從《GPS系統星座更新、補充》報告看GPS系統未來發展

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

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從《GPS系統星座更新、補充》報告看GPS系統未來發展

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

應美國國會國防委員會的要求，2015年美國空軍向國會國防委員會提交了一份名為《GPS系統星座更新、補充》的報告，闡述了“全球定位系統”（GPS）未來的星座更新、補充設想，以及如何保證GPS系統的可用性和發展的可持續性問題。

1　背景

自1995年全面投入運行以來，在長達20多年的時間里，美國空軍不但保證了GPS運行的連續與穩定，還保證了GPS系統高精度定位、導航與授時（PNT）服務的可用性，鞏固、提升了美國在全球PNT領域的領先與主導地位，提升了美國的全球影響力，催生了至今仍由美國主導并占據領先地位的全球衛星導航應用產業。美國國家天基PNT執行委員會的研究表明，僅2014年美國GPS商業應用領域產生經濟效益就高達676億～1224億美元，遠遠超過了GPS系統研發、維持、發展的投入（至2014年GPS系統的總投入約為370億美元）。

然而，自2010年起，一些列問題接踵而來，第三代GPS衛星與新一代“運行控制系統”（OCX）研發不斷出現計劃拖延、經費超支［在過去的一年中（2014-2015年）投入增長即達到了11億美元］，GPS系統星座大量衛星超期服役（2014年和2015年底，分別有16顆和14顆衛星處于超期服役狀態）；同時，美國空軍計劃調整GPS-3衛星的采購計劃。這些引發了美國政府、國會等諸多部門對GPS系統發展的可持續性、服務的可用性等問題的擔憂。為此，2014年底，美國國會國防委員會要求空軍提交一份關于GPS系統星座狀態與星座更新和補充計劃，以及如何保證GPS系統可用性與可持續性的報告。

2　采購計劃調整與未來星座更新、補充計劃

采購計劃的調整

截至2016年2月，美國空軍已經完成了12顆GPS-2F衛星的發射，對全部GPS-2A衛星進行了替換。目前，GPS星座在軌衛星32顆，30顆提供導航服務，第12顆GPS-2F衛星處于測試狀態。同時，美國空軍已經簽署了前8顆GPS-3衛星的采購合同，此外，第9、10顆GPS-3衛星的采購方案已經獲得了美國政府的批準，第11～32顆GPS-3衛星的采購活動計劃于2016年初啟動，首先開展設計成熟度審查與風險降低活動，研發合同預計在2018年授出。依據已經簽署的采購合同，第1～8顆GPS-3衛星將分別在2016-2020年具備初始發射能力。

維持一個可承受、可持續的星座要求在具有可承受性、可持續性的更新、補充策略與穩定的衛星生產線之間取得平衡，以星座的需求為依據，保持衛星采購的持續性，并保有衛星的高速生產能力。生產速度的調整應尋求最大生產能力儲備與初期衛星最小儲存成本之間的平衡。因此，美國空軍認為：2014財年的采購計劃雖有利于降低近期成本，但從長遠來看，調整后（2015財年）的采購計劃可使GPS系統星座的維持具有更好的可持續性和投入上的可承受性。

2014、2015財年GPS-3衛星采購計劃對比

調整前、后采購計劃的對比表明，美國空軍放慢了GPS-3衛星的采購步伐，2015-2018年間的衛星采購數量從2014財年的10顆減少至2015財年的8顆，顯然這將對未來GPS系統星座的更新、補充構成影響。這也是引發美國國會、GPS應用團體廣泛擔憂的重要原因。

未來星座更新、補充計劃

按照《GPS系統標準定位服務性能標準》，美國應保證GPS系統24軌位基線星座衛星可用性超過95%的要求。為此，美國空軍航天司令部每年編寫一部“PNT功能可用性報告”（FAR），發布發射與預算計劃和星座維持的設想。《GPS系統星座更新、補充》報告給出了2014-2024年GPS系統星座更新、補充計劃。

2014-2024年GPS衛星發射計劃與該計劃下GPS系統星座的可用性

按照該計劃，2015年至2016年初，美國空軍已經完成了最后4顆GPS-2F衛星的發射；首顆GPS-3衛星計劃于2016年底至2017年初進行試驗發射；而GPS-3衛星的正式發射將在2019年啟動。美國空軍認為，2019年正式啟動GPS-3衛星的發射計劃（不包括首顆GPS-3衛星的發射），以每年大約2顆的速度發射GPS-3衛星，即可滿足24軌位基線星座可用性超過95%的要求，并將這種能力延續至2033財年。

