GPS 和世界首场“太空战”

在 1991 年波斯湾战争期间，基于卫星的导航系统证明了其价值，但也导致了对“可干扰”的 GPS 技术的过度依赖，一些人如此认为

25 年前，美国领导的盟军发动了世界首场“太空战”，将伊拉克军队赶出了科威特。虽然实际战斗并没有发生在地球大气层的上层，但基于卫星的全球定位系统 (GPS)在 1991 年波斯湾战争期间，在盟军迅速瓦解萨达姆·侯赛因的军事力量方面发挥了关键作用。如果没有在天空中的轨道之眼，特别是美军在科威特和伊拉克数百公里荒凉、狂风肆虐的沙漠战场上进行导航、通信和制导武器将会困难得多。

GPS 将改变战争，并很快成为冒险家、运动员和通勤者的不可或缺的资产。事实上，该导航系统已经变得如此普遍，以至于五角大楼已经完全回归，并正在投资数千万美元来帮助军队克服其对该技术的严重依赖。GPS 的信号相对较弱，通常不可靠且容易受到干扰，也称为“干扰”。这促使国防高级研究计划局 (DARPA) 开始开发在无法使用卫星访问时也能发挥作用的导航辅助设备。

“我在哪里？”

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1991 年 1 月，在伊拉克入侵并占领邻国科威特使国际社会发出警报数月后，美国和十几个其他国家发起了“沙漠风暴”行动。为期数周的空袭行动对伊拉克的通信网络、武器工厂和炼油厂发动了隐形轰炸机、巡航导弹和激光制导的“智能”炸弹的袭击。然而，要将侯赛因的部队赶出科威特，需要进行地面作战，这对不习惯沙漠作战的盟军成员来说是一个艰巨的挑战。安东尼·马斯塔利尔上校说：“在海湾战争中，引入 GPS 对美军来说尤其及时，主要是为了解决一个古老的问题：我在哪里，我要去哪里？”他是美国空军航天司令部第 50 太空联队的副指挥官，基地位于科罗拉多州的施里弗空军基地。施里弗基地设有主控站，用于确定美国 GPS 卫星的轨道并更新其导航指令。“当像部队那样，你几乎没有地标或参考点时，这些信息就尤为重要。”

1991 年 2 月 24 日地面战役开始时，美军面临着几个挑战。首先，分配到向敌方防御工事发射导弹并为步兵部队扫清道路的美军炮兵部队，历史上需要一天左右的时间来勘测战场并设置弹药。在科威特，情况并非如此，因为步兵的装甲坦克、卡车和其他车辆移动迅速，能够以每小时 50 公里以上的速度行驶。这样的速度将需要快速设置、发射炮兵炮并将其移动到下一个地点。未能这样做意味着步兵在与伊拉克人交战之前将无法获得足够的炮兵支援。担心敌人会对盟军步兵使用化学武器，这更加强调了对高效炮兵掩护的需求。五角大楼指望 GPS 来帮助解决这个问题。

另一个挑战涉及美国地面战略的关键组成部分——将步兵和炮兵移动到沙漠中更加荒凉的地区，以便包抄和包围伊拉克部队。GPS 对于帮助地面部队“穿越伊拉克人不屑于防御的地形至关重要，因为他们认为没有人能找到穿过那里的路，”马克·德雷克，一位退役的美军空军少校说道，他曾在海湾战争期间担任第二太空作战中队的作战分析主管。该中队运营着施里弗的主控站以及控制和支持美国 GPS 卫星星座的全球监测站和地面天线网络。

爸爸妈妈，请寄 GPS 来

陆军决定依赖 GPS 是一场豪赌。一个全面运行的 GPS 星座需要 24 颗卫星，这是美国在 1995 年 4 月才实现的目标。1991 年初，美国空军的Navstar（使用计时和测距的导航系统）星座仅包括 16 颗卫星，其中 6 颗是旧的研发部门改造的，以帮助战争。与当今 24/7 的 GPS 覆盖不同，最初的 Navstar 星座中的卫星可以对齐足够长的时间，每天提供大约 19 个小时的覆盖。精度将在 16 米以内，误差或多或少，比早期的 GPS 系统的误差为几公里要好，但与当今的厘米级精度还不太一样。

