美国GPS系统在轨运行管理

● 文 |中国空间技术研究院 殷海啸

美国GPS系统在轨运行管理

● 文 |中国空间技术研究院 殷海啸

GPS系统是美国最重要的空间基础设施，承担着为美国政治、经济、军事、外交和日常的生产、生活活动提供统一的时间、空间基准与定位、导航与授时服务的重要任务。在军事领域，GPS系统是美国军事力量的能力倍增器，在20世纪90年代以来的历次冲突与战争中发挥了极其重要的作用。在民用领域，GPS系统应用已经渗透到美国经济与社会生产、生活的几乎所有领域，有效地提升了相关领域的效率与效能，并形成了全球领先的卫星导航应用产业，成为美国经济发展强有力的助推器。

为保证GPS系统运行与服务的稳定，美国建立了较为完善的管理组织结构，支撑GPS系统空间段运行、补充与更新的运行管理基础设施和在轨运行管理程序，保证了GPS系统运行与服务的稳定，实现了服务性能的不断提升，保证了美国在卫星导航领域的主导与领先地位。

一、GPS系统运行管理组织结构

图1 GPS系统顶层管理组织结构

1．GPS系统顶层管理组织结构

根据2004年12月发布的美国《国家天基定位、导航与授时政策》，美国调整了GPS系统管理体系与组织结构，建立了级别更高、更加权威的顶层管理组织结构（图1）。

其中，国家天基定位导航授时（PNT）执行委员会是GPS系统的最高管理机构，对维持和促进天基PNT系统的政策、机构、需求和资源分配负有战略决策责任，并对各个部、局提出的建议进行协调。执行委员会由国防部和运输部部长或由他们指定的代表担任联合主席。执行委员会的成员及其代表，拥有与联合主席同等的地位。成员来自国务院、商务部、国土安全部、参谋长联席会议、国家宇航局和其他相关部、局相同级别的代表。总统行政办公室的成员，包括管理与预算办公室、国家安全委员会、国土安全委员会、科学技术政策办公室和国家经济委员会，作为执行委员会的观察员。并邀请联邦通信委员会主席作为执行委员会的联络员。

2．GPS系统运行管理组织结构

GPS联合计划办公室（JPO）负责GPS系统的信息获取和运行管理。JPO是空间与导弹系统中心（SMC/CZ）下设的一个办公室，负责GPS项目的管理。JPO位于加利福尼亚州洛杉矶美国空军基地（AFB），代表美国国防部（DoD）获取GPS卫星信息，并负责确保GPS卫星的补网发射、及时生产和交付，保证GPS星座的正常运转。JPO还负责在项目管理指南（PMD）的指导下，设计、改良运作方式并加以推行。JPO根据空军航天司令部总部（HQ AFSPC）的需要，针对工程、空间段发展、地面控制段的更新换代提供系统级的技术支持。

GPS联合计划办公室由美国空军领导，包括民用部门在内的多个部门派代表参与。海岸警备队代表参与JPO，其首席代表是项目主管代表（Deputy Program Manager ，DPM)，DPM直接向GPS项目主管和运输部负责运输政策的部长助理负责。

GPS系统维持与发展的经费保障由HQ AFSPC负责，列入美国国防预算，为GPS星座提供空间和地面段支持。在经费保障前提下，GPS系统由空军14联队（14AF）负责GPS系统的运作。GPS系统星座的日常运行管理由空军第50联队下属的第2空间运行中队管理。GPS系统在轨运行管理组织结构见图2。

图2 GPS系统在轨运行管理组织结构

根据美国法典第十章第164节的规定，美国航天司令部总司令（USCINC SPACE）作战司令部（COCOM）代表联合总司令遂行航天部队的管理。USCINC SPACE授予COCOM对所辖军事力量的指挥权。

HQ AFSPC的职责是支持GPS系统基础管理部门，制定计划、为政策制定及项目评估提供资金；组织、培训、训练下级现役部门的任务执行能力；对新出台的命令、管理、通信的能力提供详细说明，为与卫星性能相关的工作人员（履行者）提出基本要求；为GPS计划争取经费。

美国航天司令部（AFSPACE）/空军第十四联队（14AF）对GPS系统行使操作控制权（OPCON）。OPCON是一种指挥授权，对任务中所管辖的军力、作战目标的确立、命令指导履行指挥权。GPS OPCON包括对GPS主控站（MCS）、地面天线、监控站、发射场、执行中队的操作控制权。

第50航天联队（50 Space Wing）第2运行中队（2 SOPS）拥有战术控制权（TACON），执行操作控制，其定义为：“指具体的、一般为本地的指导权，及对任务涉及的行动和机动人员的控制权”。用GPS TACON完成GPS导航、时间转换及核爆炸探测任务区域。总司令拥有GPS 战术控制权，第2运行中队受空军第50航天联队指挥员的直接监督。

