前六代俱往矣GPSIII開(kāi)啟現(xiàn)代化新進(jìn)程

+ 曹沖

2018年12月23日，GPS III第一顆衛(wèi)星的成功發(fā)射，代表GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化進(jìn)程步入最后的發(fā)展階段。GPS III是GPS系列衛(wèi)星中的第七代衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星星座，從1978年以來(lái)經(jīng)過(guò)六次重大的迭代演變，其第六次迭代是在2010-2016年間進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)GPS IIF更迭。而第七次更迭從2018年開(kāi)始，可能到2023年才能完成第一階段迭代，而實(shí)現(xiàn)GPS III整體星座迭代可能將延續(xù)到2033年。（參見(jiàn)表1）

一、GPSIII的主要技術(shù)進(jìn)步和特點(diǎn)

GPS衛(wèi)星第六代的GPS IIF，有12顆衛(wèi)星，它們的設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)達(dá)到12年，比此前兩代的7.5年設(shè)計(jì)壽命，增加了三分之一以上。同時(shí)，具備軟件上載、抗干擾能力和精度的提高。

GPS第七代的GPS III，設(shè)計(jì)壽命更增加到15年。除去去年底發(fā)射的SV01星，還有九顆衛(wèi)星待發(fā)射，GPS IIISV02星將于今年六月發(fā)射，下半年還將發(fā)射SV03星，2020年發(fā)射SV04星，SV10星將在2023年升空。其后，就是GPS的第八代星GPS IIIF，共有22顆衛(wèi)星，計(jì)劃于2033年發(fā)射完成。

二、L頻段上的信號(hào)故事

在GPS III衛(wèi)星上，增加了多個(gè)民用頻點(diǎn)，除原先的L1C/A外，第二個(gè)開(kāi)放的GPS信號(hào)在L2C上，這是從2005年發(fā)射第一顆GPS IIR衛(wèi)星時(shí)就開(kāi)始采用的信號(hào)點(diǎn)，第三個(gè)開(kāi)放的GPS信號(hào)在L5頻點(diǎn)上，這是2010年發(fā)射的第一顆GPS IIF衛(wèi)星開(kāi)始采用的，第四個(gè)開(kāi)放的GPS信號(hào)還是在L1頻點(diǎn)上，但發(fā)射的是L1C信號(hào)，該信號(hào)是從2018年底發(fā)射的GPS III第一顆衛(wèi)星開(kāi)始采用的，該衛(wèi)星在2018年12月23日升空后，經(jīng)過(guò)提軌和天線與太陽(yáng)能陣列部署，從2019年1月8日起衛(wèi)星導(dǎo)航載荷開(kāi)始廣播導(dǎo)航信號(hào)，在軌測(cè)試仍在進(jìn)行，試驗(yàn)證明導(dǎo)航載荷的能力符合預(yù)期，衛(wèi)星完全處于健康工作狀態(tài)。GPS III所發(fā)射的L1C信號(hào)，能與其他GNSS實(shí)現(xiàn)兼容互操作，改進(jìn)民用用戶的連接性需求。GPS III最終將實(shí)現(xiàn)完整的軍用M-碼功能 ，在GPS IIR-M和GPS IIF衛(wèi)星上曾經(jīng)載有這類軍碼，但是未能完全實(shí)施，無(wú)法支持作戰(zhàn)人員的運(yùn)作。GPS III M-碼能力超過(guò)GPS IIR-M和GPS IIF。GPS III將完成L2C民用信號(hào)的部署，以及從GPS IIR-M和GPS IIF衛(wèi)星開(kāi)始的L5生命安全信號(hào)功能。最后，GPS III將實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的完好性，這就是說(shuō)，一旦發(fā)生精度降低的問(wèn)題，衛(wèi)星具有自行檢測(cè)并發(fā)出警報(bào)的能力。值得指出的是，加密的軍碼信號(hào)具有信號(hào)功率提升能力，其發(fā)射功率可以比通常情況下提高八倍，從而增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了可靠性。此外，其他信號(hào)也可以提高在地球表面的信號(hào)接收功率，對(duì)于L1和L2，其C / A碼信號(hào)為-158.5 dBW，P（Y）碼信號(hào)為-161.5 dBW，而L5為-154 dBW。

表1 GPS歷代衛(wèi)星情況一覽

三、GPS現(xiàn)代化是個(gè)系統(tǒng)性課題

GPS III是GPS現(xiàn)代化的巔峰之作，而真正的GPS現(xiàn)代化不僅僅只是衛(wèi)星的事情，而且涉及地面運(yùn)控、用戶終端，以及大量的研發(fā)測(cè)試工作。

