美國GPS 系統未來發展淺析

趙超 劉春保（ 中國空間技術研究院 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 衛星的研發合同授予了洛馬公司（LM），但就GPS-3 衛星的能力增量或新增功能，公開的內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；其三采用全數字化的有效載荷；對GPS 系統未來發展沒有給出清晰的描述。本文試圖通過對GPS 現代化計劃、美國空軍導航技術衛星-3（NTS-3）與GPS-3F 衛星的綜合分析，探討美國GPS 系統的未來發展。

1 GPS 現代化計劃與NTS－3 項目

GPS 現代化計劃

GPS 現代化的目標包括兩個方面，一是增強現代化戰爭背景下，GPS 系統對美軍的支撐、保障作用；二是保持美國在全球民用衛星導航領域的領先與主導地位。主要任務包含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；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星導航服務；三是保持作戰區域外的民用用戶能夠正常使用GPS民用服務。

為實現GPS 系統現代化的目標，美國空軍采取了循序漸進的發展策略，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 系統的不斷發展，實現GPS 現代化的目標，同時降低因功能或能力過快增加帶來的風險。

GPS 現代化計劃空間段衛星發展過程

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

從GPS－3 衛星裝備的功能和能力來看，GPS現代化計劃中尚未實現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。從研發已經披露的信息看，GPS－F 衛星新增了在軌升級和信號重構能力。因此，GPS－3F 衛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。

導航技術衛星－3 項目

導航技術衛星－3（NTS－3）是繼NTS－1、NTS－2 兩個導航技術試驗衛星項目（上述兩個項目分別在1974、1977年發射，主要開展了空間原子鐘技術的演示驗證，有效支撐了GPS 系統的發展）后，開展的第三個衛星導航技術演示驗證項目。NTS－3項目主要由兩部分組成，一是NTS－3 衛星，二是地面運行管理與控制系統，計劃于2022年發射，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 項目地面控制系統的合同授予了布萊克頓技術公司（Braxton），目標是在未來軍事作戰中保證衛星導航系統在電磁干擾、欺騙和賽博攻擊環境下可靠的支持衛星導航系統的運行，探索新的方案運行控制技術，包括：導航衛星星歷主動控制技術、備選TT＆C 與地面運行控制技術、搭載載荷技術；開展廣泛的科學技術試驗，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、戰術TT＆C、區域信號等。

NTS－1、NTS－2 與NTS－3 衛星

2019年1月17日，美國空軍研究實驗室和空間與導彈系統中心選擇哈里斯公司（Harris）作為NTS－3 衛星的主承包商，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、大功率固態放大器技術、敏捷數字化有效載荷技術和先進原子鐘技術，衛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、使用現有的放大器、雙工器和展開機構。

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構、最小化裝配工具包、被動展開機構、收縮狀態折疊方式。

（2）GPS 先進L 頻段放大器技術

GPS先進L頻段放大器技術也將為信號功率增強，改善衛星導航系統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：低質量/成本的電源系統；

2）改善相同信號強度效率：實現密集布置、降低對熱子系統的要求；

3）增加抗干擾信號強度；

4）減少放大器零部件數量。

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

GPS 先進L 頻段放大器指標

（3）靈活數字化有效載荷

靈活數字化有效載荷項目以GPS 系統當前有效載荷的數字化技術為基礎，研發在軌可重新編程數字波形生成器（ORDWG）。ORDWG 的招標公告于2015年4月發布，2016年1月研發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）延緩衛星的老化或退化（包括衛星適應任務變化的能力，使已在軌工作的衛星可以按任務要求生成新的信號以滿足新任務要求，還有解決系統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）降低導航衛星發展過程中因設計改變造成的成本增加。

（4）空間原子鐘技術

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

從當前美國原子鐘技術，特別是空間原子發展的角度看，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的汞離子鐘技術已經基本接近成熟，其精度、體積、質量和功耗等均滿足衛星導航系統空間原子鐘的要求。

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

2 GPS 系統未來發展關鍵能力增量分析

按當前的發射、部署計劃，GPS－3F 衛星的發射、部署將從2027年持續至2034年左右。因此，在不發生計劃拖延的情況下，GPS－3 系列衛星將作為主力型號支撐GPS 系統運行至2040－2045年左右，可以說GPS-3 系列衛星，特別是GPS－3F 衛星基本代表了未來25年左右GPS 系統的發展趨勢。

點波束信號功率增強—GPS－3F 必備的核心能力增量

按GPS 現代化計劃，點波束信號功率增強是GPS 系統增強導航戰能力的重要手段，是美軍應對未來強對抗戰場環境所必需的能力，計劃裝備GPS－3C 衛星。GPS－3 系列衛星從3 個型號調整為2 個型號后，該功能理應由GPS－3F 衛星實現。同時，信號功率增強技術也是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 項信號功率增強關鍵技術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 —增強GPS 系統任務變化適應能力與體系彈性的關鍵支撐

GPS－ 3 衛星有效載荷的數字化率已經達到70%；GPS－ 3F 衛星有效載荷的數字化率將達到100%，且在在軌編程技術、軟件無線電技術共同支持下使GPS－3F 衛星具備在軌升級與信號重構能力。該能力在提升衛星導航系統服務的安全性、穩定性和可靠性方面將發揮重要作用，并將對導航戰能力、體系彈性等構成有效支撐。

