從《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告看GPS系統(tǒng)未來發(fā)展

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

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從《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告看GPS系統(tǒng)未來發(fā)展

劉春保 （北京空間科技信息研究所）

應(yīng)美國國會國防委員會的要求，2015年美國空軍向國會國防委員會提交了一份名為《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》的報(bào)告，闡述了“全球定位系統(tǒng)”（GPS）未來的星座更新、補(bǔ)充設(shè)想，以及如何保證GPS系統(tǒng)的可用性和發(fā)展的可持續(xù)性問題。

1　背景

自1995年全面投入運(yùn)行以來，在長達(dá)20多年的時(shí)間里，美國空軍不但保證了GPS運(yùn)行的連續(xù)與穩(wěn)定，還保證了GPS系統(tǒng)高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）服務(wù)的可用性，鞏固、提升了美國在全球PNT領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導(dǎo)地位，提升了美國的全球影響力，催生了至今仍由美國主導(dǎo)并占據(jù)領(lǐng)先地位的全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)。美國國家天基PNT執(zhí)行委員會的研究表明，僅2014年美國GPS商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益就高達(dá)676億～1224億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了GPS系統(tǒng)研發(fā)、維持、發(fā)展的投入（至2014年GPS系統(tǒng)的總投入約為370億美元）。

然而，自2010年起，一些列問題接踵而來，第三代GPS衛(wèi)星與新一代“運(yùn)行控制系統(tǒng)”（OCX）研發(fā)不斷出現(xiàn)計(jì)劃拖延、經(jīng)費(fèi)超支［在過去的一年中（2014-2015年）投入增長即達(dá)到了11億美元］，GPS系統(tǒng)星座大量衛(wèi)星超期服役（2014年和2015年底，分別有16顆和14顆衛(wèi)星處于超期服役狀態(tài)）；同時(shí)，美國空軍計(jì)劃調(diào)整GPS-3衛(wèi)星的采購計(jì)劃。這些引發(fā)了美國政府、國會等諸多部門對GPS系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性、服務(wù)的可用性等問題的擔(dān)憂。為此，2014年底，美國國會國防委員會要求空軍提交一份關(guān)于GPS系統(tǒng)星座狀態(tài)與星座更新和補(bǔ)充計(jì)劃，以及如何保證GPS系統(tǒng)可用性與可持續(xù)性的報(bào)告。

2　采購計(jì)劃調(diào)整與未來星座更新、補(bǔ)充計(jì)劃

采購計(jì)劃的調(diào)整

截至2016年2月，美國空軍已經(jīng)完成了12顆GPS-2F衛(wèi)星的發(fā)射，對全部GPS-2A衛(wèi)星進(jìn)行了替換。目前，GPS星座在軌衛(wèi)星32顆，30顆提供導(dǎo)航服務(wù)，第12顆GPS-2F衛(wèi)星處于測試狀態(tài)。同時(shí)，美國空軍已經(jīng)簽署了前8顆GPS-3衛(wèi)星的采購合同，此外，第9、10顆GPS-3衛(wèi)星的采購方案已經(jīng)獲得了美國政府的批準(zhǔn)，第11～32顆GPS-3衛(wèi)星的采購活動計(jì)劃于2016年初啟動，首先開展設(shè)計(jì)成熟度審查與風(fēng)險(xiǎn)降低活動，研發(fā)合同預(yù)計(jì)在2018年授出。依據(jù)已經(jīng)簽署的采購合同，第1～8顆GPS-3衛(wèi)星將分別在2016-2020年具備初始發(fā)射能力。

維持一個(gè)可承受、可持續(xù)的星座要求在具有可承受性、可持續(xù)性的更新、補(bǔ)充策略與穩(wěn)定的衛(wèi)星生產(chǎn)線之間取得平衡，以星座的需求為依據(jù)，保持衛(wèi)星采購的持續(xù)性，并保有衛(wèi)星的高速生產(chǎn)能力。生產(chǎn)速度的調(diào)整應(yīng)尋求最大生產(chǎn)能力儲備與初期衛(wèi)星最小儲存成本之間的平衡。因此，美國空軍認(rèn)為：2014財(cái)年的采購計(jì)劃雖有利于降低近期成本，但從長遠(yuǎn)來看，調(diào)整后（2015財(cái)年）的采購計(jì)劃可使GPS系統(tǒng)星座的維持具有更好的可持續(xù)性和投入上的可承受性。

2014、2015財(cái)年GPS-3衛(wèi)星采購計(jì)劃對比

調(diào)整前、后采購計(jì)劃的對比表明，美國空軍放慢了GPS-3衛(wèi)星的采購步伐，2015-2018年間的衛(wèi)星采購數(shù)量從2014財(cái)年的10顆減少至2015財(cái)年的8顆，顯然這將對未來GPS系統(tǒng)星座的更新、補(bǔ)充構(gòu)成影響。這也是引發(fā)美國國會、GPS應(yīng)用團(tuán)體廣泛擔(dān)憂的重要原因。

