首顆GPS-3衛(wèi)星發(fā)射，GPS第三代系統(tǒng)建設帷幕開啟

劉春保

美國首顆GPS-3衛(wèi)星于2018年12月23日成功發(fā)射，代表著美國第三代GPS衛(wèi)星進入部署、運行階段，將對全球衛(wèi)星導航領域的格局產(chǎn)生重要影響，進一步鞏固、增強美國在全球衛(wèi)星導航領域，特別是軍事衛(wèi)星導航領域的優(yōu)勢。

美國首顆GPS-3衛(wèi)星于2018年12月23日成功發(fā)射，代表著美國第三代GPS衛(wèi)星進入部署、運行階段，將對全球衛(wèi)星導航領域的格局產(chǎn)生重要影響，進一步鞏固、增強美國在全球衛(wèi)星導航領域，特別是軍事衛(wèi)星導航領域的優(yōu)勢。

1 GPS現(xiàn)代化計劃

GPS-3衛(wèi)星是GPS現(xiàn)代化計劃最重要的組成部分，了解GPS現(xiàn)代化計劃是認識、掌握GPS-3衛(wèi)星發(fā)展的重要基礎。GPS現(xiàn)代化計劃于1999年首次提出，確定了兩個主要目標，其一，增強GPS系統(tǒng)強對抗環(huán)境下的定位導航授時服務能力，即所謂“導航戰(zhàn)”能力，主要包括增加新的M碼信號、星上信號可調(diào)功能、V頻段高速星間星地鏈路、點波束增強、可變導航有效載荷等；其二，增強GPS系統(tǒng)在全球民用衛(wèi)星導航市場的競爭能力，主要包括增加L2頻段的L2C民用信號和L5頻段主要用于民用航空導航的L5信號。

GPS現(xiàn)代化計劃由三個方面的內(nèi)容組成：①GPS系統(tǒng)空間段現(xiàn)代化涉及5個型號，分別為GPS-2RM、GPS-2F和GPS-3A/3B/3C衛(wèi)星（現(xiàn)GPS-3衛(wèi)星已經(jīng)調(diào)整為2個型號，分別為GPS-3和GPS-3F衛(wèi)星）。②GPS運行控制系統(tǒng)現(xiàn)代化分兩個階段進行，分別為體系結構演進計劃（AEP）和新一代運行控制系統(tǒng)（OCX)。AEP計劃于2012年底完成，實現(xiàn)了GPS運行控制系統(tǒng)從大型主控計算機控制結構向分布式IT網(wǎng)絡控制結構的轉(zhuǎn)變。這種控制結構的轉(zhuǎn)變提升了GPS運行控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)健性與GPS星座的運行控制能力，也為GPS新一代運行控制系統(tǒng)的建設與發(fā)展奠定了基礎，同時也使賽博安全成為GPS系統(tǒng)運行控制系統(tǒng)必須解決的問題。OCX除保證GPS系統(tǒng)衛(wèi)星的運行管理，以及新的軍、民用信號（M碼、L2C、L5C和L1C）以及支持在軌升級、信號重構、高速星間/星地鏈路和點波束功率增強等新信號、新功能的運行外，最重要的變化是增加了GPS運行控制系統(tǒng)的賽博安全與信息保證能力。③GPS軍事用戶裝備現(xiàn)代化的主要內(nèi)容同樣包含兩個部分內(nèi)容。其一是研發(fā)充分發(fā)揮現(xiàn)代化GPS系統(tǒng)能力、滿足新軍事需求的GPS軍用核心芯片與板卡；其二是各軍兵種以GPS軍用核心芯片與板卡為基礎研發(fā)滿足各自需求的用戶裝備。

2 GPS-3系列衛(wèi)星

GPS-3衛(wèi)星的發(fā)展延續(xù)了小步快跑、螺旋式上升的發(fā)展策略。按最初的計劃，GPS-3衛(wèi)星分為A、B、C三個型號，每個型號安排一或兩項功能或能力的重要增量（L1C互操作信號與搜索救援功能、高速星間星地鏈路、點波束增強），最終美國GPS系統(tǒng)將提供水平0.5m、垂直1.2m的定位與導航精度，授時精度1.3ns，具有靈活的信號功率分配能力，20dB的區(qū)域增強能力，100Mbit/s的星間/星地間鏈路能力，滿足現(xiàn)代化計劃的整體要求。

由于計劃拖延，2017年底美國空軍調(diào)整了GPS-3衛(wèi)星研發(fā)計劃，由原來的3個型號調(diào)整為GPS-3和GPS-3F衛(wèi)星兩個型號，其中F意為后續(xù)型號。

