美国GPS 系统未来发展浅析

赵超 刘春保（ 中国空间技术研究院 北京空间科技信息研究所）

2018年9月，美国空军将价值72 亿美元、涉及22 颗GPS-3F 卫星的研发合同授予了洛马公司（LM），但就GPS-3 卫星的能力增量或新增功能，公开的内容仅提及了三个方面，其一增加搜索救援载荷；其二增加激光反射器阵列；其三采用全数字化的有效载荷；对GPS 系统未来发展没有给出清晰的描述。本文试图通过对GPS 现代化计划、美国空军导航技术卫星-3（NTS-3）与GPS-3F 卫星的综合分析，探讨美国GPS 系统的未来发展。

1 GPS 现代化计划与NTS－3 项目

GPS 现代化计划

GPS 现代化的目标包括两个方面，一是增强现代化战争背景下，GPS 系统对美军的支撑、保障作用；二是保持美国在全球民用卫星导航领域的领先与主导地位。主要任务包含3 个方面，一是增强、保障，即增强军用导航信号的可靠性、安全性和抗干扰能力，更好地保证美军及其盟国军方可靠地使用GPS 服务；二是拒绝、阻止，即阻止敌方使用GPS 民用信号，干扰敌方使用其他卫星导航服务；三是保持作战区域外的民用用户能够正常使用GPS民用服务。

为实现GPS 系统现代化的目标，美国空军采取了循序渐进的发展策略，两个相邻型号之间只增加少量的功能或能力增量，即保证GPS 系统的不断发展，实现GPS 现代化的目标，同时降低因功能或能力过快增加带来的风险。

GPS 现代化计划空间段卫星发展过程

截至2019年10月，美国GPS 现代化计划已经进入最后阶段，首颗GPS－3 卫星已于2018年12月成功发射；并2018年9月签署了GPS－3 卫星后继型号——GPS－3F 卫星的研发合同（2018年，美国空军将原GPS－3 系列卫星的3 个型号调整为2 个，即GPS－ 3 和GPS－ 3F），首颗GPS－ 3F 卫星计划于2026年交付，2027年首次发射，至2034年左右完成全部22 颗GPS－3F 卫星的部署。

从GPS－3 卫星装备的功能和能力来看，GPS现代化计划中尚未实现或尚未具备的主要能力包括：点波束功率增强、高速星间/星地链路。从研发已经披露的信息看，GPS－F 卫星新增了在轨升级和信号重构能力。因此，GPS－3F 卫星还应当增加点波束功率增强和高速星间/星地链路两个能力增量。

导航技术卫星－3 项目

导航技术卫星－3（NTS－3）是继NTS－1、NTS－2 两个导航技术试验卫星项目（上述两个项目分别在1974、1977年发射，主要开展了空间原子钟技术的演示验证，有效支撑了GPS 系统的发展）后，开展的第三个卫星导航技术演示验证项目。NTS－3项目主要由两部分组成，一是NTS－3 卫星，二是地面运行管理与控制系统，计划于2022年发射，进行为期1年的空间飞行演示验证。

2017年6月，美国空军研究实验室将价值9500万美元的NTS－3 项目地面控制系统的合同授予了布莱克顿技术公司（Braxton），目标是在未来军事作战中保证卫星导航系统在电磁干扰、欺骗和赛博攻击环境下可靠的支持卫星导航系统的运行，探索新的方案运行控制技术，包括：导航卫星星历主动控制技术、备选TT＆C 与地面运行控制技术、搭载载荷技术；开展广泛的科学技术试验，包括：太空、地面与赛博空间的整合、先进信号、精确轨道确定条件下的主动机动、战术TT＆C、区域信号等。

NTS－1、NTS－2 与NTS－3 卫星

2019年1月17日，美国空军研究实验室和空间与导弹系统中心选择哈里斯公司（Harris）作为NTS－3 卫星的主承包商，采用诺格公司（Northrop Grumman）的ESPAStar 平台，主要试验验证项目包括：高增益天线技术、大功率固态放大器技术、敏捷数字化有效载荷技术和先进原子钟技术，卫星将部署在地球静止轨道。

（1）军用高增益天线项目

高增益天线项目主要思路是：

1）采用可展开相控阵天线，特点是小尺寸阵元、阵元间的高效相移控制、使用现有的放大器、双工器和展开机构。

2）电子控制的地球指向阵列，特点是模块化、高效的零部件、互干扰消除装置与高增效放大器。

3）可展开反射器相控阵馈电，特点是模块化三级结构、最小化装配工具包、被动展开机构、收缩状态折叠方式。

（2）GPS 先进L 频段放大器技术

GPS先进L频段放大器技术也将为信号功率增强，改善卫星导航系统信号功率过低这一固有的脆弱性提供支持。美国空军认为，该领域的决定性因素包括：

1）相同信号强度下的低航天器功率：低质量/成本的电源系统；

2）改善相同信号强度效率：实现密集布置、降低对热子系统的要求；

3）增加抗干扰信号强度；

4）减少放大器零部件数量。

2014年，先进L 频段放大器的研发合同分别授予了鲍尔公司（PCC）、波音公司（Boeing）和诺格公司。2017年其技术成熟度已经达到了5 级。

GPS 先进L 频段放大器指标

（3）灵活数字化有效载荷

灵活数字化有效载荷项目以GPS 系统当前有效载荷的数字化技术为基础，研发在轨可重新编程数字波形生成器（ORDWG）。ORDWG 的招标公告于2015年4月发布，2016年1月研发合同授予了多家公司。

