● 文 |中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 趙欣

從OCX看GPS系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展

● 文 |中國(guó)航天科技集團(tuán)公司 趙欣

OCX（美國(guó)GPS新一代地面運(yùn)行控制系統(tǒng)）的目標(biāo)與任務(wù)是支撐未來(lái)以GPS-3衛(wèi)星為核心的GPS系統(tǒng)空間星座的穩(wěn)定運(yùn)行。2016年，因OCX研發(fā)的嚴(yán)重拖延與經(jīng)費(fèi)超支（從最初的15.3億美元，增加至超過(guò)53億美元），違反了麥柯迪法案，引發(fā)了美國(guó)國(guó)會(huì)與美國(guó)軍方的激烈爭(zhēng)論。美國(guó)國(guó)會(huì)甚至在2017財(cái)年的預(yù)算審查中將OCX系統(tǒng)預(yù)算從3.93億美元削減為1.33億美元，表明了參議院對(duì)OCX系統(tǒng)研發(fā)的嚴(yán)重不滿。奧巴馬總統(tǒng)最終全額批準(zhǔn)了OCX系統(tǒng)2017財(cái)年預(yù)算，解除了OCX系統(tǒng)的發(fā)展危機(jī)。本文就從系統(tǒng)整體的角度分析OCX對(duì)GPS系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的影響。

一、OCX在GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化計(jì)劃中的作用

GPS系統(tǒng)由空間星座、地面運(yùn)行控制系統(tǒng)和用戶段組成，其中地面運(yùn)行控制系統(tǒng)是控制空間星座運(yùn)行并提供滿足用戶需求的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航戰(zhàn)功能的重要支撐。因此，GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展決定著GPS系統(tǒng)服務(wù)性能與導(dǎo)航戰(zhàn)等各種功能的實(shí)現(xiàn)。

1.OCX在GPS系統(tǒng)中的運(yùn)行控制作用

OCX是GPS新一代地面運(yùn)行控制系統(tǒng)，最初的GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)被稱為OCS，上世紀(jì)九十年代中期完成全面部署，由1個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)注入站和5個(gè)跟蹤監(jiān)測(cè)站組成。主控站位于美國(guó)科羅拉多州的施里弗空軍基地，見(jiàn)圖1。主控站是整個(gè)運(yùn)行控制系統(tǒng)的核心，信息處理、衛(wèi)星軌道計(jì)算、導(dǎo)航電文的生成、衛(wèi)星控制與調(diào)度、時(shí)間同步等全部由主控站完成；而跟蹤監(jiān)測(cè)站、數(shù)據(jù)注入站等只負(fù)責(zé)信息、數(shù)據(jù)的采集或?qū)Ш诫娢牡纳蟼?，是通信網(wǎng)絡(luò)支持的、以主控計(jì)算機(jī)為核心的運(yùn)行控制系統(tǒng)。解決了滿足當(dāng)時(shí)GPS系統(tǒng)運(yùn)行的問(wèn)題。

圖1 最初的GPS地面控制系統(tǒng)

2.GPS現(xiàn)代化對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)的要求

1999年美國(guó)提出GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，目標(biāo)是全面提升GPS系統(tǒng)軍事與民用服務(wù)能力，增強(qiáng)對(duì)抗條件下軍用導(dǎo)航服務(wù)能力，增強(qiáng)在全球民用衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，保持、增強(qiáng)美國(guó)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)與主導(dǎo)地位。現(xiàn)代化的GPS系統(tǒng)呈現(xiàn)如下主要變化：其一，星座衛(wèi)星數(shù)量增加至30顆以上（最多32顆工作星），增加系統(tǒng)冗余，增強(qiáng)系統(tǒng)彈性；其二，在L1、L2頻段各增加一個(gè)M碼軍用信號(hào)；在L1、L2、L5頻段各增加一個(gè)民用信號(hào)；第三，增加星上信號(hào)功率可調(diào)、高速星間星地鏈路、點(diǎn)波束增強(qiáng)、搜索與救援和被動(dòng)激光測(cè)距等導(dǎo)航戰(zhàn)能力；最后，運(yùn)行控制系統(tǒng)將具備相對(duì)獨(dú)立的發(fā)射、測(cè)試、異常處置和退役管理的能力。因此，OCS遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化GPS系統(tǒng)的運(yùn)行控制要求，見(jiàn)表1。