GPS-3衛(wèi)星

GPS-3是GPS-3衛(wèi)星的首個型號，在完成風險降低等一系列研發(fā)活動后，2008年5月美國空軍將GPS-3衛(wèi)星的發(fā)展合同授予了洛馬公司領導的團隊（包括ITT公司和通用動力公司），合同價值14.64億美元，其中，洛馬公司為主承包商，主要負責衛(wèi)星、關鍵部件、集成總裝與測試、發(fā)射和計劃管理；ITT公司[現(xiàn)為哈里斯（Harris）公司，2011年ITT公司剝離國防業(yè)務部分成立Exelis公司，2015年Harris公司以46.5億美元的價格收購Exelis公司]為有效載荷主承包商，負責導航載荷的設計、研發(fā)與生產(chǎn)；通用動力公司負責網(wǎng)絡通信部分與UHF頻段星間鏈路。至2016年底，美國空軍已經(jīng)簽訂了10顆GPS-3衛(wèi)星的采購合同。

GPS-3衛(wèi)星采用洛馬公司的A2100M平臺，A2100系列平臺已經(jīng)經(jīng)歷了嚴酷的空間環(huán)境的考驗，其中A2100M平臺為美國軍用衛(wèi)星廣泛采用，具有非常高的可靠性。選擇A2100M平臺的主要依據(jù)包括：①模塊化的設計，更易于實現(xiàn)衛(wèi)星功能的擴展，為GPS-3衛(wèi)星后續(xù)型號（GPS-3F）衛(wèi)星的發(fā)展奠定了重要基礎；②成熟的平臺，低成本、低風險，有利于降低GPS-3衛(wèi)星的研發(fā)風險與研發(fā)成本，增強投入的可承受性；③整體性能滿足GPS-3衛(wèi)星發(fā)展要求，即從壽命、有效載荷承載能力、電源、控制精度等方面滿足GPS-3與后續(xù)型號發(fā)展要求。

GPS-3F衛(wèi)星

2018年2月，美國空軍宣布將發(fā)布后續(xù)22顆GPS-3衛(wèi)星的征詢建議書，并將其命名為GPS-3F衛(wèi)星。除擁有GPS-3衛(wèi)星的全部功能外，GPS-3F衛(wèi)星主要增加V頻段高速星間星地鏈路（帶寬100MHz）、點波束功率增強（20dB），導航有效載荷的數(shù)字化率達到100%，結合星上可重新編程能力，可實現(xiàn)衛(wèi)星功能的在軌升級與導航信號在軌重構等能力。同時，在新一代運行控制系統(tǒng)的支持下，GPS系統(tǒng)將擁有強大的賽博安全能力，從而保證GPS系統(tǒng)在賽博攻擊條件下穩(wěn)定、可靠的運行能力。

GPS-2F、GPS-3、GPS-3F衛(wèi)星對照表

隨著波音公司、諾格公司先后退出GPS-3F衛(wèi)星的競爭，美國空軍于2018年9月宣布，洛馬公司最終贏得了GPS-3F衛(wèi)星的研發(fā)合同，合同涉及22顆GPS-3F衛(wèi)星的研發(fā)、制造、發(fā)射服務等內(nèi)容，總價值72億美元。按計劃，首顆GPS-3F衛(wèi)星將于2026年交付。GPS-3F衛(wèi)星也將采用A2100M平臺，即洛馬公司A2100平臺的改進型號。

與GPS-3衛(wèi)星相比，GPS-3F衛(wèi)星的主要變化或增量主要包括如下幾個方面：

1)在軌升級與信號重構能力，以在軌可編程技術和數(shù)字化有效載荷技術為支撐性關鍵技術。2017年底，GPS-3衛(wèi)星的有效載荷提供商——哈里斯公司宣布完成了GPS-3衛(wèi)星全數(shù)字化有效載荷的研發(fā)，進入工程驗證階段。

2)點波束功率增強，實現(xiàn)GPS軍用信號（M碼信號）的20dB點波束功率增強。該功能可在全球任意區(qū)域形成兩個直徑1000km的功率增強區(qū)域，有效提升對抗環(huán)境下GPS系統(tǒng)的軍用服務能力。

3)高速星間/星地鏈路能力，為僅依靠本土地面運行控制基礎設施，實現(xiàn)GPS系統(tǒng)的運行控制奠定基礎。美國空軍計劃利用高速星間/星地鏈路與位于美國本土的GPS系統(tǒng)運行控制設施，實現(xiàn)GPS系統(tǒng)的運行控制與管理，建立GPS系統(tǒng)運行控制與管理的備份能力，在海外站點被摧毀或喪失功能時，保證GPS系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行。

