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自全球定位系统(GPS)完全投入服务并开始实施现代化计划以来已有几十年。近年来,GPS的现代化强调“集成专项计划和要素,增强系统能力和定义未来”。2017年,美国天基定位、导航与授时(PNT)咨询委员会会议发表的专题报告指出,军用加密主要技术的军码(M码)以及主要用户装备的军用接收机(MGUE)是整个GPS现代化中不可或缺的重要环节。

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美国正处于逐步实施GPS现代化计划的阶段,该计划的关键部分是开发GPS M码。这项代码将与现有的C/A码和P(Y)码信号共享L1、L2频段,并且采用二进制偏移载波(BOC)调制方式。GPS M码的主要目标是提高信号的抗干扰性能,这将通过更高的发射功率来实现。这项改进将有助于根本解决GPS抗干扰问题,同时改善PNT服务。

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一、M码及军发展历程

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M码母版是一种军用解决方案,最初来源于名为“多要素天线”(Multi- Element Antenna)的两用抗干扰解决方案,已有四十多年的历史。1978年,一架搭载多要素天线的飞机成功抵御了地面上一台功率达10千瓦的干扰器,其抗干扰能力相当于一台家用微波炉的100倍。这其中,GPS天线对干扰器形成了一个基准点,并成功放大了GPS信号。1997年至1998年,美国GPS联合计划办公室(JPO)对L1和L2频段上的M码设计进行了初步研究。1999年8月,JPO确定了最终的推荐设计方案,并启动了对天基平台接收机和M码信号接收机的设计与开发工作。
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2005年,美国空军成功发射了第一颗能够进行M码信号广播的GPS卫星,然而直到2020年左右才顺利完成了软件和其他设备的研发工作。新一代GPS的应用范围主要集中在国防部和各军兵种部门,具体由空军项目办负责开发M码卡,并最终将其生产并集成到武器系统中。2006年,负责网络和信息集成的国防部副部长发出指示,要求空军开发M码卡以及原型设备。

M码信号是一种具有抗欺骗、抗干扰和加密特性的信号,已经在GPS卫星上应用多年。然而,美军长期以来并未配备地面及用户设备来访问和利用M码。直到2011年才开始计划第一个M码用户设备的开发,然而由于技术难度较大,项目成本大幅增加,完成时间也大幅延后,直到2017年才开始在具体平台上进行部署和实施。

2016年,美国政府问责局(GAO)向国会通报了有关空军采购计划中M码研制情况。通报内容涉及:(1)M码接收机卡的开发;(2)可部署的接收机的开发;(3)M码用户设备计划的时间表和成本估算;(4)军事部门和国防部移动代码实施数据;(5)各平台的测试和综合计划,以及微电子技术的使用。

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美国国防部确定了M码早期使用(M-Code Early Use,简称MCEU)计划,将专注于M码的研发和嵌入工作。根据MCEU的任务计划,相关采购、技术、软件实施以及集成、测试工作将在2016财年到2020财年间完成。

M码用户设备是主要用于军事目的的应用载具。它的采购方式是通过竞争市场来进行的,由三家供应商分别负责地面设备、空中设备和海上设备方面的开发。M码用户设备的研制和发展分为两个阶段,分别为MGUE增量计划1和MGUE增量计划2。

柯林斯航空航天系统公司宣布他们的M码通用GPS模块已经通过美国空军太空导弹系统中心GPS理事会的安全认证。 这项认证意味着M码通用GPS模块已经达到了硬件和软件安全设计规范的要求,并且具备了进一步部署的条件。同时,洛克希德·马丁公司于2020年7月27日完成了GPS运行控制系统M码的早期使用硬件和软件升级,这标志着美国空天军对M码的运行验收达到了重要的里程碑。

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2020年8月6日,美国空军宣布对GPS地面段的软件和硬件进行升级。2020年12月,经过必要的地面系统升级后,作战人员可以有限度地接入更安全的M码信号。这些升级措施将为现代化GPS Ⅲ卫星的持续发射和M码的全面部署奠定基础。2021年8月,BAE系统公司发布了一款超小型M码GPS原型接收机,该接收机与M码信号兼容并具备抗干扰能力,专为水下作战领域研发。目前,该原型接收机正在进行M码的能力鉴定工作,预计将于2022年进入全速生产阶段。

美国空军于2021年3月签署了一项为期三年的协议,允许盟国借用和测试具有抗干扰或防欺骗能力的新的GPS M码信号。此举旨在促进对具备M码能力的军用GPS用户设备接收机卡的早期测试。可以预见,M码的同步应用推广即将展开。

二、M码的技术特点

GPS现代化军事部分的核心内容是M码信号的部署与应用。M码将取代传统的P(Y)码,因为M码信号具有更强的抗干扰和防欺骗能力,可以确保美国及其联合部队安全地获取GPS军用信号。出于这个原因,美国国会已经强制规定,美军必须在2018年后购买M码GPS设备。 根据2018年发布的《国防部PNT体系战略》,美军将积极规划将现有的导航装备逐渐过渡为M码设备。M码相关的五大关键技术分别为M码捕获技术、M码加密技术、选择可用性/防欺骗模块加密技术、防篡改技术和防欺骗技术。

M码是一种使用BOC调制方式的信号,其副载波频率和扩频码速率分别为10.23MHz和5.115MHz。该信号采用正交相位调制,与民用信号共用一个载波,并且与现有的L1和L2信号共享频段。

M码技术是在P(Y)码技术本身存在缺点时开发的。当C/A码信号受到干扰时,P(Y)码信号即使没有干扰,也会受到一定程度的影响。相比之下,M码信号是第一种采用BOC调制方式的军用GPS信号,拥有更宽的带宽和更高的信号功率,从而具备更强的抗干扰性。此外,M码信号还采用复杂高级加密技术,以确保信息传输更为安全可靠。在抗干扰方面,M码技术还实现了接收机和天线一体化设计,以便在更宽的带宽上应用空时自适应处理(STAP)技术和空频自适应处理(SFAP)技术,从而确保实现最佳性能。

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GPS系统全面投入运行后,开始逐步实施现代化计划,其中M码和军用接收机作为主要的加密技术成为重点内容。在GPS现代化过程中,美军不仅在研发M码捕获技术、M码加密技术、选择可用性/防欺骗模块加密技术、防篡改技术和防欺骗技术等五大关键技术方面取得进展,同时也在开发和部署相应的M码接收设备。全面使用M码信号将显著提高GPS系统的抗干扰能力。

MGUE作为GPS现代化的重要组成部分,目前正处于高峰期的研发和生产阶段。各项演示验证试验也在如火如荼地进行,试装平台覆盖美国陆军、空军、海军、海军陆战队等。借助美军GPS系统强大的PNT能力,MGUE正在逐渐实现导航战这一构想,为美军联合作战和全域作战提供重要支持和保障。

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