美國GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展淺析

趙超 劉春保（ 中國空間技術(shù)研究院 北京空間科技信息研究所）

2018年9月，美國空軍將價值72 億美元、涉及22 顆GPS-3F 衛(wèi)星的研發(fā)合同授予了洛馬公司（LM），但就GPS-3 衛(wèi)星的能力增量或新增功能，公開的內(nèi)容僅提及了三個方面，其一增加搜索救援載荷；其二增加激光反射器陣列；其三采用全數(shù)字化的有效載荷；對GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展沒有給出清晰的描述。本文試圖通過對GPS 現(xiàn)代化計劃、美國空軍導航技術(shù)衛(wèi)星-3（NTS-3）與GPS-3F 衛(wèi)星的綜合分析，探討美國GPS 系統(tǒng)的未來發(fā)展。

1 GPS 現(xiàn)代化計劃與NTS－3 項目

GPS 現(xiàn)代化計劃

GPS 現(xiàn)代化的目標包括兩個方面，一是增強現(xiàn)代化戰(zhàn)爭背景下，GPS 系統(tǒng)對美軍的支撐、保障作用；二是保持美國在全球民用衛(wèi)星導航領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導地位。主要任務(wù)包含3 個方面，一是增強、保障，即增強軍用導航信號的可靠性、安全性和抗干擾能力，更好地保證美軍及其盟國軍方可靠地使用GPS 服務(wù)；二是拒絕、阻止，即阻止敵方使用GPS 民用信號，干擾敵方使用其他衛(wèi)星導航服務(wù)；三是保持作戰(zhàn)區(qū)域外的民用用戶能夠正常使用GPS民用服務(wù)。

為實現(xiàn)GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化的目標，美國空軍采取了循序漸進的發(fā)展策略，兩個相鄰型號之間只增加少量的功能或能力增量，即保證GPS 系統(tǒng)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)GPS 現(xiàn)代化的目標，同時降低因功能或能力過快增加帶來的風險。

GPS 現(xiàn)代化計劃空間段衛(wèi)星發(fā)展過程

截至2019年10月，美國GPS 現(xiàn)代化計劃已經(jīng)進入最后階段，首顆GPS－3 衛(wèi)星已于2018年12月成功發(fā)射；并2018年9月簽署了GPS－3 衛(wèi)星后繼型號——GPS－3F 衛(wèi)星的研發(fā)合同（2018年，美國空軍將原GPS－3 系列衛(wèi)星的3 個型號調(diào)整為2 個，即GPS－ 3 和GPS－ 3F），首顆GPS－ 3F 衛(wèi)星計劃于2026年交付，2027年首次發(fā)射，至2034年左右完成全部22 顆GPS－3F 衛(wèi)星的部署。

從GPS－3 衛(wèi)星裝備的功能和能力來看，GPS現(xiàn)代化計劃中尚未實現(xiàn)或尚未具備的主要能力包括：點波束功率增強、高速星間/星地鏈路。從研發(fā)已經(jīng)披露的信息看，GPS－F 衛(wèi)星新增了在軌升級和信號重構(gòu)能力。因此，GPS－3F 衛(wèi)星還應當增加點波束功率增強和高速星間/星地鏈路兩個能力增量。

導航技術(shù)衛(wèi)星－3 項目

導航技術(shù)衛(wèi)星－3（NTS－3）是繼NTS－1、NTS－2 兩個導航技術(shù)試驗衛(wèi)星項目（上述兩個項目分別在1974、1977年發(fā)射，主要開展了空間原子鐘技術(shù)的演示驗證，有效支撐了GPS 系統(tǒng)的發(fā)展）后，開展的第三個衛(wèi)星導航技術(shù)演示驗證項目。NTS－3項目主要由兩部分組成，一是NTS－3 衛(wèi)星，二是地面運行管理與控制系統(tǒng)，計劃于2022年發(fā)射，進行為期1年的空間飛行演示驗證。

2017年6月，美國空軍研究實驗室將價值9500萬美元的NTS－3 項目地面控制系統(tǒng)的合同授予了布萊克頓技術(shù)公司（Braxton），目標是在未來軍事作戰(zhàn)中保證衛(wèi)星導航系統(tǒng)在電磁干擾、欺騙和賽博攻擊環(huán)境下可靠的支持衛(wèi)星導航系統(tǒng)的運行，探索新的方案運行控制技術(shù)，包括：導航衛(wèi)星星歷主動控制技術(shù)、備選TT＆C 與地面運行控制技術(shù)、搭載載荷技術(shù)；開展廣泛的科學技術(shù)試驗，包括：太空、地面與賽博空間的整合、先進信號、精確軌道確定條件下的主動機動、戰(zhàn)術(shù)TT＆C、區(qū)域信號等。