3 GPS運行控制系統(tǒng)現(xiàn)代化

美國空軍正在研發(fā)GPS新一代運行控制系統(tǒng)（OCX），除保證GPS系統(tǒng)衛(wèi)星的運行管理，以及新的軍、民用信號（M碼、L2C、L5C和L1C）以及支持在軌升級、信號重構、高速星間/星地鏈路和點波束增強功能的運行外，最重要的變化是增加了賽博安全與信息保證能力。

在完成全面、系統(tǒng)的需求定義和風險降低等研究活動之后，2007年11月美國空軍將兩個OCX合同分別授予了諾格公司和雷聲公司，每個合同價值1.6億美元，開展為期18個月的系統(tǒng)設計與審查，以及現(xiàn)代化能力工程模型的研究與開發(fā)，最終確定了分4個階段實施的OCX系統(tǒng)方案。2010年2月，美國空軍將OCX第1與第2階段的研發(fā)合同授予了雷聲公司，合同金額8.86億美元，加上其他選項，合同總額達到15.3億美元，計劃2016年完成部署。但從當前進展情況看，其進度拖延將超過6年，項目的經(jīng)費需求將增加至60億美元。

OCX發(fā)展路線圖

可以看出，OCX是支撐未來GPS-3衛(wèi)星星座的核心或使能設施，沒有OCX的支撐，GPS現(xiàn)代化計劃所發(fā)展的M碼和L1C、L2C與L5等軍民用信號、高速星間星地鏈路、點波束增強等均不能投入使用。

2012年底，美國空軍完成了GPS地面運行控制系統(tǒng)的體系結構演進計劃（AEP），實現(xiàn)了從大型主控計算機控制結構向分布式IT網(wǎng)絡控制結構的轉(zhuǎn)變。這種控制結構的轉(zhuǎn)變提升了GPS運行控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)健性與GPS星座的運行控制能力，也為GPS新一代運行控制系統(tǒng)（OCX）的建設與發(fā)展奠定了基礎，同時也使賽博安全成為GPS系統(tǒng)運行控制系統(tǒng)必須解決的問題。

美國空軍認為，GPS運行控制系統(tǒng)面臨著來自4個方面的安全威脅，分別為賽博威脅、內(nèi)部威脅、物理威脅與供應鏈威脅，GPS OCX必須同時擁有對抗上述4種威脅的能力。依據(jù)2010年美國空軍發(fā)布的《賽博空間作戰(zhàn)條令》（AFDD 3-12）和2013年美軍參聯(lián)會發(fā)布的《賽博空間作戰(zhàn)條令》（JP 3-12），以及美國參聯(lián)會發(fā)布的《信息作戰(zhàn)條令》(JP3-13)和美國國防部標準《信息保證》（DoDD 8500.1）和《多層管理結構》（DoDI 8500.2），美國空軍為GPS OCX系統(tǒng)設計了5層防護結構組成了多層防御體系，分別為防火墻與入侵探測、公共關鍵信息與加密、安全操作系統(tǒng)、跨領域防護和安全代碼等。從安全防護結構來看，賽博威脅的防御是GPS OCX系統(tǒng)賽博安全的重點。依據(jù)針對OCX系統(tǒng)賽博攻擊的可能的路徑，OCX系統(tǒng)首先采取了賽博訪問的防火墻與入侵探測措施，實現(xiàn)對OCX系統(tǒng)的大量非法或非授權訪問，完成對高威脅入侵或惡意訪問的甄別；第二層主要采取加密的方式對OCX系統(tǒng)的各種信息、數(shù)據(jù)進行保護，以防止賽博攻擊對系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)操作的影響；然后，通過安全操作系統(tǒng)、跨領域防護與安全代碼等三層防護手段進一步加強對GPS OCX系統(tǒng)核心的賽博攻擊防御能力，從而保證GPS OCX系統(tǒng)的安全，保證GPS系統(tǒng)的控制權與運行安全。

未來GPS系統(tǒng)空間與地面體系（OCX＋GPS-3衛(wèi)星）

OCX系統(tǒng)賽博安全分層結構

從當前OCX系統(tǒng)研發(fā)情況看，賽博安全是OCX系統(tǒng)重要的新增核心能力，也是造成OCX研發(fā)時間拖延、經(jīng)費超支最重要的因素，已經(jīng)違反納恩·麥柯迪法案。在此情況下，美國軍方仍堅持OCX系統(tǒng)的方案，表明賽博安全對GPS系統(tǒng)及其安全、穩(wěn)定的運行，保證美國軍方對GPS系統(tǒng)的控制權至關重要。

4 結束語

隨著首顆GPS-3衛(wèi)星的成功發(fā)射，GPS系統(tǒng)空間星座的升級、換代已全面啟動，將有效地提升GPS系統(tǒng)的軍事與民用服務能力，特別是導航戰(zhàn)能力，且導航戰(zhàn)能力也將成為GPS-3F衛(wèi)星的發(fā)展重點。