美国空军要求ORDWG 具有如下能力：

1）灵活的抗干扰、抗欺骗信号方法；

2）延缓卫星的老化或退化（包括卫星适应任务变化的能力，使已在轨工作的卫星可以按任务要求生成新的信号以满足新任务要求，还有解决系统升级周期过长或新能力投入运行周期过长等问题）；

3）满足未来先进信号的处理要求；

4）降低导航卫星发展过程中因设计改变造成的成本增加。

（4）空间原子钟技术

目标是探索先进原子钟技术，使原子钟的频率稳定性较当前的铷原子钟提高一个数量级，并强调原子钟的可制造性和材料的可用性。参与空间原子钟技术研发的包括DARPA、NASA 的喷气推进实验室（JPL）、美国标准和技术国家研究所、海军天文台、海军研究实验室等。该项目已经完成了多种技术途径的分析、研究；同时提出应长期投资于原子钟科学与技术的研究项目。

从当前美国原子钟技术，特别是空间原子发展的角度看，NASA 喷气推进实验室的汞离子钟项目、DARPA 的冷原子钟和相干布居囚禁原子钟项目等成为NTS－3 先进空间原子钟技术验证项目的可能性较高，其中NASA 喷气推进实验室为深空探测航天器研发的汞离子钟技术已经基本接近成熟，其精度、体积、质量和功耗等均满足卫星导航系统空间原子钟的要求。

综上所述，美国空军计划NTS－3 项目于2022年发射，对上述关键技术进行演示验证，而首颗GPS－3F 卫星的发射时间为2027年。因此从时间上看，NTS－3 项目进行的关键技术演示验证的主要目的即是为GPS－3F 卫星的研发提供支撑。

2 GPS 系统未来发展关键能力增量分析

按当前的发射、部署计划，GPS－3F 卫星的发射、部署将从2027年持续至2034年左右。因此，在不发生计划拖延的情况下，GPS－3 系列卫星将作为主力型号支撑GPS 系统运行至2040－2045年左右，可以说GPS-3 系列卫星，特别是GPS－3F 卫星基本代表了未来25年左右GPS 系统的发展趋势。

点波束信号功率增强—GPS－3F 必备的核心能力增量

按GPS 现代化计划，点波束信号功率增强是GPS 系统增强导航战能力的重要手段，是美军应对未来强对抗战场环境所必需的能力，计划装备GPS－3C 卫星。GPS－3 系列卫星从3 个型号调整为2 个型号后，该功能理应由GPS－3F 卫星实现。同时，信号功率增强技术也是NTS－3 项目的重点，安排了军用高增益天线、先进L 频段放大器等2 项信号功率增强关键技术的演示验证也说明了美军对点波束信号功率增强的重视。因此，点波束信号功率增强必定成为GPS－3F 必备的核心能力。

在轨升级与信号重构 —增强GPS 系统任务变化适应能力与体系弹性的关键支撑

GPS－ 3 卫星有效载荷的数字化率已经达到70%；GPS－ 3F 卫星有效载荷的数字化率将达到100%，且在在轨编程技术、软件无线电技术共同支持下使GPS－3F 卫星具备在轨升级与信号重构能力。该能力在提升卫星导航系统服务的安全性、稳定性和可靠性方面将发挥重要作用，并将对导航战能力、体系弹性等构成有效支撑。

定位精度将进入亚米级——多项技术支撑GPS 服务性能的显著提升

GPS－3 卫星已经装备了脉冲光抽运铯束钟、用于高精度定轨的激光反射器陈列，提高星历精度，改进修正模型；在NTS－ 3 项目中计划开展先进空间原子钟（预计NASA 喷气推进实验室研发的汞离子钟为首选项目）和运行控制技术、高精度星历等项目的演示验证，使GPS 系统水平定位精度达到0.5～0.6m 的水平，巩固其在全球卫星导航领域的领先与主导地位。

装备新的运行控制能力——仅利用美国本土设施即实现GPS 系统的高精度运行控制

为应对GPS 系统海外运行控制设施全面故障或未来战争中被摧毁的情况，以及出于降低GPS 系统运行管理与控制成本的目的，美国空军计划仅利用本土的GPS 运行控制设施，通过GPS－3F 卫星装备的高速星间/星地链路实现GPS 系统的高精度运行控制。

由此可见，美军时刻以满足未来强对抗战场环境下的军事需求为核心，以满足未来高精度、高可靠民用卫星导航需求为第二目标，持续推进GPS 系统的发展，保持美国在全球卫星导航领域的领先与主导地位。

