關于美國導航衛(wèi)星發(fā)展歷程及趨勢的研究

引文格式:楊子輝,薛彬. 美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢[J]. 導航定位學報, 2021, 9(5): 1-12.(YANG Zihui, XUE Bin. The developedprocedures and developing trends of the United States’navigation satellites[J]. Journal ofNavigation and Positioning, 2021, 9(5): 1-12.)DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20210501.美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢
楊子輝,薛??彬
(天津大學?海洋科學與技術學院,
天津?300072)?
摘要
以美國發(fā)布的最新材料為依據(jù),重新梳理了美國導航衛(wèi)星的發(fā)展歷程及其發(fā)展趨勢,包括子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程,美國空軍的621B項目、美國海軍的蒂馬申(TIMATION)衛(wèi)星導航系統(tǒng)及美國陸軍的賽科爾(SECOR)系統(tǒng)的相關情況,在此基礎上,論述了美國全球定位系統(tǒng)(GPS)的發(fā)展歷程,最后介紹GPS空間部分、控制部分及用戶端的現(xiàn)代化計劃。
關鍵詞:子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng);621B項目;蒂馬申衛(wèi)星導航系統(tǒng);賽科爾系統(tǒng);全球定位系統(tǒng);現(xiàn)代化計劃
引言
隨著第二次世界大戰(zhàn)的結(jié)束,美國與蘇聯(lián)兩國就開始了包括太空爭霸在內(nèi)的各種競賽。1957年10月4日,蘇聯(lián)使用洲際彈道導彈R-7發(fā)射了世界上第一顆進入地球軌道的人造衛(wèi)星斯普特尼克一號(Sputnik-1)。蘇聯(lián)人造衛(wèi)星的成功發(fā)射,給美國帶來了巨大的震撼,因為美國認為,領空是國土的自然延伸,必須要保護好美國領空的安全;美國甚至認為,蘇聯(lián)有能力用洲際彈道導彈R-7將核彈頭送入美國領空,而美國卻無力偵測到蘇聯(lián)軍事活動的相關信息[1]。
為了追趕上蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星技術,美國陸軍和海軍同時開展了人造衛(wèi)星項目的研究,1957年11月6日,美國海軍研究實驗室(United States naval research laboratory, NRL)發(fā)射了尖兵試驗飛行器三號(vanguard test vehicle 3, TV3),但TV3的發(fā)射以失敗告終;1958年1月31日,美國陸軍成功發(fā)射了探索者一號(Explorer 1)衛(wèi)星[2]。
美國子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)
1957年,美國海軍特別項目辦公室要求APL協(xié)助美國海軍開發(fā)北極星艦隊彈道導彈(Polaris Fleet Ballistic Missile,FBM)戰(zhàn)略武器系統(tǒng)。McClure博士向FBM項目負責人理查德·B.克什納(Richard B.Kershner)博士匯報了他在跟蹤蘇聯(lián)人造衛(wèi)星時取得的研究成果,并一起探討了采用衛(wèi)星導航的可行性。1958年12月,美國海軍決定提供資金,用以支持Kershner博士的星基導航計劃。Kershner博士立即在APL內(nèi)組建了一個科學家團隊,用來發(fā)展美國海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng)(U.S.navy navigation satellite system, NNSS)[3,6]。由于NNSS的導航衛(wèi)星沿地球子午圈的軌道運行,因此,NNSS又稱為子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Transitnavigation satellite system, Transit)[4]。
