戶終端裝備實際上經(jīng)歷了兩個發(fā)展階段，第一階段是上世紀80 年代末和90 年代初，圖2 為單兵便攜裝備Manpack 和SLGR，機載高動態(tài)裝備為3A 接收機、中低動態(tài)裝備為雙通道接收機，船載為3S 接收機.第二階段為90 年代中后期，單兵手持裝備被第一款真正手持軍用輕型精碼GPS 接收機(PLGR)所取代，同時PLGR 也是各種地面車輛的應用裝備，機載裝備由功能相同，但體積重量僅有3A 接收機三分之一的微型機載GPS 接收器(MAGR)取代，船載裝備在開發(fā)了基于VME(VersaModule Eurocard)總線的GVRC 接收機卡以替換3S 接收機中的GPS 板卡，實現(xiàn)了對3S 接收機的升級.

圖2 Manpack 接收機和SLGR 接收機

1.2 GPS 第二代用戶裝備

第二代GPS 用戶裝備采用開放式架構(gòu)設計，其核心是選擇可用性抗欺騙模塊(SAASM)，這是新一代的GPS 安全模塊，是對第一代安全模塊進行了整合，使其安全性更高，從而使GPS 軍用接收機從涉密裝備變?yōu)榉敲苎b備，解決了災難性的管理保障困難，因此成為GPS 軍用裝備必不可少的核心組件，同時也成為二代用戶裝備的標志.

作為型號裝備，美軍重點發(fā)展了單兵/車載和機載裝備.手持裝備DAGR 繼承了第一代手持機PLGR 的功能特點，但體積更小、重量更輕，實現(xiàn)了單手操作，且首次采用了圖形界面.MicroDAGR 是DAGR 的升級版，如圖3 所示，采用了彩色圖形界面，增加了攝像頭、MP3 等功能，并且體積減小到適合在手腕上佩戴.CSEL 是一款戰(zhàn)斗救生型裝備，實際上它不僅具有GPS 定位功能，還能通過通信衛(wèi)星發(fā)送生還者位置并接收指令，因此是一款多衛(wèi)星系統(tǒng)用戶裝備，而且還具有通過地面長波電臺通信的能力，但艦載裝備仍采用升級后的3S 接收機[7].

圖3 MicroDAGR 接收機

1)第二代GPS 用戶裝備發(fā)展重點是嵌入式板卡，即GPS 接收機應用模塊(GRAM).如圖4 所示，這是一組由GPS 聯(lián)合工程辦公室(JPO)定義和認證的GPS 軍用接收機標準板卡.

圖4 GRAM 板卡

根據(jù)美軍相關政策要求，在沒有獲得JPO 豁免的情況下，所有軍用接收機必須基于GRAM 進行開發(fā)，因此也標志著GPS 裝備發(fā)展從箱式向板卡的過渡.

1.3 GPS 第三代裝備及美軍軍用裝備現(xiàn)代化計劃

根據(jù)GPS 聯(lián)合辦公室于2009 年啟動軍用GPS用戶裝備(MGUE)計劃，它的目標是為已有的主用武器平臺開發(fā)、集成和生產(chǎn)能接收M 碼的GPS 接收機.第三代GPS 裝備首先在現(xiàn)有SAASM基礎上研制安全性更好、芯片化程度更高，能提供核心的GPS 信號處理功能的通用GPS 模塊(CGM)[8].

美國軍用裝備現(xiàn)代化計劃以分階段增量發(fā)展的模式開展，總體上分為兩個大的階段，一是現(xiàn)代化用戶設備(MUE)項目，二是軍用GPS 用戶設備(MGUE)計劃.

1)MUE 項目

GPS 現(xiàn)代化的一個最大特點就是設計了軍隊專用的M 碼信號，實現(xiàn)了軍民信號的分離，從而提高軍用導航信號的對抗能力.美軍對GPS 軍用裝備現(xiàn)代化的最基本要求就是能夠接收和利用M 碼信號.美國空軍從2003 年就開始進行M 碼接收技術的研究，2006 年開展了MUE 接收機卡開發(fā)項目，這一項目實質(zhì)上是軍用裝備現(xiàn)代化前期的關鍵技術攻關，是為了降低后續(xù)MGUE 計劃的技術和進度風險而開展的.MUE 項目2013 年才完成，歷時約7 年，耗資近5 億美元.

2)MGUE 現(xiàn)代化計劃

MGUE 計劃于2009 年正式提出，美國空軍在2011 年啟動了該計劃，雖然當時MUE 項目還未最終完成，但已經(jīng)進入了測試驗證階段，奠定了一定的技術基礎.MGUE 計劃的目的是開發(fā)具有M 碼接收能力的現(xiàn)代化GPS 接收機，以滿足軍事需求.美國空軍將MGUE 計劃分為了兩個階段來開展，即增量1 和增量2 兩個階段.