表1 OCS系統(tǒng)能力與GPS現(xiàn)代化需求對(duì)比表

從表1可以看出，OCS完全不能滿足GPS現(xiàn)代化的要求。因此，OCX既是現(xiàn)代化GPS系統(tǒng)的重要組成部分，也是現(xiàn)代化的GPS系統(tǒng)空間星座的運(yùn)行管理，定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的提供與導(dǎo)航戰(zhàn)功能運(yùn)行的重要支撐。

二、OCX與GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)的演進(jìn)

運(yùn)行控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化要在保證GPS系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件下進(jìn)行，為此美國(guó)空軍采取了循序漸進(jìn)、逐步提升的方式，將運(yùn)行控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化分為三個(gè)階段，分別為OCS精度改進(jìn)、體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)（AEP）和OCX。目前已經(jīng)完成了OCS精度改進(jìn)、體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)兩個(gè)階段，即保證GPS系統(tǒng)正常運(yùn)行，又實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行控制系統(tǒng)改進(jìn)與升級(jí)。

1.OCS精度改進(jìn)與體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)計(jì)劃

（1）OCS精度改進(jìn)計(jì)劃

1995年GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室成立了跟蹤網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)（TNT），其任務(wù)是研究與確定GPS系統(tǒng)性能改進(jìn)的可能性與跟蹤網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。1996年該團(tuán)隊(duì)提出了6項(xiàng)改進(jìn)建議，主要內(nèi)容包括三個(gè)方面，其一，建立國(guó)防測(cè)繪局[DMA，國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）的前身]6個(gè)GPS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站、DMA網(wǎng)絡(luò)控制中心間與GPS系統(tǒng)主控站間和專(zhuān)用實(shí)時(shí)通信鏈路，改善帶寬與冗余性；其二，將DMA監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)引入至GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)，改善零數(shù)據(jù)齡的軌道精度與時(shí)間估算數(shù)度，改善衛(wèi)星在軌異常的探測(cè)和采取措施的能力，并采用新版卡爾曼濾波器，提供實(shí)現(xiàn)全部衛(wèi)星和地面系統(tǒng)處于同一狀態(tài)問(wèn)題的能力；其三，增強(qiáng)主控站導(dǎo)航數(shù)據(jù)上傳能力，使其具有任意時(shí)間向任一衛(wèi)星上傳數(shù)據(jù)的能力，最大程度地降低星歷和時(shí)鐘預(yù)報(bào)誤差。以此為基礎(chǔ)，在GPS現(xiàn)代化計(jì)劃下美國(guó)空軍、NGA與承包商共同制訂與實(shí)施了OCS系統(tǒng)精度改進(jìn)計(jì)劃。

2005年6月開(kāi)始，美國(guó)空軍經(jīng)過(guò)半年的努力改進(jìn)后的星歷表與濾波模型相繼投入使用且OCS系統(tǒng)主控站開(kāi)始接收NGA監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)。環(huán)境模型與卡爾曼濾波器的改進(jìn)有效地提升了誤差的修正精度，優(yōu)化了零數(shù)據(jù)齡，提高了軌道和星歷預(yù)報(bào)精度，服務(wù)性能得到了明顯改善。

（2）體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)（AEP）計(jì)劃

AEP是GPS系統(tǒng)地面控制段現(xiàn)代化計(jì)劃中承上啟下的重要階段，最重要的是實(shí)現(xiàn)了GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)從大型主控計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)向分布式IT網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，為OCX的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

AEP計(jì)劃的目標(biāo)是：其一是滿足運(yùn)行、管理多達(dá)32顆GPS衛(wèi)星（包括GPS-2F衛(wèi)星）的要求；其二是實(shí)現(xiàn)由中央主控計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际絀T網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，建設(shè)備份主控站與主控站網(wǎng)絡(luò)控制中心，提升地面控制段的安全性、可靠性與靈活性；其三是引入美國(guó)空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)地面天線網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)地面段的數(shù)據(jù)獲取與傳輸能力。

1996年波音公司獲得了價(jià)值11億美元的AEP合同，1999年向美國(guó)空軍提交了最初方案。GPS現(xiàn)代化計(jì)劃提出后，美國(guó)空軍對(duì)AEP計(jì)劃進(jìn)行了全面調(diào)整，使其能夠滿足GPS現(xiàn)代化的需求，并據(jù)此調(diào)整了AEP合同。