可以看出，美國空軍計劃在2024年底前完成14 顆GPS-3衛星的發射，按每年2顆的發射速度，32顆GPS-3衛星的發射可延續至2033年，也就是說GPS現代化計劃完成的時間將從2025年左右推遲至2033年。

3　新發射計劃下的GPS系統未來發展分析

GPS-3衛星與新一代"運行控制系統"的拖延對系統的穩定運行構成了潛在威脅

按美國空軍的發射計劃，2016-2018年的3年間將只發射2顆衛星（第12顆GPS-2F和首顆GPS-3衛星），用于星座的更新、補充；同時，新一代運行控制系統-1最早在2018年10月投入運行，因此，即使2016年底前完成首顆GPS-3衛星的發射，2018年10月前該衛星也不能投入服務。也就是說，在2016年初，第12顆GPS-2F衛星發射并投入運行后，在長達近3年的時間內，GPS系統星座得不到真正意義上的更新與補充（即使GPS-3衛星以地面備份的方式存在，但GPS系統運行控制段在2018年底前不能支持GPS-3衛星的運行，因而不能改善GPS系統的服務）。

裝配中的GPS-2F衛星

GPS-3衛星在軌飛行示意圖

而就當前星座衛星狀態來看，第12顆GPS-2F衛星發射、入軌后（2016年2月5日發射），替換了最后1顆GPS-2A，使星座狀態有所改善，但仍有13顆衛星（12顆GPS-2R衛星和1顆GPS-2RM衛星）處于超期服役狀態。至2018年底，至少有18顆在軌運行的GPS衛星處于超期服役狀態（12顆GPS-2R衛星和6顆GPS-2RM衛星）；即使通過改進GPS-2R/ GPS-2RM衛星的電池充電程序，可使衛星的壽命延長1～2年，但仍將至少有15顆GPS衛星處于超期服役狀態。

雖然，根據以往GPS衛星在軌工作的實際情況，特別是過去10余年間，GPS-2R/GPS-2RM衛星表現出了良好的性能和優異的可靠性，但這并不表明在未來3年左右的時間內上述衛星是完全可靠的。因此，GPS-3衛星和“運行控制系統”的拖延已經對GPS系統星座正常的更新、補充造成了嚴重影響，對GPS系統的穩定運行與服務的可用性構成了潛在威脅。

降低成本是GPS系統維持和發展必須面對的重要課題

隨著性能、功能的不斷提升和增加，GPS衛星的成本也在不斷增長。同時，衛星與運行控制段研發的拖延同樣造成系統發展成本的不斷上升，也是影響GPS系統維持、發展成本的重要因素。不論是美國空軍在《GPS系統低成本解決方案》中提出的“一箭雙星”發射、研發GPS小衛星等方案，還是在《GPS系統星座更新、補充》中提出的調整GPS-3衛星采購與發射計劃，都在試圖降低GPS系統的維持與發展成本，在保證GPS系統服務可用性的同時，保證GPS系統維持、發展的可持續性。因此，降低成本已經成為GPS系統維持、發展必須面對與解決的重要課題。

2015年8月，美國政府問責辦公室（GAO）發布《國防采購：選定武器系統評估》報告，報告指出：在過去的一年中，美國空軍新一代衛星導航系統空間星座（GPS-3衛星）與地面控制段的投入增長了11億美元。與2013年相比，因計劃拖延，2014年GPS-3衛星和“運行控制系統”的研發投入分別從44億美元和35億美元增長至49億美元和41億美元，合計增長了11億美元。

2008年，美國空軍將GPS-3衛星的研發合同授予了洛馬公司與國際電話電報公司（ITT）組成的研發團隊，其中洛馬公司為主承包商，負責衛星整體的研發與集成；ITT公司為有效載荷主承包商，負責GPS-3衛星有效載荷的研發。但是由于有效載荷研發遇到了重大問題，主要包括：設計更改和內部信號干擾，導致GPS-3衛星研發進度嚴重拖延，首顆GPS-3衛星的交付時間至少將推遲28個月。而且，首顆GPS-3衛星測試過程中出現問題的全面改進，有可能產生新的拖延，加大成本進一步增長的風險。

2007年11月，美國空軍授予諾格公司和雷神公司總價1.6億美元的合同，開展為期18個月的系統設計與審查，以及現代化能力工程模型的研究與開發，以最終確定“運行控制系統”方案。最終，美國空軍將“運行控制系統”的研發合同授予了雷神公司。

“運行控制系統”采取多層防護結構，可有效地探測、發現各種威脅，提供有效的防護，特別是在賽博安全領域具有強大的防護能力，擁有全部GPS衛星（包括GPS-3系列衛星）從發射、入軌、檢查、運行控制與管理、異常解決方案和最終處置的全部功能。通過對導航信號的全球監測、卡爾曼濾波器的調整，并利用網絡進行衛星指令和導航電文的上傳等，“運行控制系統”將與GPS系統空間段共同提供更高的定位、導航與授時服務性能，更高的完好性和可用性。因而，與之前的運行控制系統相比，“運行控制系統”技術難度、復雜程度均有很大的提高。

