維斯普奇衛星導航的GPS Ⅲ時代

宋心榮

首顆 GPS Ⅲ衛星的綽號 “維斯普奇”來自意大利航海家亞美利哥· 維斯普奇，美洲正是以他的名字命名的。

2018年12月23日，經過幾個月的延誤之后，美國第一顆GPS Ⅲ衛星搭乘Space X公司的“獵鷹”9火箭從卡納維拉爾角發射升空。這顆衛星的綽號“維斯普奇”來自意大利航海家亞美利哥·維斯普奇（Amerigo Vespucci），美洲正是以他的名字命名的。

目前在軌日常運營的有31顆GPS衛星，分屬四代。最早的是1990～1997年發射的GPS Block ⅡA，1997～2004年發射的GPS Block ⅡR，2005～2009年發射的GPS BlockⅡ-RM以及2010～2016年發射的GPS Block ⅡF。其中GPSBlock ⅡA、ⅡR和Ⅱ-RM衛星都已超期服役，亟需更換。這也是美國研制GPS Ⅲ衛星的原因。

技術上，GPS Ⅲ并不是GPS Block ⅡF的簡單改進，而是全新的設計。其民用信號的可靠性和精度大幅提升，軍用信號的抗干擾能力也大大提升。另外GPS Ⅲ的使用壽命也達到了15年，是GPS Block ⅡA的兩倍，可以降低更換衛星的成本。

為了提升民用信號的可靠性和準確性，GPS Ⅲ衛星將同時向地球發射兩種民用導航信號，兩種信號可以互相校正，減少電離層引起的偏差。同時，這兩種信號中的一種信號可以與歐洲的“伽利略”系統、中國的“北斗”系統和印度以及日本的衛星導航系統相兼容。這就意味著用戶的移動端可以同時接受包括更多導航衛星的信號，增加定位精度。根據GPS…承包商洛克希德·馬丁公司的估計，GPS Ⅲ衛星組網后，其民用信號的定位精度可以達到1～3米，而舊GPS系統的精度則在10米左右。

新一代GPS衛星的太陽能電池板功率是舊衛星的8倍，更強大的電源意味著更強大的信號功率。信號增強后，在樹林、峽谷、建筑物密集區甚至建筑物內都能獲得其導航信號。而在之前，這些地區幾乎無法使用GPS導航。

雖然民用用途很廣，但GPS主要還是為軍事用途服務的。在今天的電磁環境中，易被干擾是GPS系統的主要缺陷。在北約舉行的“三叉戟”2018軍演中，北約部隊接收的軍用GPS信號就受到了干擾。因此，GPS Ⅲ衛星毫不意外將改進重點放在了提升軍用信號的抗干擾能力上。GPS Ⅲ衛星的加密軍用信號發射功率是舊衛星的8倍，足以“蓋過”干擾信號。除此之外，GPS Ⅲ衛星還采用了新型高增益定向天線。此前，GPS衛星大多采用普通拋物面天線，保證信號覆蓋面積最大，但單位面積上信號強度并不大，容易被干擾。GPS Ⅲ的高增益定向天線則將信號定向發射到直徑僅為200千米的區域，區域內的信號強度很高，足以抵消干擾，使武器彈藥得到可靠的導航信號。

2018年12月23日，經過幾個月的延誤之后，美國第一顆GPS Ⅲ衛星搭乘Space X公司的“獵鷹”9火箭從卡納維拉爾角發射升空。

目前，GPS Ⅲ衛星組網進度并不確定。根據美國空軍的計劃，第一顆GPS Ⅲ衛星早在2016年就應該如期升空。但由于關鍵部件的交付延期，導致衛星的裝配不斷延后。美國空軍決定使用“獵鷹”9火箭來發射該衛星也拖延了發射時間，因為此前Space X公司從來沒有發射GPS衛星的經驗，該公司進行了額外的準備工作。美國政府問責辦公室指出，為了盡快實現組網，已經沒有時間讓第一顆GPS Ⅲ衛星在軌進行充分測試之后，利用其經驗再行建造第二顆GPS Ⅲ衛星，只能采取邊建造邊改進的方法。因此GPS Ⅲ衛星的組網很可能不能按期實現，在此之前，還要由老GPS星座苦苦支撐。

OCX地面站系統

雖然GPS Ⅲ衛星終于飛上了天，但配套的OCX地面站系統卻尚未交付。一個完整的GPS系統需要由GPS衛星星座、地面站以及用戶接收機組成，三者缺一不可。根據美國相關部門的報告，OCX地面站系統最早要到2022年或2023年才能建成。因此，未來一段時間內，GPS Ⅲ系統仍然難以充分發揮效能。

OCX地面站由主控站，全球檢測站和地面控制站組成。其任務主要是時時校正GPS衛星的軌道偏差和時鐘誤差。GPS衛星在軌道上長期運行，受到空氣阻力的作用，軌道難免出現偏差，影響到導航精度。同時，隨著時間的推移，其星載原子鐘的誤差也將積累。這就需要地面站進行校正。在實際操作中，這種校正每天都要進行一次，才能保證導航的精度。

在戰時對GPS信號的干擾也包括攻擊OCX地面站系統。因此，對美軍來說，對于OCX地面站的保護——尤其是抗網絡攻擊的能力至關重要。2010年，美國國防部就和雷神公司簽訂了研制GPS Ⅲ衛星配套的OCX地面站系統的合同，合同價值34億美元。美國國防部認為，衛星地面站必須滿足“縱深防御”的網絡安全標準，才能有效對抗網絡攻擊。除此以外，OCX系統還要能給GPS Ⅲ衛星發出指令，切換導航信號，以規避干擾頻譜。另外，每個OCX地面控制站能控制的衛星數量是傳統地面站的兩倍，即使一部分OCX地面站遭到攻擊，剩下的OCX地面站仍然可以控制GPS Ⅲ衛星星座。

從紙面上看，OCX系統的性能十分先進。但是理想總是很豐滿，現實總是很骨感。過高的性能要求使得OCX系統的研發一波三折。根據合同規定，雷神公司應于2016年10月交付OCX系統。然而，到了2016年，OCX系統的交付仍遙遙無期，而且該項目的成本已經升至42.5億美元。截止到2018年，美國國防部已經在該項目上耗費了60億美元，但OCX系統還是沒造出來。OCX系統的“難產”主要還是因為五角大樓過嚴的網絡安全標準。雖然雷神公司擁有豐富的衛星地面站研發經驗，但對于網絡安全問題則顯得有些束手無策，更何況OCX系統還是滿足美國國防部“縱深防御”網絡安全標準的第一個軍用系統一第一個吃螃蟹的人不是那么好當的。為了彌補自身在網絡安全領域的劣勢，雷神公司在2015年斥資16億美元收購了商業網絡安全公司Websense。到2018年6月，OCX系統終于通過了美國空軍的網絡攻擊測試，滿足了“縱深防御”網絡安全標準。

根據雷神公司負責OCX項目的副總裁比爾·沙利文的說法，該公司將在2021年6月左右向美國空軍交付該系統。為了填補OCX系統的空缺，美國空軍不得不尋求臨時解決方案，以渡過OCX系統到位之前的空窗期。為此，美國空軍和洛馬公司聯合開發了名為COpS的應急系統，安裝在現有的GPS地面站中，和GPS Ⅲ衛星配套使用。該系統于2016年開始研發，耗資1.6億美元，預計將于2019年4月交付。

責任編輯：王鑫邦