从《GPS系统星座更新、补充》报告看GPS系统未来发展

刘春保 （北京空间科技信息研究所）



从《GPS系统星座更新、补充》报告看GPS系统未来发展

刘春保 （北京空间科技信息研究所）

应美国国会国防委员会的要求，2015年美国空军向国会国防委员会提交了一份名为《GPS系统星座更新、补充》的报告，阐述了“全球定位系统”（GPS）未来的星座更新、补充设想，以及如何保证GPS系统的可用性和发展的可持续性问题。

1　背景

自1995年全面投入运行以来，在长达20多年的时间里，美国空军不但保证了GPS运行的连续与稳定，还保证了GPS系统高精度定位、导航与授时（PNT）服务的可用性，巩固、提升了美国在全球PNT领域的领先与主导地位，提升了美国的全球影响力，催生了至今仍由美国主导并占据领先地位的全球卫星导航应用产业。美国国家天基PNT执行委员会的研究表明，仅2014年美国GPS商业应用领域产生经济效益就高达676亿～1224亿美元，远远超过了GPS系统研发、维持、发展的投入（至2014年GPS系统的总投入约为370亿美元）。

然而，自2010年起，一些列问题接踵而来，第三代GPS卫星与新一代“运行控制系统”（OCX）研发不断出现计划拖延、经费超支［在过去的一年中（2014-2015年）投入增长即达到了11亿美元］，GPS系统星座大量卫星超期服役（2014年和2015年底，分别有16颗和14颗卫星处于超期服役状态）；同时，美国空军计划调整GPS-3卫星的采购计划。这些引发了美国政府、国会等诸多部门对GPS系统发展的可持续性、服务的可用性等问题的担忧。为此，2014年底，美国国会国防委员会要求空军提交一份关于GPS系统星座状态与星座更新和补充计划，以及如何保证GPS系统可用性与可持续性的报告。

2　采购计划调整与未来星座更新、补充计划

采购计划的调整

截至2016年2月，美国空军已经完成了12颗GPS-2F卫星的发射，对全部GPS-2A卫星进行了替换。目前，GPS星座在轨卫星32颗，30颗提供导航服务，第12颗GPS-2F卫星处于测试状态。同时，美国空军已经签署了前8颗GPS-3卫星的采购合同，此外，第9、10颗GPS-3卫星的采购方案已经获得了美国政府的批准，第11～32颗GPS-3卫星的采购活动计划于2016年初启动，首先开展设计成熟度审查与风险降低活动，研发合同预计在2018年授出。依据已经签署的采购合同，第1～8颗GPS-3卫星将分别在2016-2020年具备初始发射能力。

维持一个可承受、可持续的星座要求在具有可承受性、可持续性的更新、补充策略与稳定的卫星生产线之间取得平衡，以星座的需求为依据，保持卫星采购的持续性，并保有卫星的高速生产能力。生产速度的调整应寻求最大生产能力储备与初期卫星最小储存成本之间的平衡。因此，美国空军认为：2014财年的采购计划虽有利于降低近期成本，但从长远来看，调整后（2015财年）的采购计划可使GPS系统星座的维持具有更好的可持续性和投入上的可承受性。

2014、2015财年GPS-3卫星采购计划对比

调整前、后采购计划的对比表明，美国空军放慢了GPS-3卫星的采购步伐，2015-2018年间的卫星采购数量从2014财年的10颗减少至2015财年的8颗，显然这将对未来GPS系统星座的更新、补充构成影响。这也是引发美国国会、GPS应用团体广泛担忧的重要原因。

未来星座更新、补充计划

按照《GPS系统标准定位服务性能标准》，美国应保证GPS系统24轨位基线星座卫星可用性超过95%的要求。为此，美国空军航天司令部每年编写一部“PNT功能可用性报告”（FAR），发布发射与预算计划和星座维持的设想。《GPS系统星座更新、补充》报告给出了2014-2024年GPS系统星座更新、补充计划。

2014-2024年GPS卫星发射计划与该计划下GPS系统星座的可用性

按照该计划，2015年至2016年初，美国空军已经完成了最后4颗GPS-2F卫星的发射；首颗GPS-3卫星计划于2016年底至2017年初进行试验发射；而GPS-3卫星的正式发射将在2019年启动。美国空军认为，2019年正式启动GPS-3卫星的发射计划（不包括首颗GPS-3卫星的发射），以每年大约2颗的速度发射GPS-3卫星，即可满足24轨位基线星座可用性超过95%的要求，并将这种能力延续至2033财年。