其中，MGUE 增量1 是在MUE技術基礎上進行開發(fā)，為每個兵種指定的主戰(zhàn)武器平臺提供M 碼信號接收機.此外，在增量1 中提出并研發(fā)了計算機圖形圖元文件(CGM)和組件，作為軍用終端的核心基礎安全模塊；MGUE 增量2 是在增量1 的建設成果的基礎上，將開發(fā)用于較小尺寸、重量和功耗需求的板卡組件，使其成為未來軍用GPS 接收機的“引擎”，是對技術性能的進一步提升和對應用領域的進一步拓展[9].

2 GPS 用戶裝備發(fā)展特點

1)高度重視裝備安全性與密碼保障能力升級

GPS 軍用裝備把確保安全使用作為首要前提，因此美軍把GPS 安全設施建設以及密碼保障能力升級作為重點發(fā)展.綜前所述，第一代安全設施包括其中AOC 和PPS-SM 兩個芯片，由于兩者完全獨立，明文與密文的交互對用戶可見，易于被逆向分析破解，一旦裝備丟失將可能造成重大安全問題，同時對密鑰分發(fā)的后勤保障難度極大.為了徹底改變軍用裝備安全性問題和后勤保障難題，美軍研制第二代用戶裝備安全設施—SAASM.SAASM 是將AOC 和PPSSM 兩個芯片的功能進行了封裝，形成一個完整的模塊，該模塊具有防撬功能，所有加密數(shù)據(jù)的流動均在該模塊內(nèi)完成，對外只提供明文數(shù)據(jù).同時，SAASM改變以前采用的對稱密鑰體制，采用非對稱密鑰體制，使密鑰的傳輸可以采用公開方式進行，并且具備接收空中分鑰的能力.在美軍GPS 第三代裝備中，CGM延續(xù)了SAASM 的架構(gòu)，把具備防欺騙、防撬技術的能力作為選擇研發(fā)生產(chǎn)CGM 工業(yè)伙伴的必要條件.

除此之外，美軍每一代GPS 用戶裝備不斷加強選擇可用性和反欺騙，高度重視抗干擾技術的研究，不斷提高與抗干擾能力密切相關的天線抗干擾能力，因此安全性與密碼保障能力得到極大地提高.

2)注重裝備建設的通用性

GPS 軍用裝備沒有按照各軍兵種單獨發(fā)展，而是由JPO 統(tǒng)管，在裝備建設上盡量擺脫軍兵種特色，堅持能通不專的原則，盡可能把每一型號應用范圍擴大，使同一型號在不同軍兵種廣泛應用，減少裝備型號，進而減少裝備研發(fā)重復投入和技術風險，擴大每種型號的生產(chǎn)規(guī)模，降低生產(chǎn)成本.比如對于加裝在飛機和艦船上的用戶裝備進行了最大程度上的通用性設計，美軍絕大部分飛機采用MAGR2000 接收機，艦船則主要采用3S 接收機.

3)不斷提高模塊和芯片化水平

美軍GPS 用戶裝備的發(fā)展道路經(jīng)歷了從箱式到插件，再到模塊的演化過程.圖5 為2008 年開始的MGUE 計劃，提出了以CGM 為核心的裝備建設發(fā)展思路，并基于CGM 開展GB-GRAM-M 和GRAMS/M 兩種嵌入式板卡.CGM 是美軍第三代GPS 裝備的核心組件，其實質(zhì)是對SAASM 模塊的進一步強化，功能性能更為強大、安全性更高、體積功耗更小，集成應用更為靈活.

圖5 美軍現(xiàn)代化GPS 用戶裝備計劃

4)重視裝備的向下兼容性

GPS 用戶裝備每5～8 年進行一次較大的裝備技術升級改造，約10～15 年進行一次裝備換代.GPS用戶裝備在發(fā)展過程中具有高度的向后兼容性，每一次升級或換代都是在原有裝備基礎上的一次功能、接口的拓展和性能提升.以手持裝備為例，第一代手持機PLGR 經(jīng)歷了1997 和1999 年兩次升級，2004 年第二代手持裝備DAGR 開始裝備部隊，第三代手持裝備也將不久開始裝備部隊.DAGR 與PLGR 相比提升了裝備的安全性能、增加了圖形用戶界面和多項與作戰(zhàn)結(jié)合的實用功能，體積重量和功耗也大幅降低；而開發(fā)中第三代手持機在DAGR基礎上增加了M 碼的應用能力.裝備的持續(xù)升級和向下兼容不僅最大限度地繼承了早期的技術成果，減小了研發(fā)投入和生產(chǎn)成本，而且極大減輕了裝備培訓和維修保障難度.

5)高度重視用戶裝備研制

GPS 用戶裝備普遍具有功能強、性能好、應用質(zhì)量可靠性高的特點，受到美軍及其盟軍的高度認可.例如，絕大部分用戶裝備的平均無故障時間(MTBF)指標都在15 000 h 以上，訂貨量最大的GRAM 板卡超過了20 000 h，整機、天線、板卡的質(zhì)保期都達到10 年.GPS 用戶裝備之所以具備如此品質(zhì)與美軍對裝備研發(fā)階段的高度重視密不可分.