二、GPS系统在轨运行管理

按GPS系统的运行管理要求，GPS卫星的运行管理功能分为三个部分。其一，卫星发射与入轨管理；其二，卫星在轨运行管理；第三，GPS卫星的退役管理。为保证系统运行与服务的安全与稳定，美国空军将GPS运行控制系统分为两个部分，其一，发射、入轨、测试与退役管理部分，简称LADO。该部分负责更新、补充卫星的发射、入轨、测试与退役卫星的处置。其二，在轨运行卫星管理部分。当前为AEP部分。

1．发射、入轨、测试与退役管理

目前，GPS卫星的更新与补充发射决策依据如下三个方面的内容做出。其一，在轨卫星的健康状态与运行情况；其二，在轨卫星健康状态评估模型的评估结果；其三，专家团队的评估结果。

在轨卫星健康状态与运行情况由运行控制系统的主控站、监测站等对卫星系统工作与服务状态的监测结果产生，包括卫星平台状态信息（如控制系统、电源、推进系统等）、有效载荷状态信息（如星载原子钟、导航信号生成器、功率放大器等）。在轨卫星健康状态与运行情况信息也将作为在轨卫星健康状态评估模型的重要输入信息。

在轨卫星健康状态评估模型是美国空军依据GPS卫星数十年的运行经验与运行数据研发、建立的评估模型，以卫星健康状态与运行情况为主要输入信息评估卫星遂行任务的能力、可用性，以及预期工作寿命等评估结果，是美国空军做出GPS卫星更新、补充与退役决策的重要依据之一。

专家团队以在轨卫星健康状态与运行情况、在轨卫星健康状态评估结果等为依据，结合卫星、运载火箭的研发周期、生产线状态、发射工位等数据做出GPS卫星更新、补充与退役决策。

GPS卫星的发射、入轨与测试在LADO系统的支持下进行，卫星成功入轨后在LADO系统的支持下进行卫星的在轨测试，此阶段一般需30天左右的时间。测试完成后卫星替换老旧、失效的卫星或进行星座补充。

退役卫星管理是当前GPS系统在轨运行管理的重要内容，也是保证GPS系统空间轨道安全的重要措施。美国空军已经完成了数十颗GPS卫星的退役处置工作，其当前的退役卫星处置方案为：利用星上剩余燃料将退役卫星轨道抬高1000km，送入墓地轨道，以保证GPS系统的运行安全。

2．在轨工作卫星运行管理

GPS系统在轨工作卫星管理利用运行控制系统进行，主要功能包括：

1）卫星轨道的精确测量，以确定、预测和连续发布全部GPS工作卫星的轨道参数；

2）时间的精确测量，以确定全部GPS卫星的星载时间系统与GPS系统时间、世界协调时间之偏差，通过调相和校正GPS卫星的星载时间系统的时间，使GPS卫星时间与中央同步器及统一时间部门的时间同步；

3）生成工作信息（导航电文）数据集，包括预测星历、历书、对每颗GPS卫星的星载时间系统时间的修正，并生成导航帧所需的其他信息；

4）将工作信息数据集传输至每颗GPS卫星，并监控数据集的运行；

5）通过遥测信息监控GPS卫星星上系统的工作，并确定其状态；

6）控制GPS卫星导航电文中的信息，接收运控子系统的接收呼叫信息；

7）通过向GPS卫星发送控制程序和控制指令，控制GPS卫星的飞行和星上各子系统的工作（如星上时间系统主钟、热备份钟和冷备份钟的切换等）；

8）调度运行控制系统全部技术装备的工作与各单元之间的数据自动处理与传输。

GPS系统已经完成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，形成了GPS运行控制系统的工作主控站与备份主控站的双主控站结构。因此，在GPS系统在轨工作卫星运行管理过程中，必须实现主控站、备主控站运行控制状态与信息的完全同步，以保证备份主控站可随时接替工作主控站GPS系统的运行控制工作。

三、结束语

自1995年GPS系统投入全面运行以来，美国空军保证了GPS系统在长达20余年时间里的连续、稳定运行，积累了丰富的导航卫星在轨运行管理经验。全面了解、掌握、借鉴美国GPS系统在轨运行管理的经验，对我们分析、研究全球卫星导航系统的运行与管理规律对保证北斗系统的连续、稳定运行具有重要参考价值。

[1]Space-based Positioning Navigation &Timing National Executive Committee.www.gps.gov.

[2]Dee Ann Divis. GAO: New GPS Ground System, Not GPS III Engineering,Primary Cause for Delays. www.insidegnss.com/node/5252. 201610.