維斯普奇衛(wèi)星導航的GPS Ⅲ時代

宋心榮

首顆 GPS Ⅲ衛(wèi)星的綽號 “維斯普奇”來自意大利航海家亞美利哥· 維斯普奇，美洲正是以他的名字命名的。

2018年12月23日，經(jīng)過幾個月的延誤之后，美國第一顆GPS Ⅲ衛(wèi)星搭乘Space X公司的“獵鷹”9火箭從卡納維拉爾角發(fā)射升空。這顆衛(wèi)星的綽號“維斯普奇”來自意大利航海家亞美利哥·維斯普奇（Amerigo Vespucci），美洲正是以他的名字命名的。

目前在軌日常運營的有31顆GPS衛(wèi)星，分屬四代。最早的是1990～1997年發(fā)射的GPS Block ⅡA，1997～2004年發(fā)射的GPS Block ⅡR，2005～2009年發(fā)射的GPS BlockⅡ-RM以及2010～2016年發(fā)射的GPS Block ⅡF。其中GPSBlock ⅡA、ⅡR和Ⅱ-RM衛(wèi)星都已超期服役，亟需更換。這也是美國研制GPS Ⅲ衛(wèi)星的原因。

技術上，GPS Ⅲ并不是GPS Block ⅡF的簡單改進，而是全新的設計。其民用信號的可靠性和精度大幅提升，軍用信號的抗干擾能力也大大提升。另外GPS Ⅲ的使用壽命也達到了15年，是GPS Block ⅡA的兩倍，可以降低更換衛(wèi)星的成本。

為了提升民用信號的可靠性和準確性，GPS Ⅲ衛(wèi)星將同時向地球發(fā)射兩種民用導航信號，兩種信號可以互相校正，減少電離層引起的偏差。同時，這兩種信號中的一種信號可以與歐洲的“伽利略”系統(tǒng)、中國的“北斗”系統(tǒng)和印度以及日本的衛(wèi)星導航系統(tǒng)相兼容。這就意味著用戶的移動端可以同時接受包括更多導航衛(wèi)星的信號，增加定位精度。根據(jù)GPS…承包商洛克希德·馬丁公司的估計，GPS Ⅲ衛(wèi)星組網(wǎng)后，其民用信號的定位精度可以達到1～3米，而舊GPS系統(tǒng)的精度則在10米左右。

新一代GPS衛(wèi)星的太陽能電池板功率是舊衛(wèi)星的8倍，更強大的電源意味著更強大的信號功率。信號增強后，在樹林、峽谷、建筑物密集區(qū)甚至建筑物內(nèi)都能獲得其導航信號。而在之前，這些地區(qū)幾乎無法使用GPS導航。

雖然民用用途很廣，但GPS主要還是為軍事用途服務的。在今天的電磁環(huán)境中，易被干擾是GPS系統(tǒng)的主要缺陷。在北約舉行的“三叉戟”2018軍演中，北約部隊接收的軍用GPS信號就受到了干擾。因此，GPS Ⅲ衛(wèi)星毫不意外將改進重點放在了提升軍用信號的抗干擾能力上。GPS Ⅲ衛(wèi)星的加密軍用信號發(fā)射功率是舊衛(wèi)星的8倍，足以“蓋過”干擾信號。除此之外，GPS Ⅲ衛(wèi)星還采用了新型高增益定向天線。此前，GPS衛(wèi)星大多采用普通拋物面天線，保證信號覆蓋面積最大，但單位面積上信號強度并不大，容易被干擾。GPS Ⅲ的高增益定向天線則將信號定向發(fā)射到直徑僅為200千米的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的信號強度很高，足以抵消干擾，使武器彈藥得到可靠的導航信號。

2018年12月23日，經(jīng)過幾個月的延誤之后，美國第一顆GPS Ⅲ衛(wèi)星搭乘Space X公司的“獵鷹”9火箭從卡納維拉爾角發(fā)射升空。

目前，GPS Ⅲ衛(wèi)星組網(wǎng)進度并不確定。根據(jù)美國空軍的計劃，第一顆GPS Ⅲ衛(wèi)星早在2016年就應該如期升空。但由于關鍵部件的交付延期，導致衛(wèi)星的裝配不斷延后。美國空軍決定使用“獵鷹”9火箭來發(fā)射該衛(wèi)星也拖延了發(fā)射時間，因為此前Space X公司從來沒有發(fā)射GPS衛(wèi)星的經(jīng)驗，該公司進行了額外的準備工作。美國政府問責辦公室指出，為了盡快實現(xiàn)組網(wǎng)，已經(jīng)沒有時間讓第一顆GPS Ⅲ衛(wèi)星在軌進行充分測試之后，利用其經(jīng)驗再行建造第二顆GPS Ⅲ衛(wèi)星，只能采取邊建造邊改進的方法。因此GPS Ⅲ衛(wèi)星的組網(wǎng)很可能不能按期實現(xiàn)，在此之前，還要由老GPS星座苦苦支撐。