可以看出，美国空军计划在2024年底前完成14 颗GPS-3卫星的发射，按每年2颗的发射速度，32颗GPS-3卫星的发射可延续至2033年，也就是说GPS现代化计划完成的时间将从2025年左右推迟至2033年。

3　新发射计划下的GPS系统未来发展分析

GPS-3卫星与新一代"运行控制系统"的拖延对系统的稳定运行构成了潜在威胁

按美国空军的发射计划，2016-2018年的3年间将只发射2颗卫星（第12颗GPS-2F和首颗GPS-3卫星），用于星座的更新、补充；同时，新一代运行控制系统-1最早在2018年10月投入运行，因此，即使2016年底前完成首颗GPS-3卫星的发射，2018年10月前该卫星也不能投入服务。也就是说，在2016年初，第12颗GPS-2F卫星发射并投入运行后，在长达近3年的时间内，GPS系统星座得不到真正意义上的更新与补充（即使GPS-3卫星以地面备份的方式存在，但GPS系统运行控制段在2018年底前不能支持GPS-3卫星的运行，因而不能改善GPS系统的服务）。

装配中的GPS-2F卫星

GPS-3卫星在轨飞行示意图

而就当前星座卫星状态来看，第12颗GPS-2F卫星发射、入轨后（2016年2月5日发射），替换了最后1颗GPS-2A，使星座状态有所改善，但仍有13颗卫星（12颗GPS-2R卫星和1颗GPS-2RM卫星）处于超期服役状态。至2018年底，至少有18颗在轨运行的GPS卫星处于超期服役状态（12颗GPS-2R卫星和6颗GPS-2RM卫星）；即使通过改进GPS-2R/ GPS-2RM卫星的电池充电程序，可使卫星的寿命延长1～2年，但仍将至少有15颗GPS卫星处于超期服役状态。

虽然，根据以往GPS卫星在轨工作的实际情况，特别是过去10余年间，GPS-2R/GPS-2RM卫星表现出了良好的性能和优异的可靠性，但这并不表明在未来3年左右的时间内上述卫星是完全可靠的。因此，GPS-3卫星和“运行控制系统”的拖延已经对GPS系统星座正常的更新、补充造成了严重影响，对GPS系统的稳定运行与服务的可用性构成了潜在威胁。

降低成本是GPS系统维持和发展必须面对的重要课题

随着性能、功能的不断提升和增加，GPS卫星的成本也在不断增长。同时，卫星与运行控制段研发的拖延同样造成系统发展成本的不断上升，也是影响GPS系统维持、发展成本的重要因素。不论是美国空军在《GPS系统低成本解决方案》中提出的“一箭双星”发射、研发GPS小卫星等方案，还是在《GPS系统星座更新、补充》中提出的调整GPS-3卫星采购与发射计划，都在试图降低GPS系统的维持与发展成本，在保证GPS系统服务可用性的同时，保证GPS系统维持、发展的可持续性。因此，降低成本已经成为GPS系统维持、发展必须面对与解决的重要课题。

2015年8月，美国政府问责办公室（GAO）发布《国防采购：选定武器系统评估》报告，报告指出：在过去的一年中，美国空军新一代卫星导航系统空间星座（GPS-3卫星）与地面控制段的投入增长了11亿美元。与2013年相比，因计划拖延，2014年GPS-3卫星和“运行控制系统”的研发投入分别从44亿美元和35亿美元增长至49亿美元和41亿美元，合计增长了11亿美元。

2008年，美国空军将GPS-3卫星的研发合同授予了洛马公司与国际电话电报公司（ITT）组成的研发团队，其中洛马公司为主承包商，负责卫星整体的研发与集成；ITT公司为有效载荷主承包商，负责GPS-3卫星有效载荷的研发。但是由于有效载荷研发遇到了重大问题，主要包括：设计更改和内部信号干扰，导致GPS-3卫星研发进度严重拖延，首颗GPS-3卫星的交付时间至少将推迟28个月。而且，首颗GPS-3卫星测试过程中出现问题的全面改进，有可能产生新的拖延，加大成本进一步增长的风险。

2007年11月，美国空军授予诺格公司和雷神公司总价1.6亿美元的合同，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，以最终确定“运行控制系统”方案。最终，美国空军将“运行控制系统”的研发合同授予了雷神公司。