從1959年9月17日開始發(fā)射Transit-1A衛(wèi)星開始,到1988年6月16日發(fā)射Transit-Nova-2衛(wèi)星為止,美國共研制了33顆Transit導航衛(wèi)星,發(fā)射了26顆,其具體情況如表1所示。


圖1為20世紀60年代初進行Transit系統(tǒng)原理設計時設計的星座[6],圖2為建成后的Transit系統(tǒng)星座。雖然當初設計Transit系統(tǒng)星座時,只要用3顆衛(wèi)星即可為用戶提供服務(如圖1所示),為了保證Transit系統(tǒng)服務的可靠性,實際則建成了6顆導航衛(wèi)星的Transit系統(tǒng)星座,在這6顆導航衛(wèi)星中,3顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星,3顆為備份衛(wèi)星[8]。


2
GPS發(fā)明之前的技術探索
雖然Transit系統(tǒng)能夠為地面用戶提供定位服務,但Transit系統(tǒng)仍然存在明顯的缺陷:
Transit接收機的觀測值是接收機中產(chǎn)生的標準頻率與從Transit衛(wèi)星信號產(chǎn)生的多普勒頻移進行比較,通常至少需要兩個觀測值才能夠確定Transit接收機的位置。Transit只有6顆衛(wèi)星,為了得到這兩個觀測值,用戶有時候不得不等待90 min,這對于潛艦、導彈等軍用用戶,已經(jīng)失去了使用價值;
Transit衛(wèi)星的軌道距地面僅1100 km,由于低軌衛(wèi)星特別容易受到大氣阻力和地球重力變化的影響,這使得精確確定Transit衛(wèi)星的軌道參數(shù)變得特別困難,嚴重地影響了用戶的定位精度[10]。為了克服Transit系統(tǒng)存在的缺陷,需要積極探索建立新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
01
美國空軍的621B項目[11]
1962年,美國航空航天公司總裁伊萬·格廷(Ivan Getting)博士意識到,星基導航系統(tǒng)將會在國防及民用領域發(fā)揮巨大作用,為此他設想了一種比Transit系統(tǒng)更為精密的定位系統(tǒng),該系統(tǒng)可以用戶提供全天時、連續(xù)的3維(3D)定位服務。Getting博士將他的定位方案直接呈遞給美國國防部(U.S. Departmentof Defense, DoD),而且他一直為該定位方案奔走呼吁,Getting博士的衛(wèi)星導航定位方案最終獲得了美國空軍的經(jīng)費支持,并將該項目命名為621B項目。
詳細研究了被動式測距即單程測距原理;
研究了星載原子鐘并制定了星載原子鐘的驗證方法與手段;
研究了采用4顆導航衛(wèi)星就可以實現(xiàn)用戶端只需要石英鐘即可以完成精密定位的原理;
研究了碼分多址(code division multipleaccess, CDMA)的導航信號體制。
02
美國海軍蒂馬申(TIMATION)衛(wèi)星導航系統(tǒng)[11-12]
1964年,在美國海軍研究實驗室(United States navalresearch laboratory, NRL)科學家老羅杰·L.伊斯頓(Roger L.Easton,Sr.)的領導下,美國海軍發(fā)起了第二個衛(wèi)星導航項目蒂馬申(TIMATION)衛(wèi)星導航系統(tǒng),TIMATION是指時間(TIMe)和導航(navigATION)。TIMATION項目的主要目的是探索星基被動式測距技術、世界各國授時中心之間的時間傳遞方法,以期能夠在世界范圍內(nèi)為用戶提供全天候、全天時的高精度實時定位服務。美國海軍的TIMATION項目與美國空軍的621B項目同時進行,二者形成了競爭關系。1967年5月31日,NRL發(fā)射了TIMATION-1實驗衛(wèi)星;1969年9月30日,NRL發(fā)射了TIMATION-2實驗衛(wèi)星。TIMATION項目的研究成果,也為GPS的成功做出了巨大貢獻,主要貢獻包括:
仔細研究了接收機定位精度與導航衛(wèi)星間構(gòu)成的幾何精度衰減因子(geometric dilution of precision, GDOP)之間的關系,其結(jié)果表明,GDOP可以用來識別所用導航星座的衛(wèi)星并消除其他衛(wèi)星的干擾信號;
