从OCX看GPS系统未来发展

● 文 |中国航天科技集团公司 赵欣

从OCX看GPS系统未来发展

● 文 |中国航天科技集团公司 赵欣

OCX（美国GPS新一代地面运行控制系统）的目标与任务是支撑未来以GPS-3卫星为核心的GPS系统空间星座的稳定运行。2016年，因OCX研发的严重拖延与经费超支（从最初的15.3亿美元，增加至超过53亿美元），违反了麦柯迪法案，引发了美国国会与美国军方的激烈争论。美国国会甚至在2017财年的预算审查中将OCX系统预算从3.93亿美元削减为1.33亿美元，表明了参议院对OCX系统研发的严重不满。奥巴马总统最终全额批准了OCX系统2017财年预算，解除了OCX系统的发展危机。本文就从系统整体的角度分析OCX对GPS系统未来发展的影响。

一、OCX在GPS系统现代化计划中的作用

GPS系统由空间星座、地面运行控制系统和用户段组成，其中地面运行控制系统是控制空间星座运行并提供满足用户需求的定位、导航与授时服务，实现导航战功能的重要支撑。因此，GPS运行控制系统的发展决定着GPS系统服务性能与导航战等各种功能的实现。

1.OCX在GPS系统中的运行控制作用

OCX是GPS新一代地面运行控制系统，最初的GPS运行控制系统被称为OCS，上世纪九十年代中期完成全面部署，由1个主控站、3个数据注入站和5个跟踪监测站组成。主控站位于美国科罗拉多州的施里弗空军基地，见图1。主控站是整个运行控制系统的核心，信息处理、卫星轨道计算、导航电文的生成、卫星控制与调度、时间同步等全部由主控站完成；而跟踪监测站、数据注入站等只负责信息、数据的采集或导航电文的上传，是通信网络支持的、以主控计算机为核心的运行控制系统。解决了满足当时GPS系统运行的问题。

图1 最初的GPS地面控制系统

2.GPS现代化对运行控制系统的要求

1999年美国提出GPS现代化计划，目标是全面提升GPS系统军事与民用服务能力，增强对抗条件下军用导航服务能力，增强在全球民用卫星导航市场的竞争能力，保持、增强美国在全球卫星导航领域的领先优势与主导地位。现代化的GPS系统呈现如下主要变化：其一，星座卫星数量增加至30颗以上（最多32颗工作星），增加系统冗余，增强系统弹性；其二，在L1、L2频段各增加一个M码军用信号；在L1、L2、L5频段各增加一个民用信号；第三，增加星上信号功率可调、高速星间星地链路、点波束增强、搜索与救援和被动激光测距等导航战能力；最后，运行控制系统将具备相对独立的发射、测试、异常处置和退役管理的能力。因此，OCS远不能满足现代化GPS系统的运行控制要求，见表1。

表1 OCS系统能力与GPS现代化需求对比表

从表1可以看出，OCS完全不能满足GPS现代化的要求。因此，OCX既是现代化GPS系统的重要组成部分，也是现代化的GPS系统空间星座的运行管理，定位、导航与授时服务的提供与导航战功能运行的重要支撑。

二、OCX与GPS运行控制系统的演进

运行控制系统的现代化要在保证GPS系统正常运行的条件下进行，为此美国空军采取了循序渐进、逐步提升的方式，将运行控制系统的现代化分为三个阶段，分别为OCS精度改进、体系结构演进（AEP）和OCX。目前已经完成了OCS精度改进、体系结构演进两个阶段，即保证GPS系统正常运行，又实现了运行控制系统改进与升级。

1.OCS精度改进与体系结构演进计划

（1）OCS精度改进计划

1995年GPS联合计划办公室成立了跟踪网络团队（TNT），其任务是研究与确定GPS系统性能改进的可能性与跟踪网络的运行效率。1996年该团队提出了6项改进建议，主要内容包括三个方面，其一，建立国防测绘局[DMA，国家地理空间情报局（NGA）的前身]6个GPS系统监测站、DMA网络控制中心间与GPS系统主控站间和专用实时通信链路，改善带宽与冗余性；其二，将DMA监测站的实时跟踪数据引入至GPS运行控制系统，改善零数据龄的轨道精度与时间估算数度，改善卫星在轨异常的探测和采取措施的能力，并采用新版卡尔曼滤波器，提供实现全部卫星和地面系统处于同一状态问题的能力；其三，增强主控站导航数据上传能力，使其具有任意时间向任一卫星上传数据的能力，最大程度地降低星历和时钟预报误差。以此为基础，在GPS现代化计划下美国空军、NGA与承包商共同制订与实施了OCS系统精度改进计划。

2005年6月开始，美国空军经过半年的努力改进后的星历表与滤波模型相继投入使用且OCS系统主控站开始接收NGA监测站的数据。环境模型与卡尔曼滤波器的改进有效地提升了误差的修正精度，优化了零数据龄，提高了轨道和星历预报精度，服务性能得到了明显改善。

（2）体系结构演进（AEP）计划

AEP是GPS系统地面控制段现代化计划中承上启下的重要阶段，最重要的是实现了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，为OCX的发展奠定了基础。

AEP计划的目标是：其一是满足运行、管理多达32颗GPS卫星（包括GPS-2F卫星）的要求；其二是实现由中央主控计算机控制结构转变为分布式IT网络控制结构的转变，建设备份主控站与主控站网络控制中心，提升地面控制段的安全性、可靠性与灵活性；其三是引入美国空军卫星控制网地面天线网络，增强地面段的数据获取与传输能力。