美國(guó)空軍實(shí)施AEP轉(zhuǎn)換的原則是“最安全、最快捷”。為此，美國(guó)空軍與波音公司共同制訂了“增強(qiáng)分階段運(yùn)行轉(zhuǎn)換”（EPOT）計(jì)劃。EPOT計(jì)劃將從OCS到AEP的轉(zhuǎn)換分為4個(gè)階段，分別為階段0至階段3。GPS系統(tǒng)地面控制段的對(duì)外接口則按轉(zhuǎn)換的需要，在不同階段實(shí)現(xiàn)從OCS向AEP的轉(zhuǎn)換。

2.OCX計(jì)劃

OCX是GPS系統(tǒng)地面控制段現(xiàn)代化改造的最后階段，其目標(biāo)是全面滿足現(xiàn)代化的GPS系統(tǒng)空間段的運(yùn)行、控制與管理要求，增強(qiáng)賽博安全與信息保證能力。在完成全面、系統(tǒng)的需求定義、風(fēng)險(xiǎn)降低等研究活動(dòng)之后，2007年11月美國(guó)空軍將兩個(gè)合同OCX分別授予了諾斯羅普·格魯曼和雷神公司，每個(gè)合同價(jià)值1.6億美元，開(kāi)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(kāi)發(fā)，最終確定了分4個(gè)階段實(shí)施的OCX系統(tǒng)方案。2010年2月，美國(guó)空軍將OCX第1與第2階段的研發(fā)合同授予了雷神公司，合同金額8.86億美元，加上其他選項(xiàng)，合同總額達(dá)到15.3億美元。OCX發(fā)展路線圖與核心需求分別見(jiàn)圖2、表2。

圖2 OCX發(fā)展路線圖

表2 OCX核心需求

OCX是支撐未來(lái)GPS-3衛(wèi)星星座的核心或使能設(shè)施，沒(méi)有OCX的支撐，GPS現(xiàn)代化所發(fā)展的M碼、L1C、L2C與L5等軍民用信號(hào)、高速星間星地鏈路、點(diǎn)波束增強(qiáng)等均不能投入使用。因此，OCX是不可替代的，沒(méi)有OCX，GPS現(xiàn)代化的全部努力可能將前功盡棄。這也是奧巴馬在OCX超支非常嚴(yán)重（接近3.5倍）的情況下依然選擇支持發(fā)展OCX系統(tǒng)的根本原因。

美國(guó)國(guó)會(huì)問(wèn)責(zé)署（GAO）的調(diào)研表明OCX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(zhǎng)。GAO將產(chǎn)生上述問(wèn)題的原因歸結(jié)為：對(duì)OCX技術(shù)復(fù)雜程度與工作量的認(rèn)識(shí)不足或嚴(yán)重低估，雷神公司也承認(rèn)：在OCX系統(tǒng)的“信息保證能力”的研發(fā)等方面遇到了超出預(yù)料的技術(shù)挑戰(zhàn)。GAO對(duì)GPS-3與OCX計(jì)劃的未來(lái)發(fā)展持較為悲觀的態(tài)度，認(rèn)為OCX1與OCX2投入初始運(yùn)行的時(shí)間將至少推遲至2018年11月和2019年11月。

三、從OCX看GPS系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展

從GPS系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程與未來(lái)發(fā)展計(jì)劃看（見(jiàn)圖3），隨著GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)功能的增加，空間段的運(yùn)行，特別是導(dǎo)航戰(zhàn)相關(guān)功能與能力的使用將更加依賴地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的指揮與控制，以確定在什么時(shí)間、對(duì)什么區(qū)域使用諸如星上信號(hào)功率可調(diào)、點(diǎn)波束增強(qiáng)等能力。

