首颗GPS-3卫星发射，GPS第三代系统建设帷幕开启

2019-02-19刘春保

国际太空 2019年1期

刘春保

美国首颗GPS-3卫星于2018年12月23日成功发射，代表着美国第三代GPS卫星进入部署、运行阶段，将对全球卫星导航领域的格局产生重要影响，进一步巩固、增强美国在全球卫星导航领域，特别是军事卫星导航领域的优势。

1 GPS现代化计划

GPS-3卫星是GPS现代化计划最重要的组成部分，了解GPS现代化计划是认识、掌握GPS-3卫星发展的重要基础。GPS现代化计划于1999年首次提出，确定了两个主要目标，其一，增强GPS系统强对抗环境下的定位导航授时服务能力，即所谓“导航战”能力，主要包括增加新的M码信号、星上信号可调功能、V频段高速星间星地链路、点波束增强、可变导航有效载荷等；其二，增强GPS系统在全球民用卫星导航市场的竞争能力，主要包括增加L2频段的L2C民用信号和L5频段主要用于民用航空导航的L5信号。

GPS现代化计划由三个方面的内容组成：①GPS系统空间段现代化涉及5个型号，分别为GPS-2RM、GPS-2F和GPS-3A/3B/3C卫星（现GPS-3卫星已经调整为2个型号，分别为GPS-3和GPS-3F卫星）。②GPS运行控制系统现代化分两个阶段进行，分别为体系结构演进计划（AEP）和新一代运行控制系统（OCX)。AEP计划于2012年底完成，实现了GPS运行控制系统从大型主控计算机控制结构向分布式IT网络控制结构的转变。这种控制结构的转变提升了GPS运行控制系统的可靠性、稳健性与GPS星座的运行控制能力，也为GPS新一代运行控制系统的建设与发展奠定了基础，同时也使赛博安全成为GPS系统运行控制系统必须解决的问题。OCX除保证GPS系统卫星的运行管理，以及新的军、民用信号（M码、L2C、L5C和L1C）以及支持在轨升级、信号重构、高速星间/星地链路和点波束功率增强等新信号、新功能的运行外，最重要的变化是增加了GPS运行控制系统的赛博安全与信息保证能力。③GPS军事用户装备现代化的主要内容同样包含两个部分内容。其一是研发充分发挥现代化GPS系统能力、满足新军事需求的GPS军用核心芯片与板卡；其二是各军兵种以GPS军用核心芯片与板卡为基础研发满足各自需求的用户装备。

2 GPS-3系列卫星

GPS-3卫星的发展延续了小步快跑、螺旋式上升的发展策略。按最初的计划，GPS-3卫星分为A、B、C三个型号，每个型号安排一或两项功能或能力的重要增量（L1C互操作信号与搜索救援功能、高速星间星地链路、点波束增强），最终美国GPS系统将提供水平0.5m、垂直1.2m的定位与导航精度，授时精度1.3ns，具有灵活的信号功率分配能力，20dB的区域增强能力，100Mbit/s的星间/星地间链路能力，满足现代化计划的整体要求。

由于计划拖延，2017年底美国空军调整了GPS-3卫星研发计划，由原来的3个型号调整为GPS-3和GPS-3F卫星两个型号，其中F意为后续型号。

GPS-3卫星

GPS-3是GPS-3卫星的首个型号，在完成风险降低等一系列研发活动后，2008年5月美国空军将GPS-3卫星的发展合同授予了洛马公司领导的团队（包括ITT公司和通用动力公司），合同价值14.64亿美元，其中，洛马公司为主承包商，主要负责卫星、关键部件、集成总装与测试、发射和计划管理；ITT公司[现为哈里斯（Harris）公司，2011年ITT公司剥离国防业务部分成立Exelis公司，2015年Harris公司以46.5亿美元的价格收购Exelis公司]为有效载荷主承包商，负责导航载荷的设计、研发与生产；通用动力公司负责网络通信部分与UHF频段星间链路。至2016年底，美国空军已经签订了10颗GPS-3卫星的采购合同。

GPS-3卫星采用洛马公司的A2100M平台，A2100系列平台已经经历了严酷的空间环境的考验，其中A2100M平台为美国军用卫星广泛采用，具有非常高的可靠性。选择A2100M平台的主要依据包括：①模块化的设计，更易于实现卫星功能的扩展，为GPS-3卫星后续型号（GPS-3F）卫星的发展奠定了重要基础；②成熟的平台，低成本、低风险，有利于降低GPS-3卫星的研发风险与研发成本，增强投入的可承受性；③整体性能满足GPS-3卫星发展要求，即从寿命、有效载荷承载能力、电源、控制精度等方面满足GPS-3与后续型号发展要求。

