前六代俱往矣GPSIII开启现代化新进程

+ 曹冲

2018年12月23日，GPS III第一颗卫星的成功发射，代表GPS系统现代化进程步入最后的发展阶段。GPS III是GPS系列卫星中的第七代卫星。GPS卫星星座，从1978年以来经过六次重大的迭代演变，其第六次迭代是在2010-2016年间进行的，实现GPS IIF更迭。而第七次更迭从2018年开始，可能到2023年才能完成第一阶段迭代，而实现GPS III整体星座迭代可能将延续到2033年。（参见表1）

一、GPSIII的主要技术进步和特点

GPS卫星第六代的GPS IIF，有12颗卫星，它们的设计寿命已经达到12年，比此前两代的7.5年设计寿命，增加了三分之一以上。同时，具备软件上载、抗干扰能力和精度的提高。

GPS第七代的GPS III，设计寿命更增加到15年。除去去年底发射的SV01星，还有九颗卫星待发射，GPS IIISV02星将于今年六月发射，下半年还将发射SV03星，2020年发射SV04星，SV10星将在2023年升空。其后，就是GPS的第八代星GPS IIIF，共有22颗卫星，计划于2033年发射完成。

二、L频段上的信号故事

在GPS III卫星上，增加了多个民用频点，除原先的L1C/A外，第二个开放的GPS信号在L2C上，这是从2005年发射第一颗GPS IIR卫星时就开始采用的信号点，第三个开放的GPS信号在L5频点上，这是2010年发射的第一颗GPS IIF卫星开始采用的，第四个开放的GPS信号还是在L1频点上，但发射的是L1C信号，该信号是从2018年底发射的GPS III第一颗卫星开始采用的，该卫星在2018年12月23日升空后，经过提轨和天线与太阳能阵列部署，从2019年1月8日起卫星导航载荷开始广播导航信号，在轨测试仍在进行，试验证明导航载荷的能力符合预期，卫星完全处于健康工作状态。GPS III所发射的L1C信号，能与其他GNSS实现兼容互操作，改进民用用户的连接性需求。GPS III最终将实现完整的军用M-码功能 ，在GPS IIR-M和GPS IIF卫星上曾经载有这类军码，但是未能完全实施，无法支持作战人员的运作。GPS III M-码能力超过GPS IIR-M和GPS IIF。GPS III将完成L2C民用信号的部署，以及从GPS IIR-M和GPS IIF卫星开始的L5生命安全信号功能。最后，GPS III将实现改进的完好性，这就是说，一旦发生精度降低的问题，卫星具有自行检测并发出警报的能力。值得指出的是，加密的军码信号具有信号功率提升能力，其发射功率可以比通常情况下提高八倍，从而增强了抗干扰能力，提高了可靠性。此外，其他信号也可以提高在地球表面的信号接收功率，对于L1和L2，其C / A码信号为-158.5 dBW，P（Y）码信号为-161.5 dBW，而L5为-154 dBW。

表1 GPS历代卫星情况一览

三、GPS现代化是个系统性课题

GPS III是GPS现代化的巅峰之作，而真正的GPS现代化不仅仅只是卫星的事情，而且涉及地面运控、用户终端，以及大量的研发测试工作。

GPS III卫星的大脑是导航有效载荷。哈里斯公司是洛克希德·马丁公司的分包商，负责开发和生产用于GPS空间部分的GPS III任务数据单元（MDU）和发射器（六个已经交付）。哈里斯公司的MDU与原子频率标准和L波段发射机设备一起构成了导航有效载荷单元。MDU执行GPS卫星的主要任务：连续生成导航信号和数据。MDU控制产生用于导航信号的精密定时信号，同时将定时信号分配给其他卫星部件。这个MDU的70%已经实现数字化。接下来，GPS IIIF卫星将实现完全的数字化。涉及全数字化有效载荷的优势时应该指出，30%的差距是在时间保持系统部分，正在从手动和模拟定时转向数字化，为空军提供更大的灵活性。这是一个很好的选择，必须能够在空间轨道上重新编程，并可能增强未来所需的功能。

如何工作得更好，如何保证工作寿命更长，是GPS III提供的关键改进之一。GPS III卫星的计划任务寿命为15年，比其前辈长25%。这引出了一个问题：“卫星在太空中居住多久才合适，特别是在技术创新几乎每年都会发生的背景下”？先进的有效载荷技术提供商给出了部分答案——洛克希德·马丁公司和哈里斯公司指出新的有效载荷能力具有内置的灵活性，可以使轨道卫星适应技术进步以及任务的变化。根据哈里斯公司的说法，全数字导航有效载荷将提供在任务寿命期间增量更

图1 GPS III卫星效果图

2 GPS IIIF卫星效果图

图新和升级卫星的能力。2017年底，洛克希德宣布与NEC公司建立合作伙伴关系，为轨道上的计算机学习引入人工智能。该公司宣称在处理器方面有重大进步，并转向下一代天线、阵列和发射器，以提高卫星的可行性、功能和弹性。

地面运控系统的升级换代（OCX）是GPS III现代化阶段的重要组成部分。GPS III的军事升级需要新的地面控制站，由于编程和需求修改的复杂性，OCX的替代工作遭受了反复延迟和成本增加。在新的高度复杂的地面控制系统可用之前，新的抗干扰军事信号将无法使用，并且预计在2022年或2023年之前不会实现。“深度防御”信息保证标准，没有豁免，使其具有任何美国国防部太空系统的最高级别的网络安全保护。GPS OCX的可交付成果分为三个阶段。Block 0交付发生在2017年秋季，使其能够支持GPS III的首次发射。Block 1交付将在2021年进行，提供全面的操控能力，以控制传统和现代化的卫星与信号。与Block1同时交付的Block2增加了L1C的操作控制和现代化的M-码。

严格的测试，再测试，确保系统的成功运行。洛克希德·马丁公司开发GPS III，使用了空军的返回基础程序，涉及早期原型设计和模拟，其方法涉及严格的质量构建和认证，以及组件测试和系统级测试，全面的需求验证和验证过程确保了超过30,000个要求的达到。系统功能认证包括多种环境测试中的性能验证，涵盖声学、热真空（TVAC）和电磁频谱。“我们认为热真空是测试任何卫星投入运营前的黄金标准，”GPS理事会主任史蒂夫惠特尼上校指出，“从开始到结束的整个热真空测试大约是70天。与此同时，我们的员工正在关注数据及其健康状况。热真空测试是卫星经历的一个重要里程碑，不能存在任何问题。到目前为止，所有10颗GPS III卫星的90%以上的零件和材料都来自29个州的250多家航空航天公司。”SATNET