未來星座更新、補(bǔ)充計(jì)劃

按照《GPS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)性能標(biāo)準(zhǔn)》，美國應(yīng)保證GPS系統(tǒng)24軌位基線星座衛(wèi)星可用性超過95%的要求。為此，美國空軍航天司令部每年編寫一部“PNT功能可用性報(bào)告”（FAR），發(fā)布發(fā)射與預(yù)算計(jì)劃和星座維持的設(shè)想。《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告給出了2014-2024年GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充計(jì)劃。

2014-2024年GPS衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃與該計(jì)劃下GPS系統(tǒng)星座的可用性

按照該計(jì)劃，2015年至2016年初，美國空軍已經(jīng)完成了最后4顆GPS-2F衛(wèi)星的發(fā)射；首顆GPS-3衛(wèi)星計(jì)劃于2016年底至2017年初進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)射；而GPS-3衛(wèi)星的正式發(fā)射將在2019年啟動。美國空軍認(rèn)為，2019年正式啟動GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射計(jì)劃（不包括首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射），以每年大約2顆的速度發(fā)射GPS-3衛(wèi)星，即可滿足24軌位基線星座可用性超過95%的要求，并將這種能力延續(xù)至2033財(cái)年。

可以看出，美國空軍計(jì)劃在2024年底前完成14 顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射，按每年2顆的發(fā)射速度，32顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射可延續(xù)至2033年，也就是說GPS現(xiàn)代化計(jì)劃完成的時(shí)間將從2025年左右推遲至2033年。

3　新發(fā)射計(jì)劃下的GPS系統(tǒng)未來發(fā)展分析

GPS-3衛(wèi)星與新一代"運(yùn)行控制系統(tǒng)"的拖延對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅

按美國空軍的發(fā)射計(jì)劃，2016-2018年的3年間將只發(fā)射2顆衛(wèi)星（第12顆GPS-2F和首顆GPS-3衛(wèi)星），用于星座的更新、補(bǔ)充；同時(shí)，新一代運(yùn)行控制系統(tǒng)-1最早在2018年10月投入運(yùn)行，因此，即使2016年底前完成首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射，2018年10月前該衛(wèi)星也不能投入服務(wù)。也就是說，在2016年初，第12顆GPS-2F衛(wèi)星發(fā)射并投入運(yùn)行后，在長達(dá)近3年的時(shí)間內(nèi)，GPS系統(tǒng)星座得不到真正意義上的更新與補(bǔ)充（即使GPS-3衛(wèi)星以地面?zhèn)浞莸姆绞酱嬖?，但GPS系統(tǒng)運(yùn)行控制段在2018年底前不能支持GPS-3衛(wèi)星的運(yùn)行，因而不能改善GPS系統(tǒng)的服務(wù)）。

裝配中的GPS-2F衛(wèi)星

GPS-3衛(wèi)星在軌飛行示意圖

而就當(dāng)前星座衛(wèi)星狀態(tài)來看，第12顆GPS-2F衛(wèi)星發(fā)射、入軌后（2016年2月5日發(fā)射），替換了最后1顆GPS-2A，使星座狀態(tài)有所改善，但仍有13顆衛(wèi)星（12顆GPS-2R衛(wèi)星和1顆GPS-2RM衛(wèi)星）處于超期服役狀態(tài)。至2018年底，至少有18顆在軌運(yùn)行的GPS衛(wèi)星處于超期服役狀態(tài)（12顆GPS-2R衛(wèi)星和6顆GPS-2RM衛(wèi)星）；即使通過改進(jìn)GPS-2R/ GPS-2RM衛(wèi)星的電池充電程序，可使衛(wèi)星的壽命延長1～2年，但仍將至少有15顆GPS衛(wèi)星處于超期服役狀態(tài)。

雖然，根據(jù)以往GPS衛(wèi)星在軌工作的實(shí)際情況，特別是過去10余年間，GPS-2R/GPS-2RM衛(wèi)星表現(xiàn)出了良好的性能和優(yōu)異的可靠性，但這并不表明在未來3年左右的時(shí)間內(nèi)上述衛(wèi)星是完全可靠的。因此，GPS-3衛(wèi)星和“運(yùn)行控制系統(tǒng)”的拖延已經(jīng)對GPS系統(tǒng)星座正常的更新、補(bǔ)充造成了嚴(yán)重影響，對GPS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與服務(wù)的可用性構(gòu)成了潛在威脅。

