美國GPS系統在軌運行管理

● 文 |中國空間技術研究院 殷海嘯

美國GPS系統在軌運行管理

● 文 |中國空間技術研究院 殷海嘯

GPS系統是美國最重要的空間基礎設施，承擔著為美國政治、經濟、軍事、外交和日常的生產、生活活動提供統一的時間、空間基準與定位、導航與授時服務的重要任務。在軍事領域，GPS系統是美國軍事力量的能力倍增器，在20世紀90年代以來的歷次沖突與戰爭中發揮了極其重要的作用。在民用領域，GPS系統應用已經滲透到美國經濟與社會生產、生活的幾乎所有領域，有效地提升了相關領域的效率與效能，并形成了全球領先的衛星導航應用產業，成為美國經濟發展強有力的助推器。

為保證GPS系統運行與服務的穩定，美國建立了較為完善的管理組織結構，支撐GPS系統空間段運行、補充與更新的運行管理基礎設施和在軌運行管理程序，保證了GPS系統運行與服務的穩定，實現了服務性能的不斷提升，保證了美國在衛星導航領域的主導與領先地位。

一、GPS系統運行管理組織結構

圖1 GPS系統頂層管理組織結構

1．GPS系統頂層管理組織結構

根據2004年12月發布的美國《國家天基定位、導航與授時政策》，美國調整了GPS系統管理體系與組織結構，建立了級別更高、更加權威的頂層管理組織結構（圖1）。

其中，國家天基定位導航授時（PNT）執行委員會是GPS系統的最高管理機構，對維持和促進天基PNT系統的政策、機構、需求和資源分配負有戰略決策責任，并對各個部、局提出的建議進行協調。執行委員會由國防部和運輸部部長或由他們指定的代表擔任聯合主席。執行委員會的成員及其代表，擁有與聯合主席同等的地位。成員來自國務院、商務部、國土安全部、參謀長聯席會議、國家宇航局和其他相關部、局相同級別的代表。總統行政辦公室的成員，包括管理與預算辦公室、國家安全委員會、國土安全委員會、科學技術政策辦公室和國家經濟委員會，作為執行委員會的觀察員。并邀請聯邦通信委員會主席作為執行委員會的聯絡員。

2．GPS系統運行管理組織結構

GPS聯合計劃辦公室（JPO）負責GPS系統的信息獲取和運行管理。JPO是空間與導彈系統中心（SMC/CZ）下設的一個辦公室，負責GPS項目的管理。JPO位于加利福尼亞州洛杉磯美國空軍基地（AFB），代表美國國防部（DoD）獲取GPS衛星信息，并負責確保GPS衛星的補網發射、及時生產和交付，保證GPS星座的正常運轉。JPO還負責在項目管理指南（PMD）的指導下，設計、改良運作方式并加以推行。JPO根據空軍航天司令部總部（HQ AFSPC）的需要，針對工程、空間段發展、地面控制段的更新換代提供系統級的技術支持。

GPS聯合計劃辦公室由美國空軍領導，包括民用部門在內的多個部門派代表參與。海岸警備隊代表參與JPO，其首席代表是項目主管代表（Deputy Program Manager ，DPM)，DPM直接向GPS項目主管和運輸部負責運輸政策的部長助理負責。

GPS系統維持與發展的經費保障由HQ AFSPC負責，列入美國國防預算，為GPS星座提供空間和地面段支持。在經費保障前提下，GPS系統由空軍14聯隊（14AF）負責GPS系統的運作。GPS系統星座的日常運行管理由空軍第50聯隊下屬的第2空間運行中隊管理。GPS系統在軌運行管理組織結構見圖2。

圖2 GPS系統在軌運行管理組織結構

根據美國法典第十章第164節的規定，美國航天司令部總司令（USCINC SPACE）作戰司令部（COCOM）代表聯合總司令遂行航天部隊的管理。USCINC SPACE授予COCOM對所轄軍事力量的指揮權。

HQ AFSPC的職責是支持GPS系統基礎管理部門，制定計劃、為政策制定及項目評估提供資金；組織、培訓、訓練下級現役部門的任務執行能力；對新出臺的命令、管理、通信的能力提供詳細說明，為與衛星性能相關的工作人員（履行者）提出基本要求；為GPS計劃爭取經費。

美國航天司令部（AFSPACE）/空軍第十四聯隊（14AF）對GPS系統行使操作控制權（OPCON）。OPCON是一種指揮授權，對任務中所管轄的軍力、作戰目標的確立、命令指導履行指揮權。GPS OPCON包括對GPS主控站（MCS）、地面天線、監控站、發射場、執行中隊的操作控制權。

第50航天聯隊（50 Space Wing）第2運行中隊（2 SOPS）擁有戰術控制權（TACON），執行操作控制，其定義為：“指具體的、一般為本地的指導權，及對任務涉及的行動和機動人員的控制權”。用GPS TACON完成GPS導航、時間轉換及核爆炸探測任務區域。總司令擁有GPS 戰術控制權，第2運行中隊受空軍第50航天聯隊指揮員的直接監督。

