從OCX看GPS系統未來發展

● 文 |中國航天科技集團公司 趙欣

從OCX看GPS系統未來發展

● 文 |中國航天科技集團公司 趙欣

OCX（美國GPS新一代地面運行控制系統）的目標與任務是支撐未來以GPS-3衛星為核心的GPS系統空間星座的穩定運行。2016年，因OCX研發的嚴重拖延與經費超支（從最初的15.3億美元，增加至超過53億美元），違反了麥柯迪法案，引發了美國國會與美國軍方的激烈爭論。美國國會甚至在2017財年的預算審查中將OCX系統預算從3.93億美元削減為1.33億美元，表明了參議院對OCX系統研發的嚴重不滿。奧巴馬總統最終全額批準了OCX系統2017財年預算，解除了OCX系統的發展危機。本文就從系統整體的角度分析OCX對GPS系統未來發展的影響。

一、OCX在GPS系統現代化計劃中的作用

GPS系統由空間星座、地面運行控制系統和用戶段組成，其中地面運行控制系統是控制空間星座運行并提供滿足用戶需求的定位、導航與授時服務，實現導航戰功能的重要支撐。因此，GPS運行控制系統的發展決定著GPS系統服務性能與導航戰等各種功能的實現。

1.OCX在GPS系統中的運行控制作用

OCX是GPS新一代地面運行控制系統，最初的GPS運行控制系統被稱為OCS，上世紀九十年代中期完成全面部署，由1個主控站、3個數據注入站和5個跟蹤監測站組成。主控站位于美國科羅拉多州的施里弗空軍基地，見圖1。主控站是整個運行控制系統的核心，信息處理、衛星軌道計算、導航電文的生成、衛星控制與調度、時間同步等全部由主控站完成；而跟蹤監測站、數據注入站等只負責信息、數據的采集或導航電文的上傳，是通信網絡支持的、以主控計算機為核心的運行控制系統。解決了滿足當時GPS系統運行的問題。

圖1 最初的GPS地面控制系統

2.GPS現代化對運行控制系統的要求

1999年美國提出GPS現代化計劃，目標是全面提升GPS系統軍事與民用服務能力，增強對抗條件下軍用導航服務能力，增強在全球民用衛星導航市場的競爭能力，保持、增強美國在全球衛星導航領域的領先優勢與主導地位。現代化的GPS系統呈現如下主要變化：其一，星座衛星數量增加至30顆以上（最多32顆工作星），增加系統冗余，增強系統彈性；其二，在L1、L2頻段各增加一個M碼軍用信號；在L1、L2、L5頻段各增加一個民用信號；第三，增加星上信號功率可調、高速星間星地鏈路、點波束增強、搜索與救援和被動激光測距等導航戰能力；最后，運行控制系統將具備相對獨立的發射、測試、異常處置和退役管理的能力。因此，OCS遠不能滿足現代化GPS系統的運行控制要求，見表1。

表1 OCS系統能力與GPS現代化需求對比表

從表1可以看出，OCS完全不能滿足GPS現代化的要求。因此，OCX既是現代化GPS系統的重要組成部分，也是現代化的GPS系統空間星座的運行管理，定位、導航與授時服務的提供與導航戰功能運行的重要支撐。

二、OCX與GPS運行控制系統的演進

運行控制系統的現代化要在保證GPS系統正常運行的條件下進行，為此美國空軍采取了循序漸進、逐步提升的方式，將運行控制系統的現代化分為三個階段，分別為OCS精度改進、體系結構演進（AEP）和OCX。目前已經完成了OCS精度改進、體系結構演進兩個階段，即保證GPS系統正常運行，又實現了運行控制系統改進與升級。

