美國的第二代GPS衛(wèi)星是實用的工作星，它包括GPS-II、GPS-IIA、GPS-IIR和GPS-IIF這4種不斷改進(jìn)的型號。從1989年發(fā)射GPS-II衛(wèi)星以來，共發(fā)射了約40顆衛(wèi)星，其中成功入軌的GPS-II衛(wèi)星為9顆，GPS-IIA為20顆，GPS-IIR為7顆。GPS-IIF計劃定購33顆，預(yù)計2008年發(fā)射*顆衛(wèi)星。
　　
　　與早期在軌驗證試驗衛(wèi)星相比，第二代GPS衛(wèi)星（GPS-II/IIA）的在軌重量增加到1665kg，電源功率（壽命末期）增加到710W，確保壽命延長到7.5年，設(shè)計壽命10年。MEO軌道的高度仍保持在20200km，但傾角改為55o，軌道面由3個變?yōu)?個。運載火箭改用更大推力的德爾它6925/7925和德爾它-2型一箭一星發(fā)射入軌，然后由星上固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機送入工作軌道。第二代衛(wèi)星上還加載了核爆炸探測裝置。
　　
　　為保持GPS系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，美*20多年來始終采取研發(fā)一代、改進(jìn)一代和部署一代同時并舉的方針，每代之間的時間間隔大約為10年。例如1987年*將GPS-IIR衛(wèi)星的研發(fā)和采購合同授予馬丁·瑪麗埃塔（當(dāng)時的通用電氣公司宇航部）公司，1997年首顆GPS-IIR衛(wèi)星投入運營。同時又在1996年啟動改進(jìn)型GPS-IIF衛(wèi)星計劃。目前正在策劃發(fā)展第三代GPS衛(wèi)星。
　　
　　1、GPS-IIR衛(wèi)星主要技術(shù)
　　
　　GPS-IIR衛(wèi)星的中心本體是一個邊長約為1.8m的立方體，太陽帆板跨度約9m。其有效載荷功耗為1136kW（壽命末期）。衛(wèi)星起飛重量2032kg，在軌重量1066.5kg，裝填固體發(fā)動機燃料約950kg。姿軌控系統(tǒng)采用三軸穩(wěn)定和偏航控制，裝有16臺推力器及若干推進(jìn)劑貯罐。推進(jìn)系統(tǒng)為固體遠(yuǎn)地點發(fā)動機，約占衛(wèi)星總重的一半。有效載荷各單元功能如表1所示，有效載荷包括星鐘產(chǎn)生導(dǎo)航信息到發(fā)往用戶的全系統(tǒng)鏈路及其4個子系統(tǒng)（任務(wù)數(shù)據(jù)單元、互聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)據(jù)鏈路、時間基準(zhǔn)裝置和L頻段子系統(tǒng)）。表2列出了*、二代GPS所用星鐘的技術(shù)指標(biāo)。
　　
　　表1GPS-IIR有效載荷各單元功能
　　
　　單元功能
　　
　　原子頻率標(biāo)準(zhǔn)為所有GPS信號提供的、穩(wěn)定的、可靠的測時
　　
　　星上處理產(chǎn)生導(dǎo)航信息，進(jìn)行星歷計算、數(shù)據(jù)加密，產(chǎn)生P和C/A碼，檢測有效載荷健康，提供鐘差校正
　　
　　軟件實現(xiàn)星上處理功能從地面站調(diào)整程序
　　
　　L-頻段系統(tǒng)產(chǎn)生和調(diào)制L1、L2、L3信號并把它們組合發(fā)向地球
　　
　　交叉鏈路提供衛(wèi)星-衛(wèi)星間通信和測距
　　
　　自主導(dǎo)航當(dāng)沒有地面正常通信時提供自主運行
　　
　　表2*、二代GPS所用星鐘技術(shù)指標(biāo)
　　
　　AFS類型可靠性要求體積（長/寬/高）/mm重量/kg功耗/W
　　
　　RbGPSBlock-I0.763127/152.4/190.54.48924.75
　　
　　CsGPSBlock-I（1）0.663134.62/383.54/198.1210.44422.00
　　
　　RbGPSBlock-II0.763134.62/383.54/198.124.48924.75
　　