降低成本是GPS系統(tǒng)維持和發(fā)展必須面對的重要課題

隨著性能、功能的不斷提升和增加，GPS衛(wèi)星的成本也在不斷增長。同時(shí)，衛(wèi)星與運(yùn)行控制段研發(fā)的拖延同樣造成系統(tǒng)發(fā)展成本的不斷上升，也是影響GPS系統(tǒng)維持、發(fā)展成本的重要因素。不論是美國空軍在《GPS系統(tǒng)低成本解決方案》中提出的“一箭雙星”發(fā)射、研發(fā)GPS小衛(wèi)星等方案，還是在《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》中提出的調(diào)整GPS-3衛(wèi)星采購與發(fā)射計(jì)劃，都在試圖降低GPS系統(tǒng)的維持與發(fā)展成本，在保證GPS系統(tǒng)服務(wù)可用性的同時(shí)，保證GPS系統(tǒng)維持、發(fā)展的可持續(xù)性。因此，降低成本已經(jīng)成為GPS系統(tǒng)維持、發(fā)展必須面對與解決的重要課題。

2015年8月，美國政府問責(zé)辦公室（GAO）發(fā)布《國防采購：選定武器系統(tǒng)評估》報(bào)告，報(bào)告指出：在過去的一年中，美國空軍新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座（GPS-3衛(wèi)星）與地面控制段的投入增長了11億美元。與2013年相比，因計(jì)劃拖延，2014年GPS-3衛(wèi)星和“運(yùn)行控制系統(tǒng)”的研發(fā)投入分別從44億美元和35億美元增長至49億美元和41億美元，合計(jì)增長了11億美元。

2008年，美國空軍將GPS-3衛(wèi)星的研發(fā)合同授予了洛馬公司與國際電話電報(bào)公司（ITT）組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其中洛馬公司為主承包商，負(fù)責(zé)衛(wèi)星整體的研發(fā)與集成；ITT公司為有效載荷主承包商，負(fù)責(zé)GPS-3衛(wèi)星有效載荷的研發(fā)。但是由于有效載荷研發(fā)遇到了重大問題，主要包括：設(shè)計(jì)更改和內(nèi)部信號干擾，導(dǎo)致GPS-3衛(wèi)星研發(fā)進(jìn)度嚴(yán)重拖延，首顆GPS-3衛(wèi)星的交付時(shí)間至少將推遲28個(gè)月。而且，首顆GPS-3衛(wèi)星測試過程中出現(xiàn)問題的全面改進(jìn)，有可能產(chǎn)生新的拖延，加大成本進(jìn)一步增長的風(fēng)險(xiǎn)。

2007年11月，美國空軍授予諾格公司和雷神公司總價(jià)1.6億美元的合同，開展為期18個(gè)月的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與審查，以及現(xiàn)代化能力工程模型的研究與開發(fā)，以最終確定“運(yùn)行控制系統(tǒng)”方案。最終，美國空軍將“運(yùn)行控制系統(tǒng)”的研發(fā)合同授予了雷神公司。

“運(yùn)行控制系統(tǒng)”采取多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，可有效地探測、發(fā)現(xiàn)各種威脅，提供有效的防護(hù)，特別是在賽博安全領(lǐng)域具有強(qiáng)大的防護(hù)能力，擁有全部GPS衛(wèi)星（包括GPS-3系列衛(wèi)星）從發(fā)射、入軌、檢查、運(yùn)行控制與管理、異常解決方案和最終處置的全部功能。通過對導(dǎo)航信號的全球監(jiān)測、卡爾曼濾波器的調(diào)整，并利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行衛(wèi)星指令和導(dǎo)航電文的上傳等，“運(yùn)行控制系統(tǒng)”將與GPS系統(tǒng)空間段共同提供更高的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)性能，更高的完好性和可用性。因而，與之前的運(yùn)行控制系統(tǒng)相比，“運(yùn)行控制系統(tǒng)”技術(shù)難度、復(fù)雜程度均有很大的提高。

與GPS-3衛(wèi)星的研發(fā)相比，“運(yùn)行控制系統(tǒng)”研發(fā)的拖延更為嚴(yán)重，其關(guān)鍵能力的交付時(shí)間已經(jīng)推遲了4年。美國政府問責(zé)辦公室的調(diào)研表明：造成“運(yùn)行控制系統(tǒng)”計(jì)劃嚴(yán)重拖延的主要原因包括：計(jì)劃調(diào)整、遠(yuǎn)高于預(yù)期的軟件缺陷水平和由此造成的重大返工與代碼增長。美國政府問責(zé)辦公室將產(chǎn)生上述問題的原因歸結(jié)為：對“運(yùn)行控制系統(tǒng)”技術(shù)復(fù)雜程度與工作量的認(rèn)識不足或嚴(yán)重低估。

如果，“運(yùn)行控制系統(tǒng)”的研發(fā)再度發(fā)生拖延，導(dǎo)致運(yùn)行控制系統(tǒng)-1不能在2019年初之前投入運(yùn)行，GPS系統(tǒng)將面臨更大的威脅。