NTS－1、NTS－2 與NTS－3 衛(wèi)星

2019年1月17日，美國空軍研究實驗室和空間與導彈系統(tǒng)中心選擇哈里斯公司（Harris）作為NTS－3 衛(wèi)星的主承包商，采用諾格公司（Northrop Grumman）的ESPAStar 平臺，主要試驗驗證項目包括：高增益天線技術(shù)、大功率固態(tài)放大器技術(shù)、敏捷數(shù)字化有效載荷技術(shù)和先進原子鐘技術(shù)，衛(wèi)星將部署在地球靜止軌道。

（1）軍用高增益天線項目

高增益天線項目主要思路是：

1）采用可展開相控陣天線，特點是小尺寸陣元、陣元間的高效相移控制、使用現(xiàn)有的放大器、雙工器和展開機構(gòu)。

2）電子控制的地球指向陣列，特點是模塊化、高效的零部件、互干擾消除裝置與高增效放大器。

3）可展開反射器相控陣饋電，特點是模塊化三級結(jié)構(gòu)、最小化裝配工具包、被動展開機構(gòu)、收縮狀態(tài)折疊方式。

（2）GPS 先進L 頻段放大器技術(shù)

GPS先進L頻段放大器技術(shù)也將為信號功率增強，改善衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號功率過低這一固有的脆弱性提供支持。美國空軍認為，該領(lǐng)域的決定性因素包括：

1）相同信號強度下的低航天器功率：低質(zhì)量/成本的電源系統(tǒng)；

2）改善相同信號強度效率：實現(xiàn)密集布置、降低對熱子系統(tǒng)的要求；

3）增加抗干擾信號強度；

4）減少放大器零部件數(shù)量。

2014年，先進L 頻段放大器的研發(fā)合同分別授予了鮑爾公司（PCC）、波音公司（Boeing）和諾格公司。2017年其技術(shù)成熟度已經(jīng)達到了5 級。

GPS 先進L 頻段放大器指標

（3）靈活數(shù)字化有效載荷

靈活數(shù)字化有效載荷項目以GPS 系統(tǒng)當前有效載荷的數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)在軌可重新編程數(shù)字波形生成器（ORDWG）。ORDWG 的招標公告于2015年4月發(fā)布，2016年1月研發(fā)合同授予了多家公司。

美國空軍要求ORDWG 具有如下能力：

1）靈活的抗干擾、抗欺騙信號方法；

2）延緩衛(wèi)星的老化或退化（包括衛(wèi)星適應任務(wù)變化的能力，使已在軌工作的衛(wèi)星可以按任務(wù)要求生成新的信號以滿足新任務(wù)要求，還有解決系統(tǒng)升級周期過長或新能力投入運行周期過長等問題）；

3）滿足未來先進信號的處理要求；

4）降低導航衛(wèi)星發(fā)展過程中因設(shè)計改變造成的成本增加。

（4）空間原子鐘技術(shù)

目標是探索先進原子鐘技術(shù)，使原子鐘的頻率穩(wěn)定性較當前的銣原子鐘提高一個數(shù)量級，并強調(diào)原子鐘的可制造性和材料的可用性。參與空間原子鐘技術(shù)研發(fā)的包括DARPA、NASA 的噴氣推進實驗室（JPL）、美國標準和技術(shù)國家研究所、海軍天文臺、海軍研究實驗室等。該項目已經(jīng)完成了多種技術(shù)途徑的分析、研究；同時提出應長期投資于原子鐘科學與技術(shù)的研究項目。

從當前美國原子鐘技術(shù)，特別是空間原子發(fā)展的角度看，NASA 噴氣推進實驗室的汞離子鐘項目、DARPA 的冷原子鐘和相干布居囚禁原子鐘項目等成為NTS－3 先進空間原子鐘技術(shù)驗證項目的可能性較高，其中NASA 噴氣推進實驗室為深空探測航天器研發(fā)的汞離子鐘技術(shù)已經(jīng)基本接近成熟，其精度、體積、質(zhì)量和功耗等均滿足衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間原子鐘的要求。

綜上所述，美國空軍計劃NTS－3 項目于2022年發(fā)射，對上述關(guān)鍵技術(shù)進行演示驗證，而首顆GPS－3F 衛(wèi)星的發(fā)射時間為2027年。因此從時間上看，NTS－3 項目進行的關(guān)鍵技術(shù)演示驗證的主要目的即是為GPS－3F 衛(wèi)星的研發(fā)提供支撐。

2 GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展關(guān)鍵能力增量分析

按當前的發(fā)射、部署計劃，GPS－3F 衛(wèi)星的發(fā)射、部署將從2027年持續(xù)至2034年左右。因此，在不發(fā)生計劃拖延的情況下，GPS－3 系列衛(wèi)星將作為主力型號支撐GPS 系統(tǒng)運行至2040－2045年左右，可以說GPS-3 系列衛(wèi)星，特別是GPS－3F 衛(wèi)星基本代表了未來25年左右GPS 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