1.OCS精度改進與體系結構演進計劃

（1）OCS精度改進計劃

1995年GPS聯合計劃辦公室成立了跟蹤網絡團隊（TNT），其任務是研究與確定GPS系統性能改進的可能性與跟蹤網絡的運行效率。1996年該團隊提出了6項改進建議，主要內容包括三個方面，其一，建立國防測繪局[DMA，國家地理空間情報局（NGA）的前身]6個GPS系統監測站、DMA網絡控制中心間與GPS系統主控站間和專用實時通信鏈路，改善帶寬與冗余性；其二，將DMA監測站的實時跟蹤數據引入至GPS運行控制系統，改善零數據齡的軌道精度與時間估算數度，改善衛星在軌異常的探測和采取措施的能力，并采用新版卡爾曼濾波器，提供實現全部衛星和地面系統處于同一狀態問題的能力；其三，增強主控站導航數據上傳能力，使其具有任意時間向任一衛星上傳數據的能力，最大程度地降低星歷和時鐘預報誤差。以此為基礎，在GPS現代化計劃下美國空軍、NGA與承包商共同制訂與實施了OCS系統精度改進計劃。

2005年6月開始，美國空軍經過半年的努力改進后的星歷表與濾波模型相繼投入使用且OCS系統主控站開始接收NGA監測站的數據。環境模型與卡爾曼濾波器的改進有效地提升了誤差的修正精度，優化了零數據齡，提高了軌道和星歷預報精度，服務性能得到了明顯改善。

（2）體系結構演進（AEP）計劃

AEP是GPS系統地面控制段現代化計劃中承上啟下的重要階段，最重要的是實現了GPS運行控制系統從大型主控計算機控制結構向分布式IT網絡控制結構的轉變，為OCX的發展奠定了基礎。

AEP計劃的目標是：其一是滿足運行、管理多達32顆GPS衛星（包括GPS-2F衛星）的要求；其二是實現由中央主控計算機控制結構轉變為分布式IT網絡控制結構的轉變，建設備份主控站與主控站網絡控制中心，提升地面控制段的安全性、可靠性與靈活性；其三是引入美國空軍衛星控制網地面天線網絡，增強地面段的數據獲取與傳輸能力。

1996年波音公司獲得了價值11億美元的AEP合同，1999年向美國空軍提交了最初方案。GPS現代化計劃提出后，美國空軍對AEP計劃進行了全面調整，使其能夠滿足GPS現代化的需求，并據此調整了AEP合同。

美國空軍實施AEP轉換的原則是“最安全、最快捷”。為此，美國空軍與波音公司共同制訂了“增強分階段運行轉換”（EPOT）計劃。EPOT計劃將從OCS到AEP的轉換分為4個階段，分別為階段0至階段3。GPS系統地面控制段的對外接口則按轉換的需要，在不同階段實現從OCS向AEP的轉換。

2.OCX計劃

OCX是GPS系統地面控制段現代化改造的最后階段，其目標是全面滿足現代化的GPS系統空間段的運行、控制與管理要求，增強賽博安全與信息保證能力。在完成全面、系統的需求定義、風險降低等研究活動之后，2007年11月美國空軍將兩個合同OCX分別授予了諾斯羅普·格魯曼和雷神公司，每個合同價值1.6億美元，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，最終確定了分4個階段實施的OCX系統方案。2010年2月，美國空軍將OCX第1與第2階段的研發合同授予了雷神公司，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。OCX發展路線圖與核心需求分別見圖2、表2。

圖2 OCX發展路線圖

表2 OCX核心需求

OCX是支撐未來GPS-3衛星星座的核心或使能設施，沒有OCX的支撐，GPS現代化所發展的M碼、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。因此，OCX是不可替代的，沒有OCX，GPS現代化的全部努力可能將前功盡棄。這也是奧巴馬在OCX超支非常嚴重（接近3.5倍）的情況下依然選擇支持發展OCX系統的根本原因。

美國國會問責署（GAO）的調研表明OCX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。GAO將產生上述問題的原因歸結為：對OCX技術復雜程度與工作量的認識不足或嚴重低估，雷神公司也承認：在OCX系統的“信息保證能力”的研發等方面遇到了超出預料的技術挑戰。GAO對GPS-3與OCX計劃的未來發展持較為悲觀的態度，認為OCX1與OCX2投入初始運行的時間將至少推遲至2018年11月和2019年11月。