　　CsGPSBlock-II0.663134.62/383.54/198.1210.44422.00
　　
　　RbGPSBlock-IIA0.763127/152.4/190.54.48924.75
　　
　　CsGPSBlock-IIA0.663134.62/383.54/198.1210.44422.00
　　
　　CsGPSBlock-IIA0.750134.62/383.54/198.1210.44422.00
　　
　　RbGPSBlock-IIR0.763215.9/142.24/157.485.22215
　　
　　CsGPSBlock-IIR0.775419.1/139.7/133.358.20626
　　
　　注：表中Rb為銣鐘，Cs為銫鐘；只有zui后4顆Block-1攜帶銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)
　　
　　2、GPS-IIR的改進(jìn)
　　
　　GPS-IIR與GPS-II/2A等型號衛(wèi)星比較，其zui大改進(jìn)是增加了兩大功能，從而使GPS-IIR的能力有了巨大飛躍：一是增加了時間保持系統(tǒng)（TKS），二是自主導(dǎo)航能力。
　　
　　（1）星鐘
　　
　　星鐘或時間基準(zhǔn)裝置（AFS）是整個有效載荷的心臟，它提供確保GPS導(dǎo)航精度所需的時間。GPS-IIR裝有2臺銣鐘和1臺銫鐘。GPS系統(tǒng)對星鐘的關(guān)鍵需求是與相對應(yīng)的GPS時間保持6ns度。為達(dá)到這一要求，設(shè)計者將2臺銣鐘和1臺銫鐘集成到有效載荷中的時間保持系統(tǒng)（TKS）內(nèi)，而且3臺星鐘之間互為備份，以確保這一關(guān)鍵設(shè)備不會因1臺失效而導(dǎo)致全系統(tǒng)失靈。
　　
　　（2）任務(wù)數(shù)據(jù)單元
　　
　　任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU）是整個有效載荷的大腦。它是星歷計算、數(shù)據(jù)加密、導(dǎo)航信息生成、P碼和C/A碼生成、有效載荷健康狀況監(jiān)測和星鐘誤差校正等所有任務(wù)功能的集成單元。它采用工作在16MHz頻段的MIL-STD1750A抗輻射加固*處理器，軟件由ADAHOL寫入25000行代碼。與前幾種GPS型號軟件相比，該軟件極其龐大和復(fù)雜，能自主完成以前必須由地面控制段完成的180天自主導(dǎo)航功能，還可以作為以前要由處理器處理的各種硬件與軟件的接口。
　　
　　（3）L頻段系統(tǒng)
　　
　　L頻段系統(tǒng)由3臺編號為L1、L2和L3頻率的發(fā)射機組合而成。其中L1和L2頻率用于GPS導(dǎo)航任務(wù)，L3頻率用于核爆炸探測系統(tǒng)。L1頻率為1575.42MHz，L2為1227.60MHz，L3為1381.05MHz。GPS-IIR的L頻段系統(tǒng)包括10個單元組件，L1/L2頻率合成器、L1調(diào)制器/中功率放大器（MOD/IPA）、L2MOD/IPA；L1大功率行波管放大器（HPA）、L2HPA、L1/L2dc/dc變換器、L3頻率合成器/MOD/IPA/變換器、L3HPA、L3天文帶寬抑制濾波器和3臺發(fā)射機共用天線互擾消除裝置。
　　
　　（4）L頻段天線
　　
　　L頻段衛(wèi)星天線設(shè)計用于向地球及其周邊空域上的海陸空天用戶發(fā)射經(jīng)過合成處理的L1、L2信號。該天線系統(tǒng)是一種寬帶、固定波束天線，以L1、L3和L3頻率提供覆蓋，天線始終指向地球，從GPS衛(wèi)星高度的視角為27.7o，指向誤差控制在小于±0.015o以內(nèi)，因此，具有足夠增益、視角大于28o的固定波束天線可滿足GPS衛(wèi)星的要求。
　　
　　（5）星間鏈路
　　