美軍新一款GPS 用戶裝備從簽訂合同到大批量生產(chǎn)裝備部隊這個過程分為三個階段，即需求論證、總體設計、產(chǎn)品設計和工程化、部隊試用和裝備完善，其中需求論證和總體設計在整個GPS 用戶裝備研制過程中是工作量最大也是最關鍵的階段，而大批量列裝前的部隊試用和裝備完善階段也得到高度重視.

3 GPS 用戶裝備發(fā)展趨勢

上世紀90 年代美軍提出了GPS 用戶裝備發(fā)展從箱式整機到板卡再到模塊、芯片，最終到嵌入式軟件的技術演化路線，并始終沿著這一路線發(fā)展，具體如圖6 所示.目前已進入到模塊階段，可以預計，未來10 年內(nèi)GPS 用戶裝備發(fā)展總的技術發(fā)展趨勢是向單芯片系統(tǒng)發(fā)展.此外，作為面向用戶的裝備，美軍還在以下幾個方面提出了裝備現(xiàn)代化的發(fā)展需求和思路.

圖6 GPS 用戶裝備形態(tài)技術演化

1)多GNSS 軍用接收機

開發(fā)能夠接收GNSS 系統(tǒng)信號的軍用接收機是相關機構(gòu)在對上千名一線美軍士兵調(diào)研后得出的需求和建議.隨著世界各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設推進，用戶可接收的衛(wèi)星信號越來越多，應用資源越來越豐富.相比于當前只能接收兩個頻點的軍用信號的GPS 用戶裝備而言，多GNSS 接收機的抗干擾能力更強，可用性更好，且定位精度更高.美軍自2008 開始的MGUE 計劃開發(fā)的CGM 模塊已能夠處理和應用在L1、L2 兩個頻點上的所有軍、民導航信號，下一代CGM 將能夠接收GPS 所有信號和Galielo 的E1、E2、E5 信號.美軍的一些專家建議，應當開發(fā)能夠接收所有天基和地基PNT 信號的多GNSS 軍用接收機.

2)具有網(wǎng)絡中心能力

美軍認為，未來的GPS 用戶裝備不再僅作為獨立的用戶裝備，而且是作為具有自動上報功能的位置、時間和其他戰(zhàn)場信息的傳感器，因此未來的GPS 用戶裝備應與現(xiàn)代通信技術相結(jié)合，具備豐富的通信手段和強大的通信能力.應當集成移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、Wi-Fi、藍牙等各種無線通信能力，為每個用戶裝備作為網(wǎng)絡上的一個節(jié)點.

3)不斷提高安全性與密碼保障能力

美軍高度重視裝備的安全性，重點發(fā)展GPS 安全設施建設，不斷提高密碼保障能力.GPS 用戶裝備在硬件結(jié)構(gòu)和密鑰結(jié)構(gòu)上極大提高了安全性，并通過改變GPS 軍用裝備的管理保障模式以及相關政策法規(guī)的保障，實現(xiàn)對軍用設備的生產(chǎn)、運輸、加注和最終應用去向全過程的嚴格監(jiān)管與控制.因此，將安全性作為首要前提，通過技術改革和政策保障，不斷實現(xiàn)安全性與密碼保障能力的迭代提升，是GPS 用戶裝備的一大發(fā)展趨勢.

4)不斷吸納民用技術優(yōu)勢

軍用裝備具有安全性高、抗干擾能力強，能在復雜電磁環(huán)境下獲得可靠的PNT 信息，但也存在人機界面不友好，應用功能較為單一，便攜性不強等缺點.因此，將先進的民用產(chǎn)品技術和特色融入軍用產(chǎn)品中成為GPS 用戶裝備的又一發(fā)展趨勢.具體包括以下幾個方面：一是進一步縮小裝備的體積、重量和功耗，提高裝備的便攜性和對各種主戰(zhàn)平臺的安裝適應性；二是向智能化發(fā)展，采用Windows、Android、iOS等通用的操作系統(tǒng)，開發(fā)友好、直觀的人機界面，具備應用程序下載功能，通過軟件不斷豐富裝備功能；三是能夠?qū)崟r顯示三維地圖數(shù)據(jù)以及谷歌、衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù).

4 結(jié)束語

BDS 作為我國研發(fā)的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，對于我國軍事等領域發(fā)展具有重要意義[10]，而終端發(fā)展也十分必要.本文以美國軍用衛(wèi)星導航用戶裝備為主，對GPS 第一代、第二代、第三代典型用戶裝備及實際應用現(xiàn)狀進行分析，在此基礎上總結(jié)GPS 用戶裝備的發(fā)展特點，并對未來衛(wèi)星導航終端裝備的發(fā)展重點、最新發(fā)展計劃及發(fā)展趨勢進行了分析與預測，希望能夠?qū)ξ覈鳥DS 終端發(fā)展提供一定借鑒.