趙超 劉春保( 中國(guó)空間技術(shù)研究院 北京空間科技信息研究所)
2018年9月,美國(guó)空軍將價(jià)值72 億美元、涉及22 顆GPS-3F 衛(wèi)星的研發(fā)合同授予了洛馬公司(LM),但就GPS-3 衛(wèi)星的能力增量或新增功能,公開的內(nèi)容僅提及了三個(gè)方面,其一增加搜索救援載荷;其二增加激光反射器陣列;其三采用全數(shù)字化的有效載荷;對(duì)GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展沒有給出清晰的描述。本文試圖通過對(duì)GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃、美國(guó)空軍導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3(NTS-3)與GPS-3F 衛(wèi)星的綜合分析,探討美國(guó)GPS 系統(tǒng)的未來發(fā)展。
GPS 現(xiàn)代化的目標(biāo)包括兩個(gè)方面,一是增強(qiáng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)背景下,GPS 系統(tǒng)對(duì)美軍的支撐、保障作用;二是保持美國(guó)在全球民用衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導(dǎo)地位。主要任務(wù)包含3 個(gè)方面,一是增強(qiáng)、保障,即增強(qiáng)軍用導(dǎo)航信號(hào)的可靠性、安全性和抗干擾能力,更好地保證美軍及其盟國(guó)軍方可靠地使用GPS 服務(wù);二是拒絕、阻止,即阻止敵方使用GPS 民用信號(hào),干擾敵方使用其他衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù);三是保持作戰(zhàn)區(qū)域外的民用用戶能夠正常使用GPS民用服務(wù)。
為實(shí)現(xiàn)GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化的目標(biāo),美國(guó)空軍采取了循序漸進(jìn)的發(fā)展策略,兩個(gè)相鄰型號(hào)之間只增加少量的功能或能力增量,即保證GPS 系統(tǒng)的不斷發(fā)展,實(shí)現(xiàn)GPS 現(xiàn)代化的目標(biāo),同時(shí)降低因功能或能力過快增加帶來的風(fēng)險(xiǎn)。
GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃空間段衛(wèi)星發(fā)展過程
截至2019年10月,美國(guó)GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)入最后階段,首顆GPS-3 衛(wèi)星已于2018年12月成功發(fā)射;并2018年9月簽署了GPS-3 衛(wèi)星后繼型號(hào)——GPS-3F 衛(wèi)星的研發(fā)合同(2018年,美國(guó)空軍將原GPS-3 系列衛(wèi)星的3 個(gè)型號(hào)調(diào)整為2 個(gè),即GPS- 3 和GPS- 3F),首顆GPS- 3F 衛(wèi)星計(jì)劃于2026年交付,2027年首次發(fā)射,至2034年左右完成全部22 顆GPS-3F 衛(wèi)星的部署。
從GPS-3 衛(wèi)星裝備的功能和能力來看,GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中尚未實(shí)現(xiàn)或尚未具備的主要能力包括:點(diǎn)波束功率增強(qiáng)、高速星間/星地鏈路。從研發(fā)已經(jīng)披露的信息看,GPS-F 衛(wèi)星新增了在軌升級(jí)和信號(hào)重構(gòu)能力。因此,GPS-3F 衛(wèi)星還應(yīng)當(dāng)增加點(diǎn)波束功率增強(qiáng)和高速星間/星地鏈路兩個(gè)能力增量。
導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3(NTS-3)是繼NTS-1、NTS-2 兩個(gè)導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目(上述兩個(gè)項(xiàng)目分別在1974、1977年發(fā)射,主要開展了空間原子鐘技術(shù)的演示驗(yàn)證,有效支撐了GPS 系統(tǒng)的發(fā)展)后,開展的第三個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目。NTS-3項(xiàng)目主要由兩部分組成,一是NTS-3 衛(wèi)星,二是地面運(yùn)行管理與控制系統(tǒng),計(jì)劃于2022年發(fā)射,進(jìn)行為期1年的空間飛行演示驗(yàn)證。