點波束信號功率增強—GPS－3F 必備的核心能力增量

按GPS 現(xiàn)代化計劃，點波束信號功率增強是GPS 系統(tǒng)增強導航戰(zhàn)能力的重要手段，是美軍應對未來強對抗戰(zhàn)場環(huán)境所必需的能力，計劃裝備GPS－3C 衛(wèi)星。GPS－3 系列衛(wèi)星從3 個型號調(diào)整為2 個型號后，該功能理應由GPS－3F 衛(wèi)星實現(xiàn)。同時，信號功率增強技術(shù)也是NTS－3 項目的重點，安排了軍用高增益天線、先進L 頻段放大器等2 項信號功率增強關(guān)鍵技術(shù)的演示驗證也說明了美軍對點波束信號功率增強的重視。因此，點波束信號功率增強必定成為GPS－3F 必備的核心能力。

在軌升級與信號重構(gòu) —增強GPS 系統(tǒng)任務(wù)變化適應能力與體系彈性的關(guān)鍵支撐

GPS－ 3 衛(wèi)星有效載荷的數(shù)字化率已經(jīng)達到70%；GPS－ 3F 衛(wèi)星有效載荷的數(shù)字化率將達到100%，且在在軌編程技術(shù)、軟件無線電技術(shù)共同支持下使GPS－3F 衛(wèi)星具備在軌升級與信號重構(gòu)能力。該能力在提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務(wù)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性方面將發(fā)揮重要作用，并將對導航戰(zhàn)能力、體系彈性等構(gòu)成有效支撐。

定位精度將進入亞米級——多項技術(shù)支撐GPS 服務(wù)性能的顯著提升

GPS－3 衛(wèi)星已經(jīng)裝備了脈沖光抽運銫束鐘、用于高精度定軌的激光反射器陳列，提高星歷精度，改進修正模型；在NTS－ 3 項目中計劃開展先進空間原子鐘（預計NASA 噴氣推進實驗室研發(fā)的汞離子鐘為首選項目）和運行控制技術(shù)、高精度星歷等項目的演示驗證，使GPS 系統(tǒng)水平定位精度達到0.5～0.6m 的水平，鞏固其在全球衛(wèi)星導航領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導地位。

裝備新的運行控制能力——僅利用美國本土設(shè)施即實現(xiàn)GPS 系統(tǒng)的高精度運行控制

為應對GPS 系統(tǒng)海外運行控制設(shè)施全面故障或未來戰(zhàn)爭中被摧毀的情況，以及出于降低GPS 系統(tǒng)運行管理與控制成本的目的，美國空軍計劃僅利用本土的GPS 運行控制設(shè)施，通過GPS－3F 衛(wèi)星裝備的高速星間/星地鏈路實現(xiàn)GPS 系統(tǒng)的高精度運行控制。

由此可見，美軍時刻以滿足未來強對抗戰(zhàn)場環(huán)境下的軍事需求為核心，以滿足未來高精度、高可靠民用衛(wèi)星導航需求為第二目標，持續(xù)推進GPS 系統(tǒng)的發(fā)展，保持美國在全球衛(wèi)星導航領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導地位。

3 GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

聚焦基本導航服務(wù)，重視GPS 系統(tǒng)服務(wù)性能與全球競爭能力的提升

隨著四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)全部投入運行與服務(wù)，以及區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的快速發(fā)展，全球衛(wèi)星導航領(lǐng)域市場的競爭進一步加劇，而市場競爭的成敗關(guān)系著衛(wèi)星導航系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導航領(lǐng)域的地位與作用，并形成對國家政治、經(jīng)濟、軍事和外交影響力的支撐。因此，作為市場競爭能力重要標志的服務(wù)性能就成為未來衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展、競爭的重要焦點之一。

通過裝備新一代脈沖光抽運銫束鐘、數(shù)字化導航有效載荷、激光反射器陳列（用于實現(xiàn)精確定軌）等技術(shù)手段，美國GPS－3 系列衛(wèi)星的定位精度將提升3 倍；俄羅斯裝備新一代GLONASS－K 系列衛(wèi)星裝備高精度、小型化被動氫鐘原子鐘，并播發(fā)新的CDMA 導航信號；歐洲正在積極開展空間冷原子鐘的研發(fā)，以提高時間頻率系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定度。因此，聚焦基本導航服務(wù)，重視增強服務(wù)性能與競爭能力的提升就成為GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展的重點之一。