　　GPS-IIR衛(wèi)星的重大改進(jìn)是增加了星間鏈路，以提供各衛(wèi)星之間的通信和測距。為此，每顆GPS-IIR衛(wèi)星上都裝有一個用于星間鏈路通信與測距功能的互聯(lián)轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)據(jù)單元（CTDU）。它有雙重功能，一是為星上自主導(dǎo)航和在2R衛(wèi)星間交換自主導(dǎo)航狀態(tài)矢量數(shù)據(jù)；二是限于導(dǎo)航數(shù)據(jù)生成（NDS）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。自主導(dǎo)航負(fù)責(zé)向用戶接收機提供星上計算的導(dǎo)航參數(shù)，自主導(dǎo)航狀態(tài)矢量信息包括開普勒軌道參數(shù)和星鐘狀態(tài)數(shù)據(jù)兩部分。由于GPS星座系統(tǒng)中目前仍在軌工作的GPS-IIA衛(wèi)星沒有星間鏈路功能，因此只有GPS星座布滿2R衛(wèi)星時才能提供一種能在沒有地面控制段參與的180天期間保持自主導(dǎo)航的能力，在此期間的用戶測距誤差（URE）仍能保持小于6m。
　　
　　（6）自主導(dǎo)航
　　
　　在GPS-IIR之前所有型號衛(wèi)星都沒有自主導(dǎo)航功能，所有衛(wèi)星廣播的導(dǎo)航信息都由地面控制段的上行注入站每天注入一次。在這些導(dǎo)航信息中包含的星鐘與星歷參數(shù)都是基于控制段的當(dāng)時估算進(jìn)行預(yù)報的，而GPS-IIR衛(wèi)星的重大改進(jìn)就是能夠在星上自動預(yù)估星鐘與星歷參數(shù)，并生成導(dǎo)航信息。這種能力叫作自主導(dǎo)航或自動導(dǎo)航（AutoNav）。美國開發(fā)自主導(dǎo)航能力的主要動機有如下四方面：
　　
　　一是提高GPS系統(tǒng)的生存能力。美國認(rèn)為地面控制段是GPS系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，一旦遭到攻擊將使整個系統(tǒng)癱瘓。自主導(dǎo)航能保障GPS在失去地面支持的條件下，自主運行180天，且能滿足導(dǎo)航精度要求；這種能力還允許任一地面監(jiān)控站*損失而不影響正常的導(dǎo)航功能。
　　
　　二是減少上行注入要求。上行注入站上只需發(fā)送很少數(shù)據(jù)。
　　
　　三是完好性。星間鏈路測距功能提供了一種能與其星鐘和星歷參數(shù)比對的獨立參考基準(zhǔn)。
　　
　　四是精度。由于自主導(dǎo)航功能能夠每小時4次更新星歷與星鐘參數(shù)，和現(xiàn)有的每天更新一次相比，將有助于改進(jìn)導(dǎo)航精度。
　　
　　3、GPS-IIF性能參數(shù)
　　
　　1996年4月美國*將GPS-IIF項目的合同授予洛克韋爾公司（即現(xiàn)在的波音公司）和計算機科學(xué)聯(lián)合公司（地面部分），以便在21世紀(jì)初發(fā)展、驗證、部署和支持GPS系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，并保持與現(xiàn)存GPS的兼容性。GPS-IIF計劃生產(chǎn)33顆衛(wèi)星，首顆衛(wèi)星原定2003年發(fā)射，但由于過去幾年軍用和民用需求變化以及導(dǎo)航戰(zhàn)和GPS現(xiàn)代化計劃的需要，GPS-IIF衛(wèi)星設(shè)計有一些新的改進(jìn)計劃，加上GPS星座運行狀況及補網(wǎng)計劃允許推遲，預(yù)計首星發(fā)射時間將會推遲到2008年。目前*訂購的GPS-IIF衛(wèi)星為16顆。*打算再增購17顆衛(wèi)星，使GPS-IIF星座運行到2015年，然后由新一代GPS-3衛(wèi)星接替，根據(jù)這一設(shè)想，原定2011年前發(fā)射的GPS-3衛(wèi)星將被推遲。
　　
　　GPS現(xiàn)代化計劃包括對民用和軍用兩方面。
　　
　　民用方面，總的目標(biāo)是使GPS成為具有競爭力的標(biāo)準(zhǔn)，占領(lǐng)GPS民用市場，采取的措施是解除對GPS民用信號的SA干擾，使目前民用導(dǎo)航精度由原來的100m，提高到20m，將來zui終將達(dá)到10m；增加兩種新的民用信號，使民用用戶可用雙頻接收改善電離層誤差，實現(xiàn)民用導(dǎo)航精度的大幅度提高。
