宋心榮

首顆 GPS Ⅲ衛(wèi)星的綽號(hào) “維斯普奇”來(lái)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(guò)幾個(gè)月的延誤之后，美國(guó)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(hào)“維斯普奇”來(lái)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(yùn)營(yíng)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(guó)研制GPS Ⅲ衛(wèi)星的原因。

技術(shù)上，GPS Ⅲ并不是GPS Block ⅡF的簡(jiǎn)單改進(jìn)，而是全新的設(shè)計(jì)。其民用信號(hào)的可靠性和精度大幅提升，軍用信號(hào)的抗干擾能力也大大提升。另外GPS Ⅲ的使用壽命也達(dá)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(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性，GPS Ⅲ衛(wèi)星將同時(shí)向地球發(fā)射兩種民用導(dǎo)航信號(hào)，兩種信號(hào)可以互相校正，減少電離層引起的偏差。同時(shí)，這兩種信號(hào)中的一種信號(hào)可以與歐洲的“伽利略”系統(tǒng)、中國(guó)的“北斗”系統(tǒng)和印度以及日本的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容。這就意味著用戶(hù)的移動(dòng)端可以同時(shí)接受包括更多導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，增加定位精度。根據(jù)GPS…承包商洛克希德·馬丁公司的估計(jì)，GPS Ⅲ衛(wèi)星組網(wǎng)后，其民用信號(hào)的定位精度可以達(dá)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(yáng)能電池板功率是舊衛(wèi)星的8倍，更強(qiáng)大的電源意味著更強(qiáng)大的信號(hào)功率。信號(hào)增強(qiáng)后，在樹(shù)林、峽谷、建筑物密集區(qū)甚至建筑物內(nèi)都能獲得其導(dǎo)航信號(hào)。而在之前，這些地區(qū)幾乎無(wú)法使用GPS導(dǎo)航。

雖然民用用途很廣，但GPS主要還是為軍事用途服務(wù)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(duì)接收的軍用GPS信號(hào)就受到了干擾。因此，GPS Ⅲ衛(wèi)星毫不意外將改進(jìn)重點(diǎn)放在了提升軍用信號(hào)的抗干擾能力上。GPS Ⅲ衛(wèi)星的加密軍用信號(hào)發(fā)射功率是舊衛(wèi)星的8倍，足以“蓋過(guò)”干擾信號(hào)。除此之外，GPS Ⅲ衛(wèi)星還采用了新型高增益定向天線(xiàn)。此前，GPS衛(wèi)星大多采用普通拋物面天線(xiàn)，保證信號(hào)覆蓋面積最大，但單位面積上信號(hào)強(qiáng)度并不大，容易被干擾。GPS Ⅲ的高增益定向天線(xiàn)則將信號(hào)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(hào)強(qiáng)度很高，足以抵消干擾，使武器彈藥得到可靠的導(dǎo)航信號(hào)。

2018年12月23日，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的延誤之后，美國(guó)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(jìn)度并不確定。根據(jù)美國(guó)空軍的計(jì)劃，第一顆GPS Ⅲ衛(wèi)星早在2016年就應(yīng)該如期升空。但由于關(guān)鍵部件的交付延期，導(dǎo)致衛(wèi)星的裝配不斷延后。美國(guó)空軍決定使用“獵鷹”9火箭來(lái)發(fā)射該衛(wèi)星也拖延了發(fā)射時(shí)間，因?yàn)榇饲癝pace X公司從來(lái)沒(méi)有發(fā)射GPS衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)，該公司進(jìn)行了額外的準(zhǔn)備工作。美國(guó)政府問(wèn)責(zé)辦公室指出，為了盡快實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，已經(jīng)沒(méi)有時(shí)間讓第一顆GPS Ⅲ衛(wèi)星在軌進(jìn)行充分測(cè)試之后，利用其經(jīng)驗(yàn)再行建造第二顆GPS Ⅲ衛(wèi)星，只能采取邊建造邊改進(jìn)的方法。因此GPS Ⅲ衛(wèi)星的組網(wǎng)很可能不能按期實(shí)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(gè)完整的GPS系統(tǒng)需要由GPS衛(wèi)星星座、地面站以及用戶(hù)接收機(jī)組成，三者缺一不可。根據(jù)美國(guó)相關(guān)部門(mén)的報(bào)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(lái)一段時(shí)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(cè)站和地面控制站組成。其任務(wù)主要是時(shí)時(shí)校正GPS衛(wèi)星的軌道偏差和時(shí)鐘誤差。GPS衛(wèi)星在軌道上長(zhǎng)期運(yùn)行，受到空氣阻力的作用，軌道難免出現(xiàn)偏差，影響到導(dǎo)航精度。同時(shí)，隨著時(shí)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(jìn)行校正。在實(shí)際操作中，這種校正每天都要進(jìn)行一次，才能保證導(dǎo)航的精度。

在戰(zhàn)時(shí)對(duì)GPS信號(hào)的干擾也包括攻擊OCX地面站系統(tǒng)。因此，對(duì)美軍來(lái)說(shuō)，對(duì)于OCX地面站的保護(hù)——尤其是抗網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力至關(guān)重要。2010年，美國(guó)國(guó)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(jià)值34億美元。美國(guó)國(guó)防部認(rèn)為，衛(wèi)星地面站必須滿(mǎn)足“縱深防御”的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)，才能有效對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)航信號(hào)，以規(guī)避干擾頻譜。另外，每個(gè)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(jìn)。但是理想總是很豐滿(mǎn)，現(xiàn)實(shí)總是很骨感。過(guò)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(yīng)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(wú)期，而且該項(xiàng)目的成本已經(jīng)升至42.5億美元。截止到2018年，美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)在該項(xiàng)目上耗費(fèi)了60億美元，但OCX系統(tǒng)還是沒(méi)造出來(lái)。OCX系統(tǒng)的“難產(chǎn)”主要還是因?yàn)槲褰谴髽沁^(guò)嚴(yán)的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。雖然雷神公司擁有豐富的衛(wèi)星地面站研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題則顯得有些束手無(wú)策，更何況OCX系統(tǒng)還是滿(mǎn)足美國(guó)國(guó)防部“縱深防御”網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)軍用系統(tǒng)一第一個(gè)吃螃蟹的人不是那么好當(dāng)?shù)?。為了彌補(bǔ)自身在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的劣勢(shì)，雷神公司在2015年斥資16億美元收購(gòu)了商業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全公司W(wǎng)ebsense。到2018年6月，OCX系統(tǒng)終于通過(guò)了美國(guó)空軍的網(wǎng)絡(luò)攻擊測(cè)試，滿(mǎn)足了“縱深防御”網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)雷神公司負(fù)責(zé)OCX項(xiàng)目的副總裁比爾·沙利文的說(shuō)法，該公司將在2021年6月左右向美國(guó)空軍交付該系統(tǒng)。為了填補(bǔ)OCX系統(tǒng)的空缺，美國(guó)空軍不得不尋求臨時(shí)解決方案，以渡過(guò)OCX系統(tǒng)到位之前的空窗期。為此，美國(guó)空軍和洛馬公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了名為COpS的應(yīng)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(kāi)始研發(fā)，耗資1.6億美元，預(yù)計(jì)將于2019年4月交付。

責(zé)任編輯：王鑫邦