與GPS-3衛星的研發相比，“運行控制系統”研發的拖延更為嚴重，其關鍵能力的交付時間已經推遲了4年。美國政府問責辦公室的調研表明：造成“運行控制系統”計劃嚴重拖延的主要原因包括：計劃調整、遠高于預期的軟件缺陷水平和由此造成的重大返工與代碼增長。美國政府問責辦公室將產生上述問題的原因歸結為：對“運行控制系統”技術復雜程度與工作量的認識不足或嚴重低估。

如果，“運行控制系統”的研發再度發生拖延，導致運行控制系統-1不能在2019年初之前投入運行，GPS系統將面臨更大的威脅。

GPS現代化計劃完成時間將推遲至21世紀30年代中期

按《GPS系統星座更新、補充》報告給出的GPS-3衛星發射計劃，至2024年美國空軍將完成14 顆GPS-3衛星的發射。如按照32顆的GPS-3衛星的采購計劃，尚有18顆GPS-3需要發射。按美國空軍平均每年發射2顆衛星的星座更新、補充設想，尚需9年，即至2033年才能完成全部32顆GPS-3衛星的發射，較原2025年推遲8年。

按目前的計劃，美國空軍將采購8顆GPS-3A衛星、8顆GPS-3B衛星和16顆GPS-3C衛星，且只有GPS-3C衛星擁有對導航戰能力至關重要的點波束增強功能。2016年初，美國空軍將啟動第11顆GPS-3衛星的采購活動，首先開展設計成熟度審查與風險降低活動，計劃于2018年授出研發合同。首批GPS-3衛星的研發合同于2008年授出，首顆衛星計劃于2016年底發射，研發周期約8年（拖延約2年）。即使按6年計算，第11顆GPS-3衛星具備發射能力時間應為2024年。因此，美國空軍無法按《GPS系統星座更新、補充》報告給出的發射計劃完成GPS系統星座的更新與補充。

美國空軍必須將第11～32顆GPS-3衛星的研發周期縮短至4～5年，才能按計劃完成GPS系統星座的更新與補充。在GPS系統發展過程中，衛星研發拖延的情況時有發生，計劃拖延的可能性很大。因此，如果第11～32顆GPS-3衛星的研發發生拖延，美國空軍將很難在2033年完成全部32顆GPS-3衛星的部署，GPS現代化計劃的完成時間很可能推遲至21世紀30年代中期。

GPS現代化計劃的拖延對美國軍事PNT能力的發展將產生重大影響

GPS現代化計劃十分重視軍事PNT能力的提升，其中M碼軍用信號、星上信號功率可調、高速星間星地鏈路和點波束信號等都是為了提升美國的軍事PNT能力，特別是導航戰能力。根據《國家PNT體系執行計劃》，美國計劃于2025年左右完成國家PNT體系的建設。然而，GPS現代化計劃的拖延將對美國國家PNT體系與軍事PNT能力的發展造成巨大影響。

GPS系統是美國國家PNT體系的基石，更是美國軍事PNT能力發展的核心。GPS現代化計劃中規劃了32顆GPS-3衛星，其中，GPS-3A衛星8顆，增加了L1C民用信號，GPS-3B衛星8顆，增加了高速星間星地鏈路功能，GPS-3C衛星16顆，增加了點波束增強功能，原計劃于2025年左右完成部署。按照調整后的計劃，至2025年，美國最多完成16顆GPS-3衛星的發射，其中具有高速星間星地鏈路功能的衛星只有8顆，且沒有擁有點波束增強功能的衛星。到2030年，將僅有10顆具備點波束增強功能的衛星，不足以支持覆蓋全球的點波束增強能力。

如果再次發生拖延，GPS系統擁有上述能力的時間將進一步推遲，對美國軍事PNT能力的建設、國家PNT體系的建設都將產生重大的影響。

4　結束語

《GPS系統星座更新、補充》報告是在GPS-3衛星與“運行控制系統”研發拖延，造成經費大幅度上漲，美國空軍被迫調整GPS-3衛星采購計劃的背景下產生的。雖然，GPS-3衛星采購、發射計劃的調整對美國維持GPS系統的可用性不會產生重要影響，但對美國軍事PNT能力、國家PNT體系的建設將產生重要影響。

祁首冰/本文編輯

A Study on the Prospect of GPS Based on Global Positioning System Constellation Replenishment