當導航衛(wèi)星的運動周期為8或12 h,衛(wèi)星軌道的傾斜為53°,導航衛(wèi)星分布在3個衛(wèi)星軌道面、每個衛(wèi)星軌道上有9顆導航衛(wèi)星時,在世界上任意位置,如果衛(wèi)星的高度截止角為5°,按照這樣星座布置的衛(wèi)星,則可以為全世界任何地方,提供全天候、全天時不間斷的導航定位服務,因此,TIMATION項目建議將“3×9”這樣的星座結(jié)構(gòu)作為美國衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星座。
03
美國陸軍的賽科爾(SECOR)系統(tǒng)[13-14]
美國陸軍為統(tǒng)一美國陸地、島嶼上大地控制點的坐標,提高地形圖的精度,與美國海軍聯(lián)合開發(fā)了賽科爾(SECOR)系統(tǒng)。SECOR系統(tǒng)是一種全天候、可移動的大地測量定位系統(tǒng),采用漸進式測距(sequentialcollation of range)原理來確定未知點的坐標。SECOR系統(tǒng)由4臺接收機、1顆或者多顆定位衛(wèi)星組成,將3臺接收機安置在已知點上,1臺接收機安置在未知點上,4臺接收機同時接收SECOR衛(wèi)星發(fā)射的測量信號,首先通過相位比較方法,來確定接收機與SECOR衛(wèi)星間的斜距并將其記錄在磁帶上;然后使用3個已知站與衛(wèi)星之間的距離來計算SECOR衛(wèi)星的位置,這種方法不需要已知衛(wèi)星的軌道參數(shù);最后利用未知點與SECOR衛(wèi)星間的斜距及SECOR衛(wèi)星的位置,計算出未知點的坐標值。若4臺接收機能夠同時觀測到同一顆SECOR衛(wèi)星,則可以同時多次完成接收機與SECOR衛(wèi)星之間的距離測量,獲得大量的觀測數(shù)據(jù),這樣可以提高未知點坐標的測量精度。例如,當SECOR衛(wèi)星的共視時間為10~12 min時,用4臺接收機可以獲得約為48000組距離測量值。為了提高測量結(jié)果的可靠性,一般情況下要求獲取2顆以上SECOR衛(wèi)星的共視觀測數(shù)據(jù),或者獲取同一顆SECOR衛(wèi)星通過測量現(xiàn)場2次以上的觀測數(shù)據(jù)。SECOR系統(tǒng)的地面距離測量范圍為160~4800 km,未知點的位置精度為3~10 m。
從1961年2月21日至1970年4月8日,美國陸軍共發(fā)射了23顆具有SECOR載荷的衛(wèi)星,其中有些SECOR載荷是安裝其他衛(wèi)星上,例如1961年2月21日發(fā)射失敗的SECOR載荷,就是安裝在美國海軍的Transit衛(wèi)星上的;有些SECOR載荷是作為單獨衛(wèi)星發(fā)射的。
GPS計劃的開啟與系統(tǒng)建設
到1972年,美國海軍的Transit項目、TIMATION項目以及美國空軍的621B項目已經(jīng)實施了好幾年,取得了許多應用成果,但在實施過程中也存在許多問題,因此他們也一直在研究改善星基無線電導航衛(wèi)星的可能性。早在1969—1970年間,美國航空航天公司總裁Getting博士就向美國總統(tǒng)理查德·尼克松(RichardNixon)的科學顧問李·杜布里奇(LeeDuBridge)建議,鑒于星基導航潛在用戶太多,應該成立總統(tǒng)特別委員會,以指導美國的衛(wèi)星導航工作。經(jīng)過數(shù)個星期的縝密思考后,DuBridge顧問認為要實現(xiàn)Getting博士的建議太困難了,因為Getting博士的建議涉及“四多”,即“涉及的人多,涉及的政府機構(gòu)多,涉及的政治操作多,涉及的公司及機構(gòu)多”。DuBridge顧問希望美國空軍一如既往地推進自己的星基導航項目[15]。
1973年11月17日,DOD決定將美國海軍的Transit項目、TIMATION項目,美國空軍的621B項目以及美國陸軍的SECOR項目合并,成立納芙斯塔爾(NAVSTAR)GPS聯(lián)合項目辦公室(JointProgram Office, JPO),并任命美國空軍上校布拉德福德·W.帕金森(Bradford W. Parkinson)博士為JPO的首任主任。一段時間以來,人們認為NAVSTAR是授時和測距導航信號(navigation signal timing and ranging)或者是授時和測距導航衛(wèi)星(navigation satellite timing and ranging)的縮寫詞,其實這是一種誤讀,Parkinson博士說,在JPO內(nèi),從來沒有沒有人認為NAVSTAR是前述縮寫詞,NAVSTAR只是負責(GPS)計劃預算的關鍵決策者約翰·沃爾什(John Walsh)給全球定位系統(tǒng)GPS起的一個好聽的名字而已[15],NAVSTAR-GPS后來簡稱為GPS,由美國空軍作為GPS項目的負責單位。