三、從OCX看GPS系統未來發展

從GPS系統的發展過程與未來發展計劃看（見圖3），隨著GPS系統導航戰功能的增加，空間段的運行，特別是導航戰相關功能與能力的使用將更加依賴地面運行控制系統的指揮與控制，以確定在什么時間、對什么區域使用諸如星上信號功率可調、點波束增強等能力。

圖3 GPS系統發展路線圖

從GPS系統空間星座的部署情況看，2016年初美國空軍已經完成了全部12顆GPS-2F衛星的發射，構成了由12顆GPS-2R、7顆GPS-2RM和12顆GPS-2F衛星組成的運行星座。從美國空軍2015年向國會國防委員會提交的《GPS系統星座更新、補充》報告來看，由于GPS-3與OCX研發的拖延，首顆GPS-3衛星的發射推遲至2017年。然而，2016年底美國空軍宣布，洛馬公司發現由有效載荷供應商——哈里斯公司提供的陶瓷電容沒有嚴格按程序進行測試，必須重新按程序進行測試。為此，首顆GPS-3衛星的發射已經推遲至2018年春季。利用該系列衛星進行星座更新與補充發射將從2019年全面啟動，計劃每年進行2次發射，32顆GPS-3衛星的發射將持續至2033－2034年。

截至目前，美國空軍僅簽署了OCX1、OCX2兩個階段的研發合同，如能按GAO的預測于2019年完成部署將使GPS現代化計劃中規劃的全部軍民用導航信號、星上信號功率可調等能力投入使用，并有效地改善GPS系統的賽博安全與信息安全能力，使GPS系統的導航戰能力得到明顯的增強。OCX計劃完成后，GPS運行控制系統將全面擁有支撐由GPS-3衛星組成的空間星座的運行能力，其未來空間與地面體系見圖4。

從OCX的發展來看，導航戰技術與能力仍將是未來20年GPS系統的發展重點，并擴展至賽博安全與信息安全領域。OCX發展路線圖表明，OCX4將發展具有支持“靈活有效載荷”運行的能力，意味著GPS衛星將發展“靈活有效載荷”能力。2016年5月，以GPS-3衛星模塊化和全數字化有效載荷設計為基礎，洛馬公司啟動了為期26個月的GPS-3衛星“在軌可重新編程”技術驗證，目標是為GPS-3衛星提供在軌升級和增加新信號、新功能的能力。這也是從第11顆開始的GPS-3衛星生產準備成熟度評估計劃的一部分。“在軌可重新編程”能力將使GPS系統能夠在需要時實現在軌升級，生成并播發新的導航信號和構建新的功能與能力。顯然，這將使GPS系統的導航戰技術與能力進一步升級。2015年，美國空軍啟動了衛星導航新概念、新技術驗證項目NTS-3，其最重要的內容為可實現中心頻率與信號波形調整的“在軌數字波形生成器（ORDWG）技術”，目的也是增強導航戰能力。

圖4 未來GPS系統空間與地面體系（OCX＋GPS-3衛星）

四、結束語

導航戰能力是對抗條件下軍事定位導航授時能力的重要保障，與減少對運行控制系統依賴的自主導航技術相反，星上信號功率可調、點波束增強和未來的靈活有效載荷等技術與能力的運行與應用將更加依賴地面運行控制系統的指揮與控制。因此，未來GPS系統導航戰功能與能力的實現與應用將更多地依賴OCX系統提供的指揮與控制能力。

[1]GPS CONSTELLATION STATUS FOR 12/04/2016. www.navcen.uscg.gov-gps. 201705.

[2]Dee Ann Divis. New GPS Ground Control System Likely to Continue with Modifications. www.insidegnss.com/node/5145. 201705.

[3]NTS-3. http://.space.skyrocket.de/#doc_sdat/nts-3.htm.201608.

[4]INSIDEGNSS. Lockheed Martin Awarded $395 Million GPS III Contract Option. www.insidegnss.com/node/5132. 201608.