1996年波音公司获得了价值11亿美元的AEP合同，1999年向美国空军提交了最初方案。GPS现代化计划提出后，美国空军对AEP计划进行了全面调整，使其能够满足GPS现代化的需求，并据此调整了AEP合同。

美国空军实施AEP转换的原则是“最安全、最快捷”。为此，美国空军与波音公司共同制订了“增强分阶段运行转换”（EPOT）计划。EPOT计划将从OCS到AEP的转换分为4个阶段，分别为阶段0至阶段3。GPS系统地面控制段的对外接口则按转换的需要，在不同阶段实现从OCS向AEP的转换。

2.OCX计划

OCX是GPS系统地面控制段现代化改造的最后阶段，其目标是全面满足现代化的GPS系统空间段的运行、控制与管理要求，增强赛博安全与信息保证能力。在完成全面、系统的需求定义、风险降低等研究活动之后，2007年11月美国空军将两个合同OCX分别授予了诺斯罗普·格鲁曼和雷神公司，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神公司，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。OCX发展路线图与核心需求分别见图2、表2。

图2 OCX发展路线图

表2 OCX核心需求

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现代化所发展的M码、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。因此，OCX是不可替代的，没有OCX，GPS现代化的全部努力可能将前功尽弃。这也是奥巴马在OCX超支非常严重（接近3.5倍）的情况下依然选择支持发展OCX系统的根本原因。

美国国会问责署（GAO）的调研表明OCX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。GAO将产生上述问题的原因归结为：对OCX技术复杂程度与工作量的认识不足或严重低估，雷神公司也承认：在OCX系统的“信息保证能力”的研发等方面遇到了超出预料的技术挑战。GAO对GPS-3与OCX计划的未来发展持较为悲观的态度，认为OCX1与OCX2投入初始运行的时间将至少推迟至2018年11月和2019年11月。

三、从OCX看GPS系统未来发展

从GPS系统的发展过程与未来发展计划看（见图3），随着GPS系统导航战功能的增加，空间段的运行，特别是导航战相关功能与能力的使用将更加依赖地面运行控制系统的指挥与控制，以确定在什么时间、对什么区域使用诸如星上信号功率可调、点波束增强等能力。

图3 GPS系统发展路线图

从GPS系统空间星座的部署情况看，2016年初美国空军已经完成了全部12颗GPS-2F卫星的发射，构成了由12颗GPS-2R、7颗GPS-2RM和12颗GPS-2F卫星组成的运行星座。从美国空军2015年向国会国防委员会提交的《GPS系统星座更新、补充》报告来看，由于GPS-3与OCX研发的拖延，首颗GPS-3卫星的发射推迟至2017年。然而，2016年底美国空军宣布，洛马公司发现由有效载荷供应商——哈里斯公司提供的陶瓷电容没有严格按程序进行测试，必须重新按程序进行测试。为此，首颗GPS-3卫星的发射已经推迟至2018年春季。利用该系列卫星进行星座更新与补充发射将从2019年全面启动，计划每年进行2次发射，32颗GPS-3卫星的发射将持续至2033－2034年。

截至目前，美国空军仅签署了OCX1、OCX2两个阶段的研发合同，如能按GAO的预测于2019年完成部署将使GPS现代化计划中规划的全部军民用导航信号、星上信号功率可调等能力投入使用，并有效地改善GPS系统的赛博安全与信息安全能力，使GPS系统的导航战能力得到明显的增强。OCX计划完成后，GPS运行控制系统将全面拥有支撑由GPS-3卫星组成的空间星座的运行能力，其未来空间与地面体系见图4。

从OCX的发展来看，导航战技术与能力仍将是未来20年GPS系统的发展重点，并扩展至赛博安全与信息安全领域。OCX发展路线图表明，OCX4将发展具有支持“灵活有效载荷”运行的能力，意味着GPS卫星将发展“灵活有效载荷”能力。2016年5月，以GPS-3卫星模块化和全数字化有效载荷设计为基础，洛马公司启动了为期26个月的GPS-3卫星“在轨可重新编程”技术验证，目标是为GPS-3卫星提供在轨升级和增加新信号、新功能的能力。这也是从第11颗开始的GPS-3卫星生产准备成熟度评估计划的一部分。“在轨可重新编程”能力将使GPS系统能够在需要时实现在轨升级，生成并播发新的导航信号和构建新的功能与能力。显然，这将使GPS系统的导航战技术与能力进一步升级。2015年，美国空军启动了卫星导航新概念、新技术验证项目NTS-3，其最重要的内容为可实现中心频率与信号波形调整的“在轨数字波形生成器（ORDWG）技术”，目的也是增强导航战能力。

图4 未来GPS系统空间与地面体系（OCX＋GPS-3卫星）

四、结束语

导航战能力是对抗条件下军事定位导航授时能力的重要保障，与减少对运行控制系统依赖的自主导航技术相反，星上信号功率可调、点波束增强和未来的灵活有效载荷等技术与能力的运行与应用将更加依赖地面运行控制系统的指挥与控制。因此，未来GPS系统导航战功能与能力的实现与应用将更多地依赖OCX系统提供的指挥与控制能力。

[1]GPS CONSTELLATION STATUS FOR 12/04/2016. www.navcen.uscg.gov-gps. 201705.

[2]Dee Ann Divis. New GPS Ground Control System Likely to Continue with Modifications. www.insidegnss.com/node/5145. 201705.

[3]NTS-3. http://.space.skyrocket.de/#doc_sdat/nts-3.htm.201608.

[4]INSIDEGNSS. Lockheed Martin Awarded $395 Million GPS III Contract Option. www.insidegnss.com/node/5132. 201608.