3 GPS 系统未来发展趋势

聚焦基本导航服务，重视GPS 系统服务性能与全球竞争能力的提升

随着四大卫星导航系统全部投入运行与服务，以及区域卫星导航系统的快速发展，全球卫星导航领域市场的竞争进一步加剧，而市场竞争的成败关系着卫星导航系统在全球卫星导航领域的地位与作用，并形成对国家政治、经济、军事和外交影响力的支撑。因此，作为市场竞争能力重要标志的服务性能就成为未来卫星导航系统发展、竞争的重要焦点之一。

通过装备新一代脉冲光抽运铯束钟、数字化导航有效载荷、激光反射器陈列（用于实现精确定轨）等技术手段，美国GPS－3 系列卫星的定位精度将提升3 倍；俄罗斯装备新一代GLONASS－K 系列卫星装备高精度、小型化被动氢钟原子钟，并播发新的CDMA 导航信号；欧洲正在积极开展空间冷原子钟的研发，以提高时间频率系统的精度与稳定度。因此，聚焦基本导航服务，重视增强服务性能与竞争能力的提升就成为GPS 系统未来发展的重点之一。

构建满足未来任务与需求变化的能力，增强GPS系统与服务的弹性

满足任务与需求变化的能力是卫星导航系统适应未来军事与民用卫星导航需求快速发展、变化的核心能力之一，已经成为GPS－3F 卫星重要的核心能力增项。首先，虽然在卫星导航系统的发展过程中，已经对未来军事与民用定位导航授时的需求进行了充分的论证，但是在科学技术快速发展的今天，人们难以对未来10年、20年的定位导航授时需求做出准确的描述。第二，全球卫星导航系统一般由30 颗左右的卫星组成，其维持与发展需要大量、持续的投入。因而，为降低卫星导航系统维持与发展的成本，各卫星导航系统均追求卫星的高可靠、长寿命。美国GPS－3 卫星的设计寿命已经达到15年（对比之前的GPS－2A、GPS－2R 卫星设计寿命7.5年，提高了1 倍），欧洲“伽利略”（Galileo）系统、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）系统卫星的设计寿命也达到了10年或以上。设计寿命的提升有效地降低了系统的维持与发展成本，却产生了一个新问题：卫星导航系统的更新、升级时间过长。以美国GPS 系统为例，从2005年首颗具有新一代军用M 码信号播发能力的GPS-2RM 卫星发射至今已经超过14年，但GPS星座中具有M 码播发能力的卫星只有19 颗（2颗GPS－3 卫星仍未投入运行），未能形成全面运行能力，严重影响了GPS 系统能力的升级。因此，要求导航卫星系统及其服务具有一定的“弹性”，从而实现卫星导航系统功能与服务的快速升级。

为满足快速发展变化的军事与民用定位导航授时需求，缩短空间星座升级的周期，美国空军以全数字化的导航有效载荷技术、在轨可编程技术和软件无线电技术为基础，正在研发GPS 卫星的在轨升级与信号重构，并在NTS－3 项目中开展了灵活数字化有效载荷的演示验证，未来均将用于支撑GPS－3F卫星的发展。

赛博安全能力将成为GPS 系统导航战能力的核心支撑

卫星导航系统是重要的空间基础设施，是国家天地一体化信息体系的重要组成部分，其提供的覆盖地球及近地轨道空间的高精度定位导航授时服务与统一的时间、空间基准是军事能力的倍增器，是国民经济高效、稳定运行与增长的助推器。因此，卫星导航系统的安全、稳定运行是保障国家安全与经济发展的重要基础。

作为赛博空间的组成部分，卫星导航系统的地面运行控制段与通信、指挥链路正面临着日益严重的赛博安全问题。特别是在赛博空间成为与陆、海、空、天并列的第五作战域后，世界各国均在大力发展赛博空间作战能力，且赛博空间的作战能力已经成为影响战争胜负的重要因素，而作为重要空间基础设施的卫星导航系统也必将成为敌方赛博攻击的重要目标。因此，卫星导航系统赛博安全防护已经成为影响、甚至决定卫星导航系统能否安全、稳定、可靠地运行并提供服务的重要保障，甚至成为影响或决定卫星导航系统控制权的重要因素。

从卫星导航系统运行的角度看，卫星导航系统运行安全、稳定与可靠需要地面运行控制系统的全面支持，包括精确的定轨定姿、时间同步、导航电文与数据等。如果运行控制系统不能有效地防御赛博攻击，则卫星导航系统只能采取自主导航模式，而在此情况下，卫星导航系统的服务性能将随时间的增加而降低。

从导航战功能实现的角度看，包括导航拒止、功率增强、在轨可编程与信号重构在内的当前卫星导航系统已经具备或正在研发的导航战功能均需按照地面运行控制系统的指令运行。如果不能有效地防御赛博攻击，运行控制系统将不能保证对空间星座、卫星实施有效的运行管理与控制，更不能保证按需求启动与使用导航战功能。因此，赛博安全能力将成为应用导航战功能与遂行导航战能力的核心支撑。