GPS III衛(wèi)星的大腦是導(dǎo)航有效載荷。哈里斯公司是洛克希德·馬丁公司的分包商，負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)用于GPS空間部分的GPS III任務(wù)數(shù)據(jù)單元（MDU）和發(fā)射器（六個(gè)已經(jīng)交付）。哈里斯公司的MDU與原子頻率標(biāo)準(zhǔn)和L波段發(fā)射機(jī)設(shè)備一起構(gòu)成了導(dǎo)航有效載荷單元。MDU執(zhí)行GPS衛(wèi)星的主要任務(wù)：連續(xù)生成導(dǎo)航信號(hào)和數(shù)據(jù)。MDU控制產(chǎn)生用于導(dǎo)航信號(hào)的精密定時(shí)信號(hào)，同時(shí)將定時(shí)信號(hào)分配給其他衛(wèi)星部件。這個(gè)MDU的70%已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。接下來(lái)，GPS IIIF衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)字化。涉及全數(shù)字化有效載荷的優(yōu)勢(shì)時(shí)應(yīng)該指出，30%的差距是在時(shí)間保持系統(tǒng)部分，正在從手動(dòng)和模擬定時(shí)轉(zhuǎn)向數(shù)字化，為空軍提供更大的靈活性。這是一個(gè)很好的選擇，必須能夠在空間軌道上重新編程，并可能增強(qiáng)未來(lái)所需的功能。

如何工作得更好，如何保證工作壽命更長(zhǎng)，是GPS III提供的關(guān)鍵改進(jìn)之一。GPS III衛(wèi)星的計(jì)劃任務(wù)壽命為15年，比其前輩長(zhǎng)25%。這引出了一個(gè)問(wèn)題：“衛(wèi)星在太空中居住多久才合適，特別是在技術(shù)創(chuàng)新幾乎每年都會(huì)發(fā)生的背景下”？先進(jìn)的有效載荷技術(shù)提供商給出了部分答案——洛克希德·馬丁公司和哈里斯公司指出新的有效載荷能力具有內(nèi)置的靈活性，可以使軌道衛(wèi)星適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步以及任務(wù)的變化。根據(jù)哈里斯公司的說(shuō)法，全數(shù)字導(dǎo)航有效載荷將提供在任務(wù)壽命期間增量更

圖1 GPS III衛(wèi)星效果圖

2 GPS IIIF衛(wèi)星效果圖

圖新和升級(jí)衛(wèi)星的能力。2017年底，洛克希德宣布與NEC公司建立合作伙伴關(guān)系，為軌道上的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)引入人工智能。該公司宣稱在處理器方面有重大進(jìn)步，并轉(zhuǎn)向下一代天線、陣列和發(fā)射器，以提高衛(wèi)星的可行性、功能和彈性。

地面運(yùn)控系統(tǒng)的升級(jí)換代（OCX）是GPS III現(xiàn)代化階段的重要組成部分。GPS III的軍事升級(jí)需要新的地面控制站，由于編程和需求修改的復(fù)雜性，OCX的替代工作遭受了反復(fù)延遲和成本增加。在新的高度復(fù)雜的地面控制系統(tǒng)可用之前，新的抗干擾軍事信號(hào)將無(wú)法使用，并且預(yù)計(jì)在2022年或2023年之前不會(huì)實(shí)現(xiàn)。“深度防御”信息保證標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有豁免，使其具有任何美國(guó)國(guó)防部太空系統(tǒng)的最高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)。GPS OCX的可交付成果分為三個(gè)階段。Block 0交付發(fā)生在2017年秋季，使其能夠支持GPS III的首次發(fā)射。Block 1交付將在2021年進(jìn)行，提供全面的操控能力，以控制傳統(tǒng)和現(xiàn)代化的衛(wèi)星與信號(hào)。與Block1同時(shí)交付的Block2增加了L1C的操作控制和現(xiàn)代化的M-碼。

嚴(yán)格的測(cè)試，再測(cè)試，確保系統(tǒng)的成功運(yùn)行。洛克希德·馬丁公司開(kāi)發(fā)GPS III，使用了空軍的返回基礎(chǔ)程序，涉及早期原型設(shè)計(jì)和模擬，其方法涉及嚴(yán)格的質(zhì)量構(gòu)建和認(rèn)證，以及組件測(cè)試和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，全面的需求驗(yàn)證和驗(yàn)證過(guò)程確保了超過(guò)30,000個(gè)要求的達(dá)到。系統(tǒng)功能認(rèn)證包括多種環(huán)境測(cè)試中的性能驗(yàn)證，涵蓋聲學(xué)、熱真空（TVAC）和電磁頻譜。“我們認(rèn)為熱真空是測(cè)試任何衛(wèi)星投入運(yùn)營(yíng)前的黃金標(biāo)準(zhǔn)，”GPS理事會(huì)主任史蒂夫惠特尼上校指出，“從開(kāi)始到結(jié)束的整個(gè)熱真空測(cè)試大約是70天。與此同時(shí)，我們的員工正在關(guān)注數(shù)據(jù)及其健康狀況。熱真空測(cè)試是衛(wèi)星經(jīng)歷的一個(gè)重要里程碑，不能存在任何問(wèn)題。到目前為止，所有10顆GPS III衛(wèi)星的90%以上的零件和材料都來(lái)自29個(gè)州的250多家航空航天公司。”SATNET