GPS由以下三部分組成:
1)空間部分[16]。由一組向用戶發(fā)送無線電信號的衛(wèi)星組成,為保證在95%的時間內(nèi),能為GPS用戶提供可靠的服務,美國承諾要一直保持至少24顆GPS衛(wèi)星處于為用戶提供服務的狀態(tài)。為了兌現(xiàn)這一承諾,最近十多年,美國空軍一直在太空布設了31顆GPS在軌衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星運行在位于距地表20200 km的中圓地球軌道(mediumEarth orbit, MEO)上,運行周期為12 h。GPS星座中的24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上,軌道傾角為55°,在每個軌道面上等間隔布置有4顆GPS衛(wèi)星,GPS星座的這種布局方式,可確保用戶可以從地球上的任何位置,能夠觀測到至少4顆衛(wèi)星。GPS的星座如圖3所示。

1974年6月,JPO將羅克韋爾國際公司(Rockwell International)作為GPS衛(wèi)星的建造商。從1978年2月22日發(fā)射GPS星座的第一顆組網(wǎng)衛(wèi)星NAVSTAR1開始,到1993年5月12日成功發(fā)射第24顆組網(wǎng)衛(wèi)星 GPS-2A-11,美國共發(fā)射了31顆NAVSTAR衛(wèi)星、15顆GPS衛(wèi)星[18]。
特別需要提及的是,美國空軍為了驗證星載原子鐘的性能,于1974年7月13日發(fā)射了搭載了兩臺銣原子鐘的TIMATION-III衛(wèi)星,TIMATION-III衛(wèi)星亦稱為第一代導航技術衛(wèi)星(navigation technologysatellite, NTS-1)。
2)控制部分[18-19]。GPS控制部分由美國在全球設置的地面設施組成,這些地面設施可以完成對GPS衛(wèi)星的跟蹤監(jiān)測,向GPS衛(wèi)星傳輸各種指令和數(shù)據(jù)。目前控制設施包括:①主控站及備用主控站;②11個指令傳輸及地面天線站;③16個監(jiān)測站。控制部分的監(jiān)控設備分布如圖4所示。圖4中:AFSCN(airforce satellite control network)為美國空軍衛(wèi)星控制網(wǎng);NGA(NationalGeospatial-Intelligence Agency)為美國國家地理空間情報局。

3)用戶段。與互聯(lián)網(wǎng)一樣,GPS是全球信息基礎架構(gòu)的重要組成部分。因為GPS具有自由、開放、免費和可靠的特性,人們基于GPS開發(fā)了各式各樣的應用程序,GPS已經(jīng)深深嵌入到軍事武器、國民經(jīng)濟及人們生活中。
GPS可以提高包括農(nóng)業(yè)、建筑、采礦、測量、包裹運送和物流供應鏈管理等涉及整個經(jīng)濟領域的生產(chǎn)力效率;在電信網(wǎng)絡、銀行系統(tǒng)、金融市場和電網(wǎng)等嚴重依賴精確時間同步的領域,GPS可以為其提供準確的時間基準,完成時間同步。如果沒有GPS的協(xié)助,遠程建筑施工、自動駕駛等服務將無法正常運行。GPS在應急救援、地面交通安全管理、交通事故的預防、汽車自動駕駛,飛航安全等領域都有廣泛的用途[20]。正如奧地利格拉茨大學伯恩哈德·霍夫曼-韋倫霍夫(Bernhard Hofmann-Wellenhof)教授1991年指出的那樣,“GPS將來的應用,只受人們想象力的限制(The future uses of GPS are limited only by one’s imagination)”。
GPS帶來的效益與風險
01
GPS帶來的軍事效益[21]
無論對士兵還是對武器設備攜帶的導航設備而言,都需要具有以下特點:
定位精度高;
環(huán)境適應能力強,可全天候使用;
操作簡便;
重量輕,便于攜帶;
保密性好,不易被敵方發(fā)現(xiàn)。
在不同的國家,雖然軍隊的作用可能千差萬別,但每個國家軍隊都必須滿足這兩個基本要求:和平時期的訓練和戰(zhàn)時的實際戰(zhàn)斗。和平時期的訓練包括戰(zhàn)斗訓練、救災、維和及大型基地/設施的管理;當有戰(zhàn)事時,軍隊就會上戰(zhàn)場,參與戰(zhàn)場上的所有戰(zhàn)時活動。GPS可以為這些軍事活動提供以下服務:
1)導航。當士兵身處陌生地方,特別是在黑夜及沒有明顯的地標供他們辨別方向時,他們就無法確定自己的位置,使其處于茫然無序的狀態(tài),這樣不僅會貽誤戰(zhàn)機,甚至會將勝利送給敵方。例如在1990年,美國首次將GPS 應用到海灣戰(zhàn)爭中就取得了極好的軍事效益。海灣戰(zhàn)爭是以美國為首的聯(lián)盟軍隊,在1990年8月2日至1991年2月28日間,對入侵科威特境內(nèi)的伊拉克軍隊和伊拉克境內(nèi)的伊拉克軍隊發(fā)動軍事進攻,在戰(zhàn)爭開始前,美國為聯(lián)盟軍配備了1000臺GPS接收機,到這次軍事行動快結(jié)束時,在聯(lián)盟軍中使用的GPS接收機達到了近9000臺,在短短7個月的時間內(nèi),GPS接收機的使用量增加了8倍,美軍第 7 騎兵師在GPS接收機的指引下,橫穿了毫無地面標識物的沙漠,千里突襲,直搗巴格達,一舉擊潰了伊拉克的6個主力師。反觀1999年印度和巴基斯坦在卡吉爾(Kargil)的沖突,由于剛剛開始時,印度巡邏隊沿著崎嶇的山路,誤入了巴基斯坦軍隊控制區(qū)并造成了印軍的嚴重傷亡,最后是在手持GPS接收機的幫助下,印軍才脫離了險地。
4)救援。救援和應急響應也是軍隊的一個重要職能,當發(fā)生緊急情況時,救援人員必須首先確定傷亡人員的位置,這樣才能夠縮短救援時間。例如,美國空軍利用GPS技術,開發(fā)了戰(zhàn)場幸存者定位器(combat survivor evader locator, CSEL)系統(tǒng)。CSEL系統(tǒng)將GPS接收器與無線電通信集成在一起,搜索和救援團隊可以比以前更快、更準確地找到遇難人員。
GPS在軍隊的成功應用,同樣的技術也可以民用,例如利用DGPS、實時動態(tài)差分定位(real-timekinematic positioning, RTK)等技術,可以引導飛機進場著陸、汽車的自動駕駛、精細農(nóng)業(yè)等,GPS的時間傳遞技術,可以解決電力系統(tǒng)及金融服務等的時間統(tǒng)一同步問題。
02
GPS帶來的經(jīng)濟效益[22-23]
2019年6月,美國美國國家標準與技術研究院(National Instituteof Standards and Technology, NIST)發(fā)布了《全球定位系統(tǒng)的經(jīng)濟效益(Economic benefits of the global positioning system (GPS))》。據(jù)NIST估計,僅在美國,自1980年代GPS開始民用和商用以來,GPS產(chǎn)生了約1.4萬億美元的經(jīng)濟效益,特別是近十年來,GPS創(chuàng)造的經(jīng)濟效益更是特別顯著,占到了美國國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross domestic product, GDP)的0.4%,成為美國的重要高科技產(chǎn)業(yè)。?
03
GPS帶來的風險
從戰(zhàn)時的武器制導、駕駛員的行車導航,再到跨國公司協(xié)調(diào)復雜的物流網(wǎng)絡,每天都有數(shù)以億計的用戶依靠GPS進行導航和定位。GPS的精確定時功能,也為金融、電力和電信等行業(yè)提供了時間同步的基準。甚至“GPS”一詞,也偏離“全球定位系統(tǒng)”的本意,成了表示“某人在特定時間點出現(xiàn)在特定位置”這樣的流行語[22]。用戶過度依賴GPS,必然會給GPS用戶帶來潛在風險。早在2012年,美國國土安全部(U.S. Department of Homeland Security, DHS)就向美國國會提交了《國家風險評估:全球定位系統(tǒng)中斷給美國關鍵基礎設施帶來的風險(National Risk Estimate:risks toU.S.Critical infrastructure from global positioning system disruptions)》[24],該報告列舉了GPS服務中斷或者GPS信號受到干擾后,對美國通信及運輸?shù)?6個關鍵基礎設施行業(yè)帶來的影響,GPS作為“一種看不見的工具”,其結(jié)果是,各個關鍵基礎設施領域的管理者,“大大低估了”本行業(yè)主要用戶對GPS的依賴程度。因此,DHS要求各行業(yè)需對本行業(yè)提出GPS風險評估報告,制定相應的應對措施,以減輕GPS潛在危險對本行業(yè)可能造成的影響。
GPS的現(xiàn)代化
01
?星載計時器的現(xiàn)代化
文獻[25]論述了GPS的定位原理,如圖5所示。GPS衛(wèi)星與用戶接收機之間的測距公式[25]為
?