“运行控制系统”采取多层防护结构，可有效地探测、发现各种威胁，提供有效的防护，特别是在赛博安全领域具有强大的防护能力，拥有全部GPS卫星（包括GPS-3系列卫星）从发射、入轨、检查、运行控制与管理、异常解决方案和最终处置的全部功能。通过对导航信号的全球监测、卡尔曼滤波器的调整，并利用网络进行卫星指令和导航电文的上传等，“运行控制系统”将与GPS系统空间段共同提供更高的定位、导航与授时服务性能，更高的完好性和可用性。因而，与之前的运行控制系统相比，“运行控制系统”技术难度、复杂程度均有很大的提高。

与GPS-3卫星的研发相比，“运行控制系统”研发的拖延更为严重，其关键能力的交付时间已经推迟了4年。美国政府问责办公室的调研表明：造成“运行控制系统”计划严重拖延的主要原因包括：计划调整、远高于预期的软件缺陷水平和由此造成的重大返工与代码增长。美国政府问责办公室将产生上述问题的原因归结为：对“运行控制系统”技术复杂程度与工作量的认识不足或严重低估。

如果，“运行控制系统”的研发再度发生拖延，导致运行控制系统-1不能在2019年初之前投入运行，GPS系统将面临更大的威胁。

GPS现代化计划完成时间将推迟至21世纪30年代中期

按《GPS系统星座更新、补充》报告给出的GPS-3卫星发射计划，至2024年美国空军将完成14 颗GPS-3卫星的发射。如按照32颗的GPS-3卫星的采购计划，尚有18颗GPS-3需要发射。按美国空军平均每年发射2颗卫星的星座更新、补充设想，尚需9年，即至2033年才能完成全部32颗GPS-3卫星的发射，较原2025年推迟8年。

按目前的计划，美国空军将采购8颗GPS-3A卫星、8颗GPS-3B卫星和16颗GPS-3C卫星，且只有GPS-3C卫星拥有对导航战能力至关重要的点波束增强功能。2016年初，美国空军将启动第11颗GPS-3卫星的采购活动，首先开展设计成熟度审查与风险降低活动，计划于2018年授出研发合同。首批GPS-3卫星的研发合同于2008年授出，首颗卫星计划于2016年底发射，研发周期约8年（拖延约2年）。即使按6年计算，第11颗GPS-3卫星具备发射能力时间应为2024年。因此，美国空军无法按《GPS系统星座更新、补充》报告给出的发射计划完成GPS系统星座的更新与补充。

美国空军必须将第11～32颗GPS-3卫星的研发周期缩短至4～5年，才能按计划完成GPS系统星座的更新与补充。在GPS系统发展过程中，卫星研发拖延的情况时有发生，计划拖延的可能性很大。因此，如果第11～32颗GPS-3卫星的研发发生拖延，美国空军将很难在2033年完成全部32颗GPS-3卫星的部署，GPS现代化计划的完成时间很可能推迟至21世纪30年代中期。

GPS现代化计划的拖延对美国军事PNT能力的发展将产生重大影响

GPS现代化计划十分重视军事PNT能力的提升，其中M码军用信号、星上信号功率可调、高速星间星地链路和点波束信号等都是为了提升美国的军事PNT能力，特别是导航战能力。根据《国家PNT体系执行计划》，美国计划于2025年左右完成国家PNT体系的建设。然而，GPS现代化计划的拖延将对美国国家PNT体系与军事PNT能力的发展造成巨大影响。

GPS系统是美国国家PNT体系的基石，更是美国军事PNT能力发展的核心。GPS现代化计划中规划了32颗GPS-3卫星，其中，GPS-3A卫星8颗，增加了L1C民用信号，GPS-3B卫星8颗，增加了高速星间星地链路功能，GPS-3C卫星16颗，增加了点波束增强功能，原计划于2025年左右完成部署。按照调整后的计划，至2025年，美国最多完成16颗GPS-3卫星的发射，其中具有高速星间星地链路功能的卫星只有8颗，且没有拥有点波束增强功能的卫星。到2030年，将仅有10颗具备点波束增强功能的卫星，不足以支持覆盖全球的点波束增强能力。

如果再次发生拖延，GPS系统拥有上述能力的时间将进一步推迟，对美国军事PNT能力的建设、国家PNT体系的建设都将产生重大的影响。

4　结束语

《GPS系统星座更新、补充》报告是在GPS-3卫星与“运行控制系统”研发拖延，造成经费大幅度上涨，美国空军被迫调整GPS-3卫星采购计划的背景下产生的。虽然，GPS-3卫星采购、发射计划的调整对美国维持GPS系统的可用性不会产生重要影响，但对美国军事PNT能力、国家PNT体系的建设将产生重要影响。

祁首冰/本文编辑

A Study on the Prospect of GPS Based on Global Positioning System Constellation Replenishment