GPS現(xiàn)代化計(jì)劃完成時(shí)間將推遲至21世紀(jì)30年代中期

按《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告給出的GPS-3衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃，至2024年美國空軍將完成14 顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射。如按照32顆的GPS-3衛(wèi)星的采購計(jì)劃，尚有18顆GPS-3需要發(fā)射。按美國空軍平均每年發(fā)射2顆衛(wèi)星的星座更新、補(bǔ)充設(shè)想，尚需9年，即至2033年才能完成全部32顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射，較原2025年推遲8年。

按目前的計(jì)劃，美國空軍將采購8顆GPS-3A衛(wèi)星、8顆GPS-3B衛(wèi)星和16顆GPS-3C衛(wèi)星，且只有GPS-3C衛(wèi)星擁有對導(dǎo)航戰(zhàn)能力至關(guān)重要的點(diǎn)波束增強(qiáng)功能。2016年初，美國空軍將啟動第11顆GPS-3衛(wèi)星的采購活動，首先開展設(shè)計(jì)成熟度審查與風(fēng)險(xiǎn)降低活動，計(jì)劃于2018年授出研發(fā)合同。首批GPS-3衛(wèi)星的研發(fā)合同于2008年授出，首顆衛(wèi)星計(jì)劃于2016年底發(fā)射，研發(fā)周期約8年（拖延約2年）。即使按6年計(jì)算，第11顆GPS-3衛(wèi)星具備發(fā)射能力時(shí)間應(yīng)為2024年。因此，美國空軍無法按《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告給出的發(fā)射計(jì)劃完成GPS系統(tǒng)星座的更新與補(bǔ)充。

美國空軍必須將第11～32顆GPS-3衛(wèi)星的研發(fā)周期縮短至4～5年，才能按計(jì)劃完成GPS系統(tǒng)星座的更新與補(bǔ)充。在GPS系統(tǒng)發(fā)展過程中，衛(wèi)星研發(fā)拖延的情況時(shí)有發(fā)生，計(jì)劃拖延的可能性很大。因此，如果第11～32顆GPS-3衛(wèi)星的研發(fā)發(fā)生拖延，美國空軍將很難在2033年完成全部32顆GPS-3衛(wèi)星的部署，GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的完成時(shí)間很可能推遲至21世紀(jì)30年代中期。

GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的拖延對美國軍事PNT能力的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響

GPS現(xiàn)代化計(jì)劃十分重視軍事PNT能力的提升，其中M碼軍用信號、星上信號功率可調(diào)、高速星間星地鏈路和點(diǎn)波束信號等都是為了提升美國的軍事PNT能力，特別是導(dǎo)航戰(zhàn)能力。根據(jù)《國家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》，美國計(jì)劃于2025年左右完成國家PNT體系的建設(shè)。然而，GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的拖延將對美國國家PNT體系與軍事PNT能力的發(fā)展造成巨大影響。

GPS系統(tǒng)是美國國家PNT體系的基石，更是美國軍事PNT能力發(fā)展的核心。GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中規(guī)劃了32顆GPS-3衛(wèi)星，其中，GPS-3A衛(wèi)星8顆，增加了L1C民用信號，GPS-3B衛(wèi)星8顆，增加了高速星間星地鏈路功能，GPS-3C衛(wèi)星16顆，增加了點(diǎn)波束增強(qiáng)功能，原計(jì)劃于2025年左右完成部署。按照調(diào)整后的計(jì)劃，至2025年，美國最多完成16顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射，其中具有高速星間星地鏈路功能的衛(wèi)星只有8顆，且沒有擁有點(diǎn)波束增強(qiáng)功能的衛(wèi)星。到2030年，將僅有10顆具備點(diǎn)波束增強(qiáng)功能的衛(wèi)星，不足以支持覆蓋全球的點(diǎn)波束增強(qiáng)能力。

如果再次發(fā)生拖延，GPS系統(tǒng)擁有上述能力的時(shí)間將進(jìn)一步推遲，對美國軍事PNT能力的建設(shè)、國家PNT體系的建設(shè)都將產(chǎn)生重大的影響。

4　結(jié)束語

《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告是在GPS-3衛(wèi)星與“運(yùn)行控制系統(tǒng)”研發(fā)拖延，造成經(jīng)費(fèi)大幅度上漲，美國空軍被迫調(diào)整GPS-3衛(wèi)星采購計(jì)劃的背景下產(chǎn)生的。雖然，GPS-3衛(wèi)星采購、發(fā)射計(jì)劃的調(diào)整對美國維持GPS系統(tǒng)的可用性不會產(chǎn)生重要影響，但對美國軍事PNT能力、國家PNT體系的建設(shè)將產(chǎn)生重要影響。

祁首冰/本文編輯

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