圖3 GPS系統(tǒng)發(fā)展路線圖

從GPS系統(tǒng)空間星座的部署情況看，2016年初美國(guó)空軍已經(jīng)完成了全部12顆GPS-2F衛(wèi)星的發(fā)射，構(gòu)成了由12顆GPS-2R、7顆GPS-2RM和12顆GPS-2F衛(wèi)星組成的運(yùn)行星座。從美國(guó)空軍2015年向國(guó)會(huì)國(guó)防委員會(huì)提交的《GPS系統(tǒng)星座更新、補(bǔ)充》報(bào)告來(lái)看，由于GPS-3與OCX研發(fā)的拖延，首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射推遲至2017年。然而，2016年底美國(guó)空軍宣布，洛馬公司發(fā)現(xiàn)由有效載荷供應(yīng)商——哈里斯公司提供的陶瓷電容沒(méi)有嚴(yán)格按程序進(jìn)行測(cè)試，必須重新按程序進(jìn)行測(cè)試。為此，首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射已經(jīng)推遲至2018年春季。利用該系列衛(wèi)星進(jìn)行星座更新與補(bǔ)充發(fā)射將從2019年全面啟動(dòng)，計(jì)劃每年進(jìn)行2次發(fā)射，32顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射將持續(xù)至2033－2034年。

截至目前，美國(guó)空軍僅簽署了OCX1、OCX2兩個(gè)階段的研發(fā)合同，如能按GAO的預(yù)測(cè)于2019年完成部署將使GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中規(guī)劃的全部軍民用導(dǎo)航信號(hào)、星上信號(hào)功率可調(diào)等能力投入使用，并有效地改善GPS系統(tǒng)的賽博安全與信息安全能力，使GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力得到明顯的增強(qiáng)。OCX計(jì)劃完成后，GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)將全面擁有支撐由GPS-3衛(wèi)星組成的空間星座的運(yùn)行能力，其未來(lái)空間與地面體系見(jiàn)圖4。

從OCX的發(fā)展來(lái)看，導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)與能力仍將是未來(lái)20年GPS系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)，并擴(kuò)展至賽博安全與信息安全領(lǐng)域。OCX發(fā)展路線圖表明，OCX4將發(fā)展具有支持“靈活有效載荷”運(yùn)行的能力，意味著GPS衛(wèi)星將發(fā)展“靈活有效載荷”能力。2016年5月，以GPS-3衛(wèi)星模塊化和全數(shù)字化有效載荷設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，洛馬公司啟動(dòng)了為期26個(gè)月的GPS-3衛(wèi)星“在軌可重新編程”技術(shù)驗(yàn)證，目標(biāo)是為GPS-3衛(wèi)星提供在軌升級(jí)和增加新信號(hào)、新功能的能力。這也是從第11顆開(kāi)始的GPS-3衛(wèi)星生產(chǎn)準(zhǔn)備成熟度評(píng)估計(jì)劃的一部分。“在軌可重新編程”能力將使GPS系統(tǒng)能夠在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)在軌升級(jí)，生成并播發(fā)新的導(dǎo)航信號(hào)和構(gòu)建新的功能與能力。顯然，這將使GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)與能力進(jìn)一步升級(jí)。2015年，美國(guó)空軍啟動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航新概念、新技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目NTS-3，其最重要的內(nèi)容為可實(shí)現(xiàn)中心頻率與信號(hào)波形調(diào)整的“在軌數(shù)字波形生成器（ORDWG）技術(shù)”，目的也是增強(qiáng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力。

圖4 未來(lái)GPS系統(tǒng)空間與地面體系（OCX＋GPS-3衛(wèi)星）

四、結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)航戰(zhàn)能力是對(duì)抗條件下軍事定位導(dǎo)航授時(shí)能力的重要保障，與減少對(duì)運(yùn)行控制系統(tǒng)依賴的自主導(dǎo)航技術(shù)相反，星上信號(hào)功率可調(diào)、點(diǎn)波束增強(qiáng)和未來(lái)的靈活有效載荷等技術(shù)與能力的運(yùn)行與應(yīng)用將更加依賴地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的指揮與控制。因此，未來(lái)GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)功能與能力的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用將更多地依賴OCX系統(tǒng)提供的指揮與控制能力。

[1]GPS CONSTELLATION STATUS FOR 12/04/2016. www.navcen.uscg.gov-gps. 201705.

[2]Dee Ann Divis. New GPS Ground Control System Likely to Continue with Modifications. www.insidegnss.com/node/5145. 201705.

[3]NTS-3. http://.space.skyrocket.de/#doc_sdat/nts-3.htm.201608.

[4]INSIDEGNSS. Lockheed Martin Awarded $395 Million GPS III Contract Option. www.insidegnss.com/node/5132. 201608.