　　
　　軍用方面，主要目標(biāo)是增強抗*力和提高全系統(tǒng)的生存能力，戰(zhàn)爭或危機時刻，阻止敵對勢力利用GPS導(dǎo)航信息和對GPS系統(tǒng)的惡意干擾或攻擊。目前采取的措施主要有：將軍碼和民碼信號*分開；增加或引入兩種軍用信號，增強衛(wèi)星信號強度；采取綜合措施（包括空間段、地面段和用戶段）增強GPS的抗*力。
　　
　　為此，美國*已經(jīng)決定對庫存的14顆GPS-IIR衛(wèi)星進(jìn)行改進(jìn)。首顆裝有新的軍用M碼和改進(jìn)民碼的GPS-IIR-M衛(wèi)星將于2003年發(fā)射，這批改進(jìn)衛(wèi)星的信號發(fā)射功率將比原有GPS-IIR提高4倍。
　　
　　GPS-IIF衛(wèi)星的改進(jìn)設(shè)計主要是為了滿足導(dǎo)航戰(zhàn)的要求。隨著美軍對GPS的日趨依賴，美國越來越擔(dān)心GPS系統(tǒng)被敵方所用或被敵方干擾，因此美國*決定撥款7億美元對已經(jīng)設(shè)計定型的2F衛(wèi)星進(jìn)行改進(jìn)。首先在空間段將衛(wèi)星信號發(fā)射功率提高到原設(shè)計的10倍，軍用導(dǎo)航精度可以從15m提高到優(yōu)于7m。同時還打算在GPS-IIF衛(wèi)星上使用小功率原子鐘，加載星載偽衛(wèi)星，采用星間鏈路和自主導(dǎo)航新技術(shù)，使GPS系統(tǒng)在沒有地面控制段支持的情況下，自主運行60～180天。對GPS-IIF衛(wèi)星的改進(jìn)已經(jīng)耗盡了幾乎所有的功率和重量設(shè)計余量。
　　
　　在地面用戶段，將對GPS軍用接收機采取射頻干擾檢測告警技術(shù)、前端濾波技術(shù)、碼環(huán)和載波環(huán)跟蹤增強技術(shù)和天線增強技術(shù)等抗干擾措施，增強接收機終端的抗*力。
　　
　　為防止GPS系統(tǒng)癱瘓后對美軍造成的災(zāi)難性影響，美國*已經(jīng)確定了兩套可以暫時替代GPS的備份方案。一是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和增強型定位系統(tǒng)（EPLS）。前者是一種*自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)作為方案。美軍的很多武器系統(tǒng)都配備了GPS/INS綜合導(dǎo)航功能，二者互相補充，且有*的保密功能。EPLS是一種*的無線電裝置，帶有一定自主導(dǎo)航能力，在出現(xiàn)針對GPS干擾的電子戰(zhàn)情況下，是一種有效的備份方案。
　　
　　GPS-IIF衛(wèi)星主要的設(shè)計特點是繼承性、靈活性和兼容性。
　　
　　為提高批量生產(chǎn)能力，GPS-IIF采用模塊化設(shè)計，各種有效載荷配置在兩塊面板上。其設(shè)計壽命延長到15年。GPS-IIF為進(jìn)一步改進(jìn)留有很大的余量，其中未分配重量余額為135~180kg，電源功率余額為275~1000W，并且采用經(jīng)過飛行驗證的算法和RF元器件。GPS-IIF的L頻段功率電平與GPS-IIA相同。運載火箭采用中等推力的新型EELV（德爾它-4M或宇宙神-5）。GPS-IIF的用戶測距誤差（URE）為3m。星座具有星間鏈路和自主導(dǎo)航能力，具備快速的在軌重編程能力。為增加M碼和L5民用信號，以及提供更強的抗*力，GPS-IIF提供了比較寬裕的設(shè)計余量。
　　
　　GPS-IIF衛(wèi)星發(fā)射重量：2170kg（含153kg未分配重量），干重1170kg（含153kg未分配重量），電源功率為2440W（壽命末期）或1510W（不包含275~1000W的設(shè)計余量）。
　　
　　隨著導(dǎo)航戰(zhàn)和電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，對美國GPS系統(tǒng)的攻防與抗干擾技術(shù)還會在第三代GPS中得到更大的發(fā)展。