● 文 |中國空間技術(shù)研究院 殷海嘯

美國GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行管理

● 文 |中國空間技術(shù)研究院 殷海嘯

GPS系統(tǒng)是美國最重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著為美國政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、外交和日常的生產(chǎn)、生活活動(dòng)提供統(tǒng)一的時(shí)間、空間基準(zhǔn)與定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的重要任務(wù)。在軍事領(lǐng)域，GPS系統(tǒng)是美國軍事力量的能力倍增器，在20世紀(jì)90年代以來的歷次沖突與戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極其重要的作用。在民用領(lǐng)域，GPS系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)滲透到美國經(jīng)濟(jì)與社會(huì)生產(chǎn)、生活的幾乎所有領(lǐng)域，有效地提升了相關(guān)領(lǐng)域的效率與效能，并形成了全球領(lǐng)先的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，成為美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)有力的助推器。

為保證GPS系統(tǒng)運(yùn)行與服務(wù)的穩(wěn)定，美國建立了較為完善的管理組織結(jié)構(gòu)，支撐GPS系統(tǒng)空間段運(yùn)行、補(bǔ)充與更新的運(yùn)行管理基礎(chǔ)設(shè)施和在軌運(yùn)行管理程序，保證了GPS系統(tǒng)運(yùn)行與服務(wù)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)性能的不斷提升，保證了美國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的主導(dǎo)與領(lǐng)先地位。

一、GPS系統(tǒng)運(yùn)行管理組織結(jié)構(gòu)

圖1 GPS系統(tǒng)頂層管理組織結(jié)構(gòu)

1．GPS系統(tǒng)頂層管理組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)2004年12月發(fā)布的美國《國家天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)政策》，美國調(diào)整了GPS系統(tǒng)管理體系與組織結(jié)構(gòu)，建立了級別更高、更加權(quán)威的頂層管理組織結(jié)構(gòu)（圖1）。

其中，國家天基定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）執(zhí)行委員會(huì)是GPS系統(tǒng)的最高管理機(jī)構(gòu)，對維持和促進(jìn)天基PNT系統(tǒng)的政策、機(jī)構(gòu)、需求和資源分配負(fù)有戰(zhàn)略決策責(zé)任，并對各個(gè)部、局提出的建議進(jìn)行協(xié)調(diào)。執(zhí)行委員會(huì)由國防部和運(yùn)輸部部長或由他們指定的代表擔(dān)任聯(lián)合主席。執(zhí)行委員會(huì)的成員及其代表，擁有與聯(lián)合主席同等的地位。成員來自國務(wù)院、商務(wù)部、國土安全部、參謀長聯(lián)席會(huì)議、國家宇航局和其他相關(guān)部、局相同級別的代表?？偨y(tǒng)行政辦公室的成員，包括管理與預(yù)算辦公室、國家安全委員會(huì)、國土安全委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)政策辦公室和國家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)，作為執(zhí)行委員會(huì)的觀察員。并邀請聯(lián)邦通信委員會(huì)主席作為執(zhí)行委員會(huì)的聯(lián)絡(luò)員。

2．GPS系統(tǒng)運(yùn)行管理組織結(jié)構(gòu)

GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室（JPO）負(fù)責(zé)GPS系統(tǒng)的信息獲取和運(yùn)行管理。JPO是空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC/CZ）下設(shè)的一個(gè)辦公室，負(fù)責(zé)GPS項(xiàng)目的管理。JPO位于加利福尼亞州洛杉磯美國空軍基地（AFB），代表美國國防部（DoD）獲取GPS衛(wèi)星信息，并負(fù)責(zé)確保GPS衛(wèi)星的補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射、及時(shí)生產(chǎn)和交付，保證GPS星座的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。JPO還負(fù)責(zé)在項(xiàng)目管理指南（PMD）的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)、改良運(yùn)作方式并加以推行。JPO根據(jù)空軍航天司令部總部（HQ AFSPC）的需要，針對工程、空間段發(fā)展、地面控制段的更新?lián)Q代提供系統(tǒng)級的技術(shù)支持。

GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室由美國空軍領(lǐng)導(dǎo)，包括民用部門在內(nèi)的多個(gè)部門派代表參與。海岸警備隊(duì)代表參與JPO，其首席代表是項(xiàng)目主管代表（Deputy Program Manager ，DPM)，DPM直接向GPS項(xiàng)目主管和運(yùn)輸部負(fù)責(zé)運(yùn)輸政策的部長助理負(fù)責(zé)。