構(gòu)建滿足未來任務(wù)與需求變化的能力，增強GPS系統(tǒng)與服務(wù)的彈性

滿足任務(wù)與需求變化的能力是衛(wèi)星導航系統(tǒng)適應未來軍事與民用衛(wèi)星導航需求快速發(fā)展、變化的核心能力之一，已經(jīng)成為GPS－3F 衛(wèi)星重要的核心能力增項。首先，雖然在衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展過程中，已經(jīng)對未來軍事與民用定位導航授時的需求進行了充分的論證，但是在科學技術(shù)快速發(fā)展的今天，人們難以對未來10年、20年的定位導航授時需求做出準確的描述。第二，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)一般由30 顆左右的衛(wèi)星組成，其維持與發(fā)展需要大量、持續(xù)的投入。因而，為降低衛(wèi)星導航系統(tǒng)維持與發(fā)展的成本，各衛(wèi)星導航系統(tǒng)均追求衛(wèi)星的高可靠、長壽命。美國GPS－3 衛(wèi)星的設(shè)計壽命已經(jīng)達到15年（對比之前的GPS－2A、GPS－2R 衛(wèi)星設(shè)計壽命7.5年，提高了1 倍），歐洲“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)衛(wèi)星的設(shè)計壽命也達到了10年或以上。設(shè)計壽命的提升有效地降低了系統(tǒng)的維持與發(fā)展成本，卻產(chǎn)生了一個新問題：衛(wèi)星導航系統(tǒng)的更新、升級時間過長。以美國GPS 系統(tǒng)為例，從2005年首顆具有新一代軍用M 碼信號播發(fā)能力的GPS-2RM 衛(wèi)星發(fā)射至今已經(jīng)超過14年，但GPS星座中具有M 碼播發(fā)能力的衛(wèi)星只有19 顆（2顆GPS－3 衛(wèi)星仍未投入運行），未能形成全面運行能力，嚴重影響了GPS 系統(tǒng)能力的升級。因此，要求導航衛(wèi)星系統(tǒng)及其服務(wù)具有一定的“彈性”，從而實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)功能與服務(wù)的快速升級。

為滿足快速發(fā)展變化的軍事與民用定位導航授時需求，縮短空間星座升級的周期，美國空軍以全數(shù)字化的導航有效載荷技術(shù)、在軌可編程技術(shù)和軟件無線電技術(shù)為基礎(chǔ)，正在研發(fā)GPS 衛(wèi)星的在軌升級與信號重構(gòu)，并在NTS－3 項目中開展了靈活數(shù)字化有效載荷的演示驗證，未來均將用于支撐GPS－3F衛(wèi)星的發(fā)展。

賽博安全能力將成為GPS 系統(tǒng)導航戰(zhàn)能力的核心支撐

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，是國家天地一體化信息體系的重要組成部分，其提供的覆蓋地球及近地軌道空間的高精度定位導航授時服務(wù)與統(tǒng)一的時間、空間基準是軍事能力的倍增器，是國民經(jīng)濟高效、穩(wěn)定運行與增長的助推器。因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行是保障國家安全與經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

作為賽博空間的組成部分，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地面運行控制段與通信、指揮鏈路正面臨著日益嚴重的賽博安全問題。特別是在賽博空間成為與陸、海、空、天并列的第五作戰(zhàn)域后，世界各國均在大力發(fā)展賽博空間作戰(zhàn)能力，且賽博空間的作戰(zhàn)能力已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭勝負的重要因素，而作為重要空間基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星導航系統(tǒng)也必將成為敵方賽博攻擊的重要目標。因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)賽博安全防護已經(jīng)成為影響、甚至決定衛(wèi)星導航系統(tǒng)能否安全、穩(wěn)定、可靠地運行并提供服務(wù)的重要保障，甚至成為影響或決定衛(wèi)星導航系統(tǒng)控制權(quán)的重要因素。

從衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行的角度看，衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定與可靠需要地面運行控制系統(tǒng)的全面支持，包括精確的定軌定姿、時間同步、導航電文與數(shù)據(jù)等。如果運行控制系統(tǒng)不能有效地防御賽博攻擊，則衛(wèi)星導航系統(tǒng)只能采取自主導航模式，而在此情況下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務(wù)性能將隨時間的增加而降低。

從導航戰(zhàn)功能實現(xiàn)的角度看，包括導航拒止、功率增強、在軌可編程與信號重構(gòu)在內(nèi)的當前衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)具備或正在研發(fā)的導航戰(zhàn)功能均需按照地面運行控制系統(tǒng)的指令運行。如果不能有效地防御賽博攻擊，運行控制系統(tǒng)將不能保證對空間星座、衛(wèi)星實施有效的運行管理與控制，更不能保證按需求啟動與使用導航戰(zhàn)功能。因此，賽博安全能力將成為應用導航戰(zhàn)功能與遂行導航戰(zhàn)能力的核心支撐。