除了信号问题外，GPS 接收器也供不应求。首先，只有 550 个PSN-8 便携式 GPS 接收器可供使用。幸运地获得便携式设备的部队将这些 8 公斤重的设备（每个耗资 45,000 美元）安装到他们的车辆上。第二个更便携的选择是 1.8 公斤的AN/PSN-10 小型轻便型 GPS 接收器 (SLGR)，或称“重击手”。军方大约有3,500 个由天宝导航公司制造的 SLGR 设备可用于海湾战争。“你会听到关于空军、海军和陆军人员让他们的父母寄给他们民用 GPS 接收器，以便他们可以在那里找到自己的出路的故事，”德雷克说，他目前在施里弗担任航天器运行支持经理。当他们在陌生的领土上机动时，他们会使用尼龙搭扣、螺丝或胶带将设备固定到他们的悍马或坦克上。最受欢迎的之一是3,000 美元的NAV 1000M 接收器，麦哲伦公司自 20 世纪 80 年代后期以来一直将其出售给划船者、徒步旅行者和其他冒险家。

GPS 如何工作

GPS 由三个部分组成：卫星、接收器和地面控制站。Navstar 目前有 31 颗运行卫星，它们每 12 小时在地球上方约 20,000 公里的轨道上运行。马斯塔利尔说，该星座使用六个等距轨道平面，每个平面有四到五颗卫星，并且在六个平面之间散布着几颗辅助卫星。GPS 卫星信号携带由其原子钟标记的时间码

s，它本质上是通过测量原子的振荡来保持时间的。时钟使 Navstar 星座中的每颗卫星都能持续广播一个信号，其中包括时间和卫星的预测位置。

GPS 接收器（无论是安装在海上的船只中还是嵌入在腕表中）通过测量至少四颗不同卫星广播的信号的相对时间延迟来计算其纬度、经度和高度。与此同时，地面控制包括六个监测站、四个地面天线和施里弗的主控站，后者通过地面天线与卫星通信。

导航胜利

虽然今天的 GPS 精度和可靠性比 25 年前要好得多，但盟军的豪赌得到了回报。在地面战争期间，地面战争只持续了大约 100 个小时，GPS 接收器在陆地导航和炮兵支援方面提供了很大帮助，这是伊拉克士兵所说的“钢铁雨”的大规模轰炸的一部分。GPS 补充甚至取代了炮兵测量员的罗盘、类似望远镜的瞄准圈、计算尺和其他行业工具。GPS 也是新炮兵武器的核心，包括陆军战术导弹系统，该系统在海湾战争期间首次亮相，射程约为 270 公里，并使用 Navstar 卫星制导来追踪目标。

事实证明，在帮助美国陆军第七军和第十八空降军发起侧翼机动方面，卫星导航发挥了重要作用。这次机动被不同的军事领导人称为“圣母玛利亚”行动或“左钩拳”行动，其中部队向伊拉克人预计联军进攻的科威特南部点以西很远的地方行进。当时，在4万辆坦克、布雷德利战车、榴弹炮和骑兵的部队中，只有3000台GPS设备可用。陆军部队在两天内穿过大部分未知的沙漠，行进了200多公里，然后在2月26日进行了决定性的73号东线战役，与伊拉克共和国卫队交战。这场战役的名字揭示了联军在到达敌军前是多么依赖先进的导航辅助设备——“73号东线”是沙漠中间的地图上的一条南北线，而不是城镇、道路或其他物理参考点。

GPS干扰

在海湾战争期间，联军部队也看到了GPS的最大弱点。例如，马斯塔利尔说，伊拉克部队在萨达姆·侯赛因的宫殿等标志性建筑的顶部安装了干扰器，以防止它们被击中。他补充说，这有助于军方尽早意识到，他们必须进一步开发激光制导弹药和其他在GPS不可用时可以获取目标的武器。干扰通过向信号传输中添加更多噪声来破坏接收器从卫星接收数据的能力。鉴于GPS信号在到达地球时通常很微弱，调整信噪比并不困难。这些信号被比作从大约20000公里外看到的一个25瓦灯泡发出的光。

在一定程度上，可以通过增加信号强度和使用能够更好地区分信号和噪声的天线来对抗干扰。然而，与此同时，五角大楼也认识到过度依赖基于卫星的GPS的危险。国防高级研究计划局 (DARPA) 在 1980 年代帮助小型化了 GPS 接收器，并开发了将 GPS 制导添加到弹药的方法，现在正在投资开发新型的惯性和自校准传感器，这些传感器可以在卫星服务不可用时继续准确地跟踪接收器的位置。这包括5000万美元的增强稳定性的原子钟 (ACES)计划，该计划旨在开发手机大小的便携式电池供电原子钟。目标是下一代时钟的稳定性比当前型号高 1000 倍，即使在与卫星通信断开的情况下，也能准确地维护设备中的时间和导航信息。