GPS系統(tǒng)維持與發(fā)展的經(jīng)費(fèi)保障由HQ AFSPC負(fù)責(zé)，列入美國國防預(yù)算，為GPS星座提供空間和地面段支持。在經(jīng)費(fèi)保障前提下，GPS系統(tǒng)由空軍14聯(lián)隊(duì)（14AF）負(fù)責(zé)GPS系統(tǒng)的運(yùn)作。GPS系統(tǒng)星座的日常運(yùn)行管理由空軍第50聯(lián)隊(duì)下屬的第2空間運(yùn)行中隊(duì)管理。GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行管理組織結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行管理組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)美國法典第十章第164節(jié)的規(guī)定，美國航天司令部總司令（USCINC SPACE）作戰(zhàn)司令部（COCOM）代表聯(lián)合總司令遂行航天部隊(duì)的管理。USCINC SPACE授予COCOM對所轄軍事力量的指揮權(quán)。

HQ AFSPC的職責(zé)是支持GPS系統(tǒng)基礎(chǔ)管理部門，制定計(jì)劃、為政策制定及項(xiàng)目評估提供資金；組織、培訓(xùn)、訓(xùn)練下級現(xiàn)役部門的任務(wù)執(zhí)行能力；對新出臺(tái)的命令、管理、通信的能力提供詳細(xì)說明，為與衛(wèi)星性能相關(guān)的工作人員（履行者）提出基本要求；為GPS計(jì)劃爭取經(jīng)費(fèi)。

美國航天司令部（AFSPACE）/空軍第十四聯(lián)隊(duì)（14AF）對GPS系統(tǒng)行使操作控制權(quán)（OPCON）。OPCON是一種指揮授權(quán)，對任務(wù)中所管轄的軍力、作戰(zhàn)目標(biāo)的確立、命令指導(dǎo)履行指揮權(quán)。GPS OPCON包括對GPS主控站（MCS）、地面天線、監(jiān)控站、發(fā)射場、執(zhí)行中隊(duì)的操作控制權(quán)。

第50航天聯(lián)隊(duì)（50 Space Wing）第2運(yùn)行中隊(duì)（2 SOPS）擁有戰(zhàn)術(shù)控制權(quán)（TACON），執(zhí)行操作控制，其定義為：“指具體的、一般為本地的指導(dǎo)權(quán)，及對任務(wù)涉及的行動(dòng)和機(jī)動(dòng)人員的控制權(quán)”。用GPS TACON完成GPS導(dǎo)航、時(shí)間轉(zhuǎn)換及核爆炸探測任務(wù)區(qū)域。總司令擁有GPS 戰(zhàn)術(shù)控制權(quán)，第2運(yùn)行中隊(duì)受空軍第50航天聯(lián)隊(duì)指揮員的直接監(jiān)督。

二、GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行管理

按GPS系統(tǒng)的運(yùn)行管理要求，GPS衛(wèi)星的運(yùn)行管理功能分為三個(gè)部分。其一，衛(wèi)星發(fā)射與入軌管理；其二，衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理；第三，GPS衛(wèi)星的退役管理。為保證系統(tǒng)運(yùn)行與服務(wù)的安全與穩(wěn)定，美國空軍將GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，其一，發(fā)射、入軌、測試與退役管理部分，簡稱LADO。該部分負(fù)責(zé)更新、補(bǔ)充衛(wèi)星的發(fā)射、入軌、測試與退役衛(wèi)星的處置。其二，在軌運(yùn)行衛(wèi)星管理部分。當(dāng)前為AEP部分。

1．發(fā)射、入軌、測試與退役管理

目前，GPS衛(wèi)星的更新與補(bǔ)充發(fā)射決策依據(jù)如下三個(gè)方面的內(nèi)容做出。其一，在軌衛(wèi)星的健康狀態(tài)與運(yùn)行情況；其二，在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)評估模型的評估結(jié)果；其三，專家團(tuán)隊(duì)的評估結(jié)果。

在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)與運(yùn)行情況由運(yùn)行控制系統(tǒng)的主控站、監(jiān)測站等對衛(wèi)星系統(tǒng)工作與服務(wù)狀態(tài)的監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生，包括衛(wèi)星平臺(tái)狀態(tài)信息（如控制系統(tǒng)、電源、推進(jìn)系統(tǒng)等）、有效載荷狀態(tài)信息（如星載原子鐘、導(dǎo)航信號生成器、功率放大器等）。在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)與運(yùn)行情況信息也將作為在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)評估模型的重要輸入信息。