式中:c為信號傳播速度即光速,其值為3×108 m/s;T2和T1分別為導航信號被接收的時刻和導航信號播發(fā)的時刻。
微分式(2)并按照方差協(xié)方差傳播定律,在假定導航信號接收時刻和導航信號播發(fā)時刻的測時精度相等的情況下,可得導航衛(wèi)星到用戶接收機距離的精度為?

1976年6月18日,NASA在其發(fā)射的重力探測(gravity probe, GP-A)衛(wèi)星上,首次搭載了氫原子鐘[29],但美國一直沒有在GPS導航衛(wèi)星使用氫原子鐘,歐洲航天局(EuropeanSpace Agency, ESA)在2011年10月21日發(fā)射的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system, Galileo)導航衛(wèi)星IOV-1上,率先使用了氫原子鐘[30],氫原子鐘的相對精度能夠到達。
02
空間部分的現(xiàn)代化
文獻[31]給出了美國已經(jīng)發(fā)射及即將發(fā)射的GPS導航衛(wèi)星型號,如圖6所示。

?
有關GPS II型衛(wèi)星,國內(nèi)已有文獻對其性能進行過詳細介紹,這里不再重復。GPS III型衛(wèi)星,是美國研發(fā)的新型GPS導航衛(wèi)星,在2018年12月23日、美國東部時間上午8時51分,美國空間探索技術公司(Space ExplorationTechnologies Corp.,SpaceX)用“獵鷹9 號(Falcon 9)”運載火箭,將首顆GPS III衛(wèi)星從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空,GPS III衛(wèi)星具有以下特點[31-32]:
具有4個民用信號。除發(fā)送GPS Block IIF衛(wèi)星所有導航信號外,增加了第4個民用信號L1C,GPS Block IIF具有GPS L1頻率上的C/A碼信號、L1/L2頻率上的P(Y)碼信號、L1頻率上的民用信號L2C、L1/L2頻率上的軍用M碼、L5頻率上的民用信號。
進一步增強導航信號可靠性、準確性和完整性,定位精度是GPS II衛(wèi)星的3倍。
進一步提高了抗干擾能力,抗干擾能力是GPS II衛(wèi)星的8倍。
衛(wèi)星在軌壽命延長至15年。
建立統(tǒng)一的S波段遙測、跟蹤及指令體制;
搭載有效搜救載荷;
搭載激光后向反射器陣列,用于精確測定衛(wèi)星的軌道;
搭載重新設計的核爆探測系統(tǒng)(nucleardetonation detection system, NDS);
提高區(qū)域軍事保護(regional militaryprotection, RMP)能力,即導航衛(wèi)星在飛越預期會受影響的區(qū)域(areaof intended effect, AOIE)時,導航衛(wèi)星能夠產(chǎn)生比覆蓋其他區(qū)域高得多的軍用導航信號,圖7為提高RMP能力示意圖[33]。

時任美國空軍部長的希瑟·威爾遜(Heather Wilson)在2018年夏天指出,為美國導彈提供定位、導航、授時(positioning, navigation and time, PNT)的GPS,猶如是在錘子發(fā)明之前建造的一個共全世界使用的玻璃屋,在緊急情況下,GPS可能會受到敵方的干擾,而使軍隊的作戰(zhàn)系統(tǒng)陷入癱瘓[34]。
在NTS-3上,美國將采用很多新技術,包括:
搭載在軌可重編程的PNT載荷;
搭載能夠覆蓋全球和區(qū)域范圍的電子掃描天線陣列;
進一步提高導航信號安全性和抗干擾的能力;
搭載具有多種授時來源的守時系統(tǒng),這樣可以提高守時系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高異常狀況的檢測能力和減小授時誤差[36]。
2030年以后,美國將發(fā)射第四代GPS衛(wèi)星GEN IV,目前還沒有資料公布GEN IV衛(wèi)星的性能。
03
控制部分的現(xiàn)代化