定位精度將進入亞米級——多項技術支撐GPS 服務性能的顯著提升

GPS－3 衛星已經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的汞離子鐘為首選項目）和運行控制技術、高精度星歷等項目的演示驗證，使GPS 系統水平定位精度達到0.5～0.6m 的水平，鞏固其在全球衛星導航領域的領先與主導地位。

裝備新的運行控制能力——僅利用美國本土設施即實現GPS 系統的高精度運行控制

為應對GPS 系統海外運行控制設施全面故障或未來戰爭中被摧毀的情況，以及出于降低GPS 系統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 運行控制設施，通過GPS－3F 衛星裝備的高速星間/星地鏈路實現GPS 系統的高精度運行控制。

由此可見，美軍時刻以滿足未來強對抗戰場環境下的軍事需求為核心，以滿足未來高精度、高可靠民用衛星導航需求為第二目標，持續推進GPS 系統的發展，保持美國在全球衛星導航領域的領先與主導地位。

3 GPS 系統未來發展趨勢

聚焦基本導航服務，重視GPS 系統服務性能與全球競爭能力的提升

隨著四大衛星導航系統全部投入運行與服務，以及區域衛星導航系統的快速發展，全球衛星導航領域市場的競爭進一步加劇，而市場競爭的成敗關系著衛星導航系統在全球衛星導航領域的地位與作用，并形成對國家政治、經濟、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性能就成為未來衛星導航系統發展、競爭的重要焦點之一。

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

構建滿足未來任務與需求變化的能力，增強GPS系統與服務的彈性

滿足任務與需求變化的能力是衛星導航系統適應未來軍事與民用衛星導航需求快速發展、變化的核心能力之一，已經成為GPS－3F 衛星重要的核心能力增項。首先，雖然在衛星導航系統的發展過程中，已經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，但是在科學技術快速發展的今天，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，全球衛星導航系統一般由30 顆左右的衛星組成，其維持與發展需要大量、持續的投入。因而，為降低衛星導航系統維持與發展的成本，各衛星導航系統均追求衛星的高可靠、長壽命。美國GPS－3 衛星的設計壽命已經達到15年（對比之前的GPS－2A、GPS－2R 衛星設計壽命7.5年，提高了1 倍），歐洲“伽利略”（Galileo）系統、俄羅斯“格洛納斯”（GLONASS）系統衛星的設計壽命也達到了10年或以上。設計壽命的提升有效地降低了系統的維持與發展成本，卻產生了一個新問題：衛星導航系統的更新、升級時間過長。以美國GPS 系統為例，從2005年首顆具有新一代軍用M 碼信號播發能力的GPS-2RM 衛星發射至今已經超過14年，但GPS星座中具有M 碼播發能力的衛星只有19 顆（2顆GPS－3 衛星仍未投入運行），未能形成全面運行能力，嚴重影響了GPS 系統能力的升級。因此，要求導航衛星系統及其服務具有一定的“彈性”，從而實現衛星導航系統功能與服務的快速升級。

為滿足快速發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，美國空軍以全數字化的導航有效載荷技術、在軌可編程技術和軟件無線電技術為基礎，正在研發GPS 衛星的在軌升級與信號重構，并在NTS－3 項目中開展了靈活數字化有效載荷的演示驗證，未來均將用于支撐GPS－3F衛星的發展。

賽博安全能力將成為GPS 系統導航戰能力的核心支撐

衛星導航系統是重要的空間基礎設施，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與統一的時間、空間基準是軍事能力的倍增器，是國民經濟高效、穩定運行與增長的助推器。因此，衛星導航系統的安全、穩定運行是保障國家安全與經濟發展的重要基礎。

作為賽博空間的組成部分，衛星導航系統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、天并列的第五作戰域后，世界各國均在大力發展賽博空間作戰能力，且賽博空間的作戰能力已經成為影響戰爭勝負的重要因素，而作為重要空間基礎設施的衛星導航系統也必將成為敵方賽博攻擊的重要目標。因此，衛星導航系統賽博安全防護已經成為影響、甚至決定衛星導航系統能否安全、穩定、可靠地運行并提供服務的重要保障，甚至成為影響或決定衛星導航系統控制權的重要因素。

從衛星導航系統運行的角度看，衛星導航系統運行安全、穩定與可靠需要地面運行控制系統的全面支持，包括精確的定軌定姿、時間同步、導航電文與數據等。如果運行控制系統不能有效地防御賽博攻擊，則衛星導航系統只能采取自主導航模式，而在此情況下，衛星導航系統的服務性能將隨時間的增加而降低。

從導航戰功能實現的角度看，包括導航拒止、功率增強、在軌可編程與信號重構在內的當前衛星導航系統已經具備或正在研發的導航戰功能均需按照地面運行控制系統的指令運行。如果不能有效地防御賽博攻擊，運行控制系統將不能保證對空間星座、衛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功能。因此，賽博安全能力將成為應用導航戰功能與遂行導航戰能力的核心支撐。