二、GPS系統在軌運行管理

按GPS系統的運行管理要求，GPS衛星的運行管理功能分為三個部分。其一，衛星發射與入軌管理；其二，衛星在軌運行管理；第三，GPS衛星的退役管理。為保證系統運行與服務的安全與穩定，美國空軍將GPS運行控制系統分為兩個部分，其一，發射、入軌、測試與退役管理部分，簡稱LADO。該部分負責更新、補充衛星的發射、入軌、測試與退役衛星的處置。其二，在軌運行衛星管理部分。當前為AEP部分。

1．發射、入軌、測試與退役管理

目前，GPS衛星的更新與補充發射決策依據如下三個方面的內容做出。其一，在軌衛星的健康狀態與運行情況；其二，在軌衛星健康狀態評估模型的評估結果；其三，專家團隊的評估結果。

在軌衛星健康狀態與運行情況由運行控制系統的主控站、監測站等對衛星系統工作與服務狀態的監測結果產生，包括衛星平臺狀態信息（如控制系統、電源、推進系統等）、有效載荷狀態信息（如星載原子鐘、導航信號生成器、功率放大器等）。在軌衛星健康狀態與運行情況信息也將作為在軌衛星健康狀態評估模型的重要輸入信息。

在軌衛星健康狀態評估模型是美國空軍依據GPS衛星數十年的運行經驗與運行數據研發、建立的評估模型，以衛星健康狀態與運行情況為主要輸入信息評估衛星遂行任務的能力、可用性，以及預期工作壽命等評估結果，是美國空軍做出GPS衛星更新、補充與退役決策的重要依據之一。

專家團隊以在軌衛星健康狀態與運行情況、在軌衛星健康狀態評估結果等為依據，結合衛星、運載火箭的研發周期、生產線狀態、發射工位等數據做出GPS衛星更新、補充與退役決策。

GPS衛星的發射、入軌與測試在LADO系統的支持下進行，衛星成功入軌后在LADO系統的支持下進行衛星的在軌測試，此階段一般需30天左右的時間。測試完成后衛星替換老舊、失效的衛星或進行星座補充。

退役衛星管理是當前GPS系統在軌運行管理的重要內容，也是保證GPS系統空間軌道安全的重要措施。美國空軍已經完成了數十顆GPS衛星的退役處置工作，其當前的退役衛星處置方案為：利用星上剩余燃料將退役衛星軌道抬高1000km，送入墓地軌道，以保證GPS系統的運行安全。

2．在軌工作衛星運行管理

GPS系統在軌工作衛星管理利用運行控制系統進行，主要功能包括：

1）衛星軌道的精確測量，以確定、預測和連續發布全部GPS工作衛星的軌道參數；

2）時間的精確測量，以確定全部GPS衛星的星載時間系統與GPS系統時間、世界協調時間之偏差，通過調相和校正GPS衛星的星載時間系統的時間，使GPS衛星時間與中央同步器及統一時間部門的時間同步；

3）生成工作信息（導航電文）數據集，包括預測星歷、歷書、對每顆GPS衛星的星載時間系統時間的修正，并生成導航幀所需的其他信息；

4）將工作信息數據集傳輸至每顆GPS衛星，并監控數據集的運行；

5）通過遙測信息監控GPS衛星星上系統的工作，并確定其狀態；

6）控制GPS衛星導航電文中的信息，接收運控子系統的接收呼叫信息；

7）通過向GPS衛星發送控制程序和控制指令，控制GPS衛星的飛行和星上各子系統的工作（如星上時間系統主鐘、熱備份鐘和冷備份鐘的切換等）；

8）調度運行控制系統全部技術裝備的工作與各單元之間的數據自動處理與傳輸。

GPS系統已經完成了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，形成了GPS運行控制系統的工作主控站與備份主控站的雙主控站結構。因此，在GPS系統在軌工作衛星運行管理過程中，必須實現主控站、備主控站運行控制狀態與信息的完全同步，以保證備份主控站可隨時接替工作主控站GPS系統的運行控制工作。

三、結束語

自1995年GPS系統投入全面運行以來，美國空軍保證了GPS系統在長達20余年時間里的連續、穩定運行，積累了豐富的導航衛星在軌運行管理經驗。全面了解、掌握、借鑒美國GPS系統在軌運行管理的經驗，對我們分析、研究全球衛星導航系統的運行與管理規律對保證北斗系統的連續、穩定運行具有重要參考價值。

[1]Space-based Positioning Navigation &Timing National Executive Committee.www.gps.gov.

[2]Dee Ann Divis. GAO: New GPS Ground System, Not GPS III Engineering,Primary Cause for Delays. www.insidegnss.com/node/5252. 201610.