在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)評估模型是美國空軍依據(jù)GPS衛(wèi)星數(shù)十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與運(yùn)行數(shù)據(jù)研發(fā)、建立的評估模型，以衛(wèi)星健康狀態(tài)與運(yùn)行情況為主要輸入信息評估衛(wèi)星遂行任務(wù)的能力、可用性，以及預(yù)期工作壽命等評估結(jié)果，是美國空軍做出GPS衛(wèi)星更新、補(bǔ)充與退役決策的重要依據(jù)之一。

專家團(tuán)隊(duì)以在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)與運(yùn)行情況、在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)評估結(jié)果等為依據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星、運(yùn)載火箭的研發(fā)周期、生產(chǎn)線狀態(tài)、發(fā)射工位等數(shù)據(jù)做出GPS衛(wèi)星更新、補(bǔ)充與退役決策。

GPS衛(wèi)星的發(fā)射、入軌與測試在LADO系統(tǒng)的支持下進(jìn)行，衛(wèi)星成功入軌后在LADO系統(tǒng)的支持下進(jìn)行衛(wèi)星的在軌測試，此階段一般需30天左右的時(shí)間。測試完成后衛(wèi)星替換老舊、失效的衛(wèi)星或進(jìn)行星座補(bǔ)充。

退役衛(wèi)星管理是當(dāng)前GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行管理的重要內(nèi)容，也是保證GPS系統(tǒng)空間軌道安全的重要措施。美國空軍已經(jīng)完成了數(shù)十顆GPS衛(wèi)星的退役處置工作，其當(dāng)前的退役衛(wèi)星處置方案為：利用星上剩余燃料將退役衛(wèi)星軌道抬高1000km，送入墓地軌道，以保證GPS系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2．在軌工作衛(wèi)星運(yùn)行管理

GPS系統(tǒng)在軌工作衛(wèi)星管理利用運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)行，主要功能包括：

1）衛(wèi)星軌道的精確測量，以確定、預(yù)測和連續(xù)發(fā)布全部GPS工作衛(wèi)星的軌道參數(shù)；

2）時(shí)間的精確測量，以確定全部GPS衛(wèi)星的星載時(shí)間系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)時(shí)間、世界協(xié)調(diào)時(shí)間之偏差，通過調(diào)相和校正GPS衛(wèi)星的星載時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間，使GPS衛(wèi)星時(shí)間與中央同步器及統(tǒng)一時(shí)間部門的時(shí)間同步；

3）生成工作信息（導(dǎo)航電文）數(shù)據(jù)集，包括預(yù)測星歷、歷書、對每顆GPS衛(wèi)星的星載時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間的修正，并生成導(dǎo)航幀所需的其他信息；

4）將工作信息數(shù)據(jù)集傳輸至每顆GPS衛(wèi)星，并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集的運(yùn)行；

5）通過遙測信息監(jiān)控GPS衛(wèi)星星上系統(tǒng)的工作，并確定其狀態(tài)；

6）控制GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文中的信息，接收運(yùn)控子系統(tǒng)的接收呼叫信息；

7）通過向GPS衛(wèi)星發(fā)送控制程序和控制指令，控制GPS衛(wèi)星的飛行和星上各子系統(tǒng)的工作（如星上時(shí)間系統(tǒng)主鐘、熱備份鐘和冷備份鐘的切換等）；

8）調(diào)度運(yùn)行控制系統(tǒng)全部技術(shù)裝備的工作與各單元之間的數(shù)據(jù)自動(dòng)處理與傳輸。

GPS系統(tǒng)已經(jīng)完成了從大型主控計(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，形成了GPS運(yùn)行控制系統(tǒng)的工作主控站與備份主控站的雙主控站結(jié)構(gòu)。因此，在GPS系統(tǒng)在軌工作衛(wèi)星運(yùn)行管理過程中，必須實(shí)現(xiàn)主控站、備主控站運(yùn)行控制狀態(tài)與信息的完全同步，以保證備份主控站可隨時(shí)接替工作主控站GPS系統(tǒng)的運(yùn)行控制工作。

三、結(jié)束語

自1995年GPS系統(tǒng)投入全面運(yùn)行以來，美國空軍保證了GPS系統(tǒng)在長達(dá)20余年時(shí)間里的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，積累了豐富的導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。全面了解、掌握、借鑒美國GPS系統(tǒng)在軌運(yùn)行管理的經(jīng)驗(yàn)，對我們分析、研究全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行與管理規(guī)律對保證北斗系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要參考價(jià)值。

[1]Space-based Positioning Navigation &Timing National Executive Committee.www.gps.gov.

[2]Dee Ann Divis. GAO: New GPS Ground System, Not GPS III Engineering,Primary Cause for Delays. www.insidegnss.com/node/5252. 201610.