OCX地面站系統(tǒng)

雖然GPS Ⅲ衛(wèi)星終于飛上了天，但配套的OCX地面站系統(tǒng)卻尚未交付。一個完整的GPS系統(tǒng)需要由GPS衛(wèi)星星座、地面站以及用戶接收機組成，三者缺一不可。根據(jù)美國相關部門的報告，OCX地面站系統(tǒng)最早要到2022年或2023年才能建成。因此，未來一段時間內(nèi)，GPS Ⅲ系統(tǒng)仍然難以充分發(fā)揮效能。

OCX地面站由主控站，全球檢測站和地面控制站組成。其任務主要是時時校正GPS衛(wèi)星的軌道偏差和時鐘誤差。GPS衛(wèi)星在軌道上長期運行，受到空氣阻力的作用，軌道難免出現(xiàn)偏差，影響到導航精度。同時，隨著時間的推移，其星載原子鐘的誤差也將積累。這就需要地面站進行校正。在實際操作中，這種校正每天都要進行一次，才能保證導航的精度。

在戰(zhàn)時對GPS信號的干擾也包括攻擊OCX地面站系統(tǒng)。因此，對美軍來說，對于OCX地面站的保護——尤其是抗網(wǎng)絡攻擊的能力至關重要。2010年，美國國防部就和雷神公司簽訂了研制GPS Ⅲ衛(wèi)星配套的OCX地面站系統(tǒng)的合同，合同價值34億美元。美國國防部認為，衛(wèi)星地面站必須滿足“縱深防御”的網(wǎng)絡安全標準，才能有效對抗網(wǎng)絡攻擊。除此以外，OCX系統(tǒng)還要能給GPS Ⅲ衛(wèi)星發(fā)出指令，切換導航信號，以規(guī)避干擾頻譜。另外，每個OCX地面控制站能控制的衛(wèi)星數(shù)量是傳統(tǒng)地面站的兩倍，即使一部分OCX地面站遭到攻擊，剩下的OCX地面站仍然可以控制GPS Ⅲ衛(wèi)星星座。

從紙面上看，OCX系統(tǒng)的性能十分先進。但是理想總是很豐滿，現(xiàn)實總是很骨感。過高的性能要求使得OCX系統(tǒng)的研發(fā)一波三折。根據(jù)合同規(guī)定，雷神公司應于2016年10月交付OCX系統(tǒng)。然而，到了2016年，OCX系統(tǒng)的交付仍遙遙無期，而且該項目的成本已經(jīng)升至42.5億美元。截止到2018年，美國國防部已經(jīng)在該項目上耗費了60億美元，但OCX系統(tǒng)還是沒造出來。OCX系統(tǒng)的“難產(chǎn)”主要還是因為五角大樓過嚴的網(wǎng)絡安全標準。雖然雷神公司擁有豐富的衛(wèi)星地面站研發(fā)經(jīng)驗，但對于網(wǎng)絡安全問題則顯得有些束手無策，更何況OCX系統(tǒng)還是滿足美國國防部“縱深防御”網(wǎng)絡安全標準的第一個軍用系統(tǒng)一第一個吃螃蟹的人不是那么好當?shù)?。為了彌補自身在網(wǎng)絡安全領域的劣勢，雷神公司在2015年斥資16億美元收購了商業(yè)網(wǎng)絡安全公司W(wǎng)ebsense。到2018年6月，OCX系統(tǒng)終于通過了美國空軍的網(wǎng)絡攻擊測試，滿足了“縱深防御”網(wǎng)絡安全標準。

根據(jù)雷神公司負責OCX項目的副總裁比爾·沙利文的說法，該公司將在2021年6月左右向美國空軍交付該系統(tǒng)。為了填補OCX系統(tǒng)的空缺，美國空軍不得不尋求臨時解決方案，以渡過OCX系統(tǒng)到位之前的空窗期。為此，美國空軍和洛馬公司聯(lián)合開發(fā)了名為COpS的應急系統(tǒng)，安裝在現(xiàn)有的GPS地面站中，和GPS Ⅲ衛(wèi)星配套使用。該系統(tǒng)于2016年開始研發(fā)，耗資1.6億美元，預計將于2019年4月交付。

責任編輯：王鑫邦