GPS最初的控制部分(亦稱為地面系統(tǒng))僅能夠完成GPS星座的維持、控制命令的發(fā)送及衛(wèi)星導航信號的監(jiān)視等任務,在運行了22年后,2007年9月13日,美國空軍航天司令部用體系結(jié)構(gòu)演化計劃(architecture evolution plan,AEP)系統(tǒng),首次向GPS衛(wèi)星注入了導航及授時數(shù)據(jù)[37],AEP系統(tǒng)的特點為:采用分布式架構(gòu);
增強了信號的強度及監(jiān)視信號的覆蓋范圍;
增加了信號的安全性;
提高了信號的精度;
具有發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星軌道、異常處理及替換操作(launch, anomaly and disposal operations, LADO)的能力[38]。
控制所有現(xiàn)代化的民用信號(L1C、L2C和L5),控制現(xiàn)代化的軍事信號(M碼信號),發(fā)射和操作GPS III衛(wèi)星,促進未來GPS架構(gòu)的發(fā)展;
能夠預防及檢測到遭受敵方攻擊的情況,在遭受到網(wǎng)絡攻擊時,能夠隔離、遏制攻擊信號,并使己方信號能夠正常發(fā)射;
主控站和備用主控站與星座管理功能結(jié)合,通過命令與控制,任務計劃,導航和數(shù)據(jù)分析與發(fā)布功能,為每一個移動端用戶提供完善的服務;
對監(jiān)測站和地面天線之間、支持控制系統(tǒng)與航天器之間的數(shù)據(jù)鏈路和信號實施遠程監(jiān)控;
開發(fā)GPS仿真裝置,用于開發(fā)、維護和測試主控站(master control station, MCS)軟件和遠程地面設施;
開發(fā)標準太空教練機,為GPS操作員提供專用的培訓系統(tǒng)服務。
OCX將其功能集成到“模塊(Block)”中,并與GPS III及相應的軍事裝備的功能保持一致。Block分為3個階段[41]:
OCXBlock 0。Block 0是發(fā)射和控制系統(tǒng)(launch and control system, LCS),用于控制、在軌檢驗早期發(fā)射的所有GPS III衛(wèi)星,這些GPS III衛(wèi)星為低軌(lowEarth orbit, LEO)衛(wèi)星,OCX Block 0為OCXBlock 1的試驗產(chǎn)品,其目的是為Block 1的硬件、軟件和網(wǎng)絡安全提供實驗基礎數(shù)據(jù)。
OCXBlock 1。Block 1可以控制GPS所有型號衛(wèi)星的民用信號(L1 C/A)、軍用信號L1 P(Y)及L2 P(Y)、GPS III衛(wèi)星、現(xiàn)代化的民用信號(L2 C)、航空飛行安全信號(L5)、現(xiàn)代化的軍事信號L1 M及L2 M、兼容其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的L1 C信號。Block 1還完全符合信息保證/網(wǎng)絡防御的要求。
OCXBlock 2。Block 2具有與Block 1相同的功能,但增加了與現(xiàn)代化信號廣播和授時同步的功能。Block 2與Block 1將同時交付給用戶。
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用戶端的現(xiàn)代化
用戶端的現(xiàn)代化圍繞以下幾個方面進行:
進一步減小接收機的尺寸、減輕重量、降低能耗;
提高接收機的安全性;
提高接收機及天線的抗干擾能力;
能夠更加快捷地分發(fā)加密密鑰;
提高接收機的測量精度;
研發(fā)GPS接收機通用模塊;
提高軍用碼的訪問權限;
提高導航信號的可用性;
增加防篡改防欺騙能力;
增加在干擾環(huán)境情況下,獲取正確導航信號的能力。
結(jié)束語
穩(wěn)健的導航定位授時系統(tǒng),已經(jīng)成為一個國家的重要基礎設施,作為世界上第一個建成全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)并一直處于技術領先的美國,有許多成功的經(jīng)驗值得我們學習和借鑒。
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