GPS-3F卫星

2018年2月，美国空军宣布将发布后续22颗GPS-3卫星的征询建议书，并将其命名为GPS-3F卫星。除拥有GPS-3卫星的全部功能外，GPS-3F卫星主要增加V频段高速星间星地链路（带宽100MHz）、点波束功率增强（20dB），导航有效载荷的数字化率达到100%，结合星上可重新编程能力，可实现卫星功能的在轨升级与导航信号在轨重构等能力。同时，在新一代运行控制系统的支持下，GPS系统将拥有强大的赛博安全能力，从而保证GPS系统在赛博攻击条件下稳定、可靠的运行能力。

GPS-2F、GPS-3、GPS-3F卫星对照表

随着波音公司、诺格公司先后退出GPS-3F卫星的竞争，美国空军于2018年9月宣布，洛马公司最终赢得了GPS-3F卫星的研发合同，合同涉及22颗GPS-3F卫星的研发、制造、发射服务等内容，总价值72亿美元。按计划，首颗GPS-3F卫星将于2026年交付。GPS-3F卫星也将采用A2100M平台，即洛马公司A2100平台的改进型号。

与GPS-3卫星相比，GPS-3F卫星的主要变化或增量主要包括如下几个方面：

1)在轨升级与信号重构能力，以在轨可编程技术和数字化有效载荷技术为支撑性关键技术。2017年底，GPS-3卫星的有效载荷提供商——哈里斯公司宣布完成了GPS-3卫星全数字化有效载荷的研发，进入工程验证阶段。

2)点波束功率增强，实现GPS军用信号（M码信号）的20dB点波束功率增强。该功能可在全球任意区域形成两个直径1000km的功率增强区域，有效提升对抗环境下GPS系统的军用服务能力。

3)高速星间/星地链路能力，为仅依靠本土地面运行控制基础设施，实现GPS系统的运行控制奠定基础。美国空军计划利用高速星间/星地链路与位于美国本土的GPS系统运行控制设施，实现GPS系统的运行控制与管理，建立GPS系统运行控制与管理的备份能力，在海外站点被摧毁或丧失功能时，保证GPS系统安全、稳定的运行。

3 GPS运行控制系统现代化

美国空军正在研发GPS新一代运行控制系统（OCX），除保证GPS系统卫星的运行管理，以及新的军、民用信号（M码、L2C、L5C和L1C）以及支持在轨升级、信号重构、高速星间/星地链路和点波束增强功能的运行外，最重要的变化是增加了赛博安全与信息保证能力。

在完成全面、系统的需求定义和风险降低等研究活动之后，2007年11月美国空军将两个OCX合同分别授予了诺格公司和雷声公司，每个合同价值1.6亿美元，开展为期18个月的系统设计与审查，以及现代化能力工程模型的研究与开发，最终确定了分4个阶段实施的OCX系统方案。2010年2月，美国空军将OCX第1与第2阶段的研发合同授予了雷声公司，合同金额8.86亿美元，加上其他选项，合同总额达到15.3亿美元，计划2016年完成部署。但从当前进展情况看，其进度拖延将超过6年，项目的经费需求将增加至60亿美元。

OCX发展路线图

可以看出，OCX是支撑未来GPS-3卫星星座的核心或使能设施，没有OCX的支撑，GPS现代化计划所发展的M码和L1C、L2C与L5等军民用信号、高速星间星地链路、点波束增强等均不能投入使用。

2012年底，美国空军完成了GPS地面运行控制系统的体系结构演进计划（AEP），实现了从大型主控计算机控制结构向分布式IT网络控制结构的转变。这种控制结构的转变提升了GPS运行控制系统的可靠性、稳健性与GPS星座的运行控制能力，也为GPS新一代运行控制系统（OCX）的建设与发展奠定了基础，同时也使赛博安全成为GPS系统运行控制系统必须解决的问题。

美国空军认为，GPS运行控制系统面临着来自4个方面的安全威胁，分别为赛博威胁、内部威胁、物理威胁与供应链威胁，GPS OCX必须同时拥有对抗上述4种威胁的能力。依据2010年美国空军发布的《赛博空间作战条令》（AFDD 3-12）和2013年美军参联会发布的《赛博空间作战条令》（JP 3-12），以及美国参联会发布的《信息作战条令》(JP3-13)和美国国防部标准《信息保证》（DoDD 8500.1）和《多层管理结构》（DoDI 8500.2），美国空军为GPS OCX系统设计了5层防护结构组成了多层防御体系，分别为防火墙与入侵探测、公共关键信息与加密、安全操作系统、跨领域防护和安全代码等。从安全防护结构来看，赛博威胁的防御是GPS OCX系统赛博安全的重点。依据针对OCX系统赛博攻击的可能的路径，OCX系统首先采取了赛博访问的防火墙与入侵探测措施，实现对OCX系统的大量非法或非授权访问，完成对高威胁入侵或恶意访问的甄别；第二层主要采取加密的方式对OCX系统的各种信息、数据进行保护，以防止赛博攻击对系统信息和数据操作的影响；然后，通过安全操作系统、跨领域防护与安全代码等三层防护手段进一步加强对GPS OCX系统核心的赛博攻击防御能力，从而保证GPS OCX系统的安全，保证GPS系统的控制权与运行安全。