美军升级GPS意欲何为?

朱江明

近日,埃隆·马斯克的太空探索技术公司SpaceX发射了美国太空军第5颗第三代系列全球定位系统卫星,即 GPS-III 05号卫星 (SV05/GPS III-5)。由于最近中国三名宇航员成功登陆天宫号空间站,并开始了一系列太空实验工作,美国太空军对这个三代GPS系统也进行了广泛的宣传,在接受媒体采访时甚至表示,这是其2021年5月发布的数字服务愿景文件的核心能力之一。到底这个GPS-III有何特殊之处,它所对标的系统又有哪些优势和特点呢?

要解释这个问题,我们首先要了解一下美国太空军这个最年轻的军种。根据美国太空军公布的文件,这份“愿景”描述了太空军承担“数字服务”的含义,并概述了实现这一愿景所必需的重点领域。

在愿景文件中,美军开宗明义地承认,太空现在是唯一没有人类进行军事行动的物理疆域,同时又强调,美国陆海空军以及海岸警卫队非常依赖来自于太空的数据支持。太空领域虽然现在还未军事化,却是所有美国军事单位的核心数据支援区。因此,太空军的愿景和使命就是运营互联、创新、数字主导的太空力量,同时应对所有对美军太空数据支援业务的威胁。

从功能上来看,GPS可以说是美国最核心的太空数据支援业务资产,因为这套系统可以提供全球性不间断的位置、导航和授时服务。这对于指挥、通信和精确制导武器运用等领域都至关重要,尤其是当无人機在战争中的地位越来越重要时,而GPS又是无人机自主飞行甚至发动攻击的关键数据支持。然而,近年来各种干扰和欺骗GPS系统的装备越来越盛行,甚至民用市场都很容易买到此类物件,连恐怖组织都有可能干扰美军的GPS信号。伊朗更是曾经成功通过干扰和欺骗GPS,俘获了当时最先进的隐形无人机RQ-170。

显然,上一代GPS技术已经无法应对越来越强的地面干扰设备影响。为了应对这个问题,美国做了两手准备。A方案是通过发射GPS第三代卫星,提高军用GPS编码的抗干扰能力。洛克希德公司公布的数据显示,新的GPS定位精度提高了三倍,抗干扰保护能力则提高了八倍。洛克希德公司表示,卫星采用了新的军用广播编码,这是一种更安全、更难被干扰或欺骗的广播信号。新卫星所用的M军用编码从功能上来看,确实具有更强的安全性,首先它具有更强的发射功率来应对干扰,其次M码还加入了安全验证功能,可以避免未曾通过安全验证的终端接收数据服务,或者向这类终端提供服务。简单来说就是,新的M码系统可以拒绝非授权终端使用,也可以让终端识别来自干扰设备的信号。这当然是GPS应对干扰的一个重大的进步,毕竟双向安全验证能够极大地提高系统的安全性。今年美国之所以高调宣布GPS系统升级到第三代,除了因为第五颗卫星发射后,三代星占比已经达到16%,可以提供基础的三代卫星定位服务,还因为M军用编码2021年开始投入使用。

当然,除了升级GPS之外,美国军方还准备了B方案,也就是完全不依赖卫星的导航定位系统。实际上这并不是什么新科技,在没有卫星之前,人类也可以实现定位和导航,GPS系统的出现只是把这件事变得更为容易。然而,由于干扰和欺骗在不断的升级,美国必须准备好在没有导航卫星支援下也能作战。

美国之所以高调宣布GPS系统升级到第三代,除了因为第五颗卫星发射后,三代星占比已经达到16%,可以提供基础的三代卫星定位服务,还因为M军用编码今年开始投入使用

那么,新的GPS系统与中国的北斗相比到底有何优势和劣势呢?如果仅仅从定位精度来看,升级后的GPS系统比北斗的定位精度可能更胜一筹,但是这种优势并非决定性的。真正值得比对的是两者设计思路的区别,北斗系统在设计之初就考虑到了被干扰的情况,因此除了提供定位服务之外,还可以提供有限度的通信服务,也就是发送短报文或者图片。如果仅仅从通信技术来看,这谈不上什么高科技,但是增加了安全性。因为北斗军用可通信终端需要装入一张专用的Sim卡才能使用发送短报文功能,换句话说,必须通过双向安全认证才能使用。由此看来,其实北斗早就具备了三代GPS M码的核心抗干扰和欺骗功能,毕竟授权终端数量是可以增减控制的。

而过去美国并没有兴趣在GPS系统上增加任何通信模块,因为美军的设计思路是,通信是通信,定位导航是定位导航,GPS定位信息的发送并不依赖定位卫星本身,而是通过军用无线电或者卫星通信链路发送。这样的好处是,如果定位系统被干扰,通信仍可以继续使用,反之亦然。不过,这导致GPS系统本身没有任何双向验证的能力,新的M码算是补上了这一课。根据美军公布的信息来看,M码的安全应答验证并不具备通信功能,只是作为保障安全的一种自动验证手段。

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