美国GPS升级换代全面加速

全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）是大多数国家现在和未来定位、导航、授时（positioning, navigation and timing, PNT）体系中的核心基石。近几年来，美国、欧盟、俄罗斯等继续推进和完善卫星导航系统建设，全球卫星导航系统建设步入新阶段。另一方面，为了继续掌握未来的“制导航权”，避免过度依赖GPS而带来的巨大风险，美军在推进建设第三代GPS系统（the third generation of GPS system, GPS III）建设的同时，继续寻求各类补充PNT解决方案，开发新的替代系统，加强自主可控，减少对GNSS的依赖，努力实现具有稳定可靠的高精度PNT服务能力，维持在PNT领域的技术优势。

2018年，GNSS开始步入升级换代新阶段。美国空军发射了GPS III首颗卫星，开启了GPS III系统建设的新纪元；Galileo完成现阶段的部署并积极布局第二代Galileo；GLONASS以提升信号精度和可用性为目标，预计在2019—2033年间发射4颗二代GLONASS-M卫星、9颗GLONASS-K卫星和33颗GLONASS-K2卫星。

2018年12月23日，由于技术和天气原因而多次推迟发射的GPS III首颗卫星，终于成功发射并进入中地球轨道，此次发射也被美空军称为“一个新时代的开始”。

2019年10月以来，关于GPS III卫星的进展有：

1）GPS III SV01卫星于2019年7月完成了在轨测试，2020年1月，第一颗GPS III卫星设为“健康”状态，开始播发伪随机噪声码（pseudo random noise code, PRN04），传输新的民用信号L1C，正式提供服务。

2）GPS III SV02于2019年8月22日完成发射，据美国GPS世界网2020年4月2日的报道，第二颗GPS III卫星已经通过严格的在轨运行测试，正式加入GPS星座，空间飞行器编号（space vehicle number, SVN-75）或者PRN-18。

3）2020年6月30日，美国航天部队在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，用美国空间探索技术公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）的“猎鹰9号（Falcon 9）”运载火箭，成功发射了第三颗GPS III卫星（GPS III SV03）。

4）2020年11月5日，用SpaceX的“猎鹰9号”运载火箭，成功发射了第四颗GPS III卫星（GPS III SV04），该星将成为星座中第23颗具有军码能力的卫星，距离形成全球覆盖的24颗全能力M码星座只差一颗了。

5）GPS III SV05正在进行环境测试，预计它将于2021年投入使用。

6）GPS III SV06已经被转移到热真空测试室，并开始测试。

7）GPS III SV07、SV08和SV09目前在装配线上进行调试。

新的GPS III卫星能力有明显提升：卫星寿命延长至15年，是第二代GPS卫星使用寿命的两倍，精度较之前的第二代GPS卫星提高了三倍，抗干扰能力提高了8倍[2]。GPS III卫星可以依据实际需要，迅速关闭向特定地理位置发送的导航信号，第一代GPS卫星并不具备这种能力，第二代GPS卫星要关闭特定地区的导航信号，其操作也极为繁琐。GPS III还增加了新的L1C民用信号，将首次实现同其他GNSS的兼容互通。随着GPS III卫星的发射，美国将制定新的用户端接收机标准，研制新的用户端接收机，新的接收机使用者，将可通过Galileo及其它GNSS进行导航定位，可以进一步提高导航定位精准度和可靠性。

与此同时，美国也开始了GPS IIIF卫星的研制，GPS IIIF卫星计划则采用了完全不同的管理结构，进展会更快。GPS IIIF被称为GPS第八代卫星，计划建造22颗，2026年发射首颗卫星，2033年发射完成全部卫星。新卫星研发已于2019年启动，并将在2026年交付第一颗新型GPS IIIF卫星，美空军称之为GPS III的“新飞跃（new start）”。GPS IIIF卫星将在GPS III的基础上，再增加3个有效载荷：①搜索和救援有效载荷，用于地理定位应急应答器，并为陷入困境的用户提供快速援助与协调；②激光后向反射器阵列，它能够从世界各地的测量地点，进行独立测距和星历验证；③提供区域军事保护功能，可以将更高的军码信号功率集中到某个目标区域，这使得接收机的操作距离干扰机比目前军事信号的操作距离近10倍以上。正在考虑在以后的GPS IIIF卫星上插入其他新功能，包括：在轨信号可编程性，部分由新的全数字导航有效载荷实现，可以从地面段上传新信号并向用户广播；定向交联，通过允许更频繁地更新每个卫星的时钟和星历数据来提高信号精度；卫星弹性升级，以确保GPS卫星能够在有争议的条件下继续运行。

GPS正在实施现代化改造，旨在提高系统的稳定性、定位与授时的精度、系统的可靠性以及抗干扰、抗毁伤与系统快速修复能力和导航战能力[3-4]。GPS现代化计划包括研发一系列具有新功能的卫星，主要包括：GPS IIR(M)、GPS IIF和GPS III。GPS现代化还包括控制部分，包括体系结构演化计划（architecture evolution plan，AEP）和下一代运行控制系统（next generation operational control system，OCX）。2020年5月14日，美国军事航天部队第二太空作战中队，首次对GPS III卫星（航天器编号75）进行机动控制，同时保持在轨位置不变。机动控制过程中，卫星导航信号关闭，以防止用户接收到因卫星速度变化而产生的误差数据。此次机动控制在一个特殊任务区域进行，对其他GPS卫星及其信号质量都没有产生影响。这也是第二太空作战中队首次通过AEP和OCX完成新一代GPS卫星在轨机动控制，未来所有GPS III型卫星的相关操作和维护，也都将通过AEP和OCX完成。这次任务已经验证了相关试验方法、试验流程等，它们也将成为后续操作的标准规范。美空军在对下一代运行控制系统进行相关研制与设计的同时，加装了多层防护安全结构，具备解决网络安全与信息保证的能力，以此应对来自网络方面的安全威胁。图1为GPS空间和控制部分的升级计划。

图 GPS空间段与控制段的现代化进程

据2019年4月30日报道，美国空军正在考虑将GPS星座纳入军事空间结构的重设计划，该计划或包含开发具有通用接口、可重新编程的有效载荷以及在轨卫星导航系统防御能力的模块化卫星。此外，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory, AFRL）的在轨数字波形生成器和导航技术卫星-3（navigation technology satellite-3, NTS-3）项目[5]，正在开发一种可重新编程的数字卫星导航有效载荷，它将搭载NTS-3进入地球静止轨道，旨在演示验证多项下一代PNT技术，增强未来GPS卫星的弹性，以更好地适应日益严峻的太空环境。NTS-3正在开发能够实现软件定义的GPS接收器，以便能快速响应不断变化的外部环境。与在轨信号发生器一样，接收器可重新编程，从而增加了安全性和灵活性。NTS-3被作为下一代美国天基PNT系统的培育和试验验证平台，会拓展现有卫星导航技术的边界，服务于未来的太空和全球挑战。NTS-3将为新一代GPS接收器铺平道路。它们将很容易满足作战人员的需求，并融入来自Galileo、GLONASS和北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）导航卫星的信号。