2017年6月,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室將價(jià)值9500萬美元的NTS-3 項(xiàng)目地面控制系統(tǒng)的合同授予了布萊克頓技術(shù)公司(Braxton),目標(biāo)是在未來軍事作戰(zhàn)中保證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在電磁干擾、欺騙和賽博攻擊環(huán)境下可靠的支持衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行,探索新的方案運(yùn)行控制技術(shù),包括:導(dǎo)航衛(wèi)星星歷主動(dòng)控制技術(shù)、備選TT&C 與地面運(yùn)行控制技術(shù)、搭載載荷技術(shù);開展廣泛的科學(xué)技術(shù)試驗(yàn),包括:太空、地面與賽博空間的整合、先進(jìn)信號(hào)、精確軌道確定條件下的主動(dòng)機(jī)動(dòng)、戰(zhàn)術(shù)TT&C、區(qū)域信號(hào)等。
NTS-1、NTS-2 與NTS-3 衛(wèi)星
2019年1月17日,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心選擇哈里斯公司(Harris)作為NTS-3 衛(wèi)星的主承包商,采用諾格公司(Northrop Grumman)的ESPAStar 平臺(tái),主要試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目包括:高增益天線技術(shù)、大功率固態(tài)放大器技術(shù)、敏捷數(shù)字化有效載荷技術(shù)和先進(jìn)原子鐘技術(shù),衛(wèi)星將部署在地球靜止軌道。
(1)軍用高增益天線項(xiàng)目
高增益天線項(xiàng)目主要思路是:
1)采用可展開相控陣天線,特點(diǎn)是小尺寸陣元、陣元間的高效相移控制、使用現(xiàn)有的放大器、雙工器和展開機(jī)構(gòu)。
2)電子控制的地球指向陣列,特點(diǎn)是模塊化、高效的零部件、互干擾消除裝置與高增效放大器。
3)可展開反射器相控陣饋電,特點(diǎn)是模塊化三級(jí)結(jié)構(gòu)、最小化裝配工具包、被動(dòng)展開機(jī)構(gòu)、收縮狀態(tài)折疊方式。
(2)GPS 先進(jìn)L 頻段放大器技術(shù)
GPS先進(jìn)L頻段放大器技術(shù)也將為信號(hào)功率增強(qiáng),改善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)功率過低這一固有的脆弱性提供支持。美國(guó)空軍認(rèn)為,該領(lǐng)域的決定性因素包括:
1)相同信號(hào)強(qiáng)度下的低航天器功率:低質(zhì)量/成本的電源系統(tǒng);
2)改善相同信號(hào)強(qiáng)度效率:實(shí)現(xiàn)密集布置、降低對(duì)熱子系統(tǒng)的要求;
3)增加抗干擾信號(hào)強(qiáng)度;
4)減少放大器零部件數(shù)量。
2014年,先進(jìn)L 頻段放大器的研發(fā)合同分別授予了鮑爾公司(PCC)、波音公司(Boeing)和諾格公司。2017年其技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到了5 級(jí)。
GPS 先進(jìn)L 頻段放大器指標(biāo)
(3)靈活數(shù)字化有效載荷
靈活數(shù)字化有效載荷項(xiàng)目以GPS 系統(tǒng)當(dāng)前有效載荷的數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ),研發(fā)在軌可重新編程數(shù)字波形生成器(ORDWG)。ORDWG 的招標(biāo)公告于2015年4月發(fā)布,2016年1月研發(fā)合同授予了多家公司。
美國(guó)空軍要求ORDWG 具有如下能力:
1)靈活的抗干擾、抗欺騙信號(hào)方法;
2)延緩衛(wèi)星的老化或退化(包括衛(wèi)星適應(yīng)任務(wù)變化的能力,使已在軌工作的衛(wèi)星可以按任務(wù)要求生成新的信號(hào)以滿足新任務(wù)要求,還有解決系統(tǒng)升級(jí)周期過長(zhǎng)或新能力投入運(yùn)行周期過長(zhǎng)等問題);
3)滿足未來先進(jìn)信號(hào)的處理要求;
4)降低導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展過程中因設(shè)計(jì)改變?cè)斐傻某杀驹黾印?/p>
(4)空間原子鐘技術(shù)
目標(biāo)是探索先進(jìn)原子鐘技術(shù),使原子鐘的頻率穩(wěn)定性較當(dāng)前的銣原子鐘提高一個(gè)數(shù)量級(jí),并強(qiáng)調(diào)原子鐘的可制造性和材料的可用性。參與空間原子鐘技術(shù)研發(fā)的包括DARPA、NASA 的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)國(guó)家研究所、海軍天文臺(tái)、海軍研究實(shí)驗(yàn)室等。該項(xiàng)目已經(jīng)完成了多種技術(shù)途徑的分析、研究;同時(shí)提出應(yīng)長(zhǎng)期投資于原子鐘科學(xué)與技術(shù)的研究項(xiàng)目。
從當(dāng)前美國(guó)原子鐘技術(shù),特別是空間原子發(fā)展的角度看,NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的汞離子鐘項(xiàng)目、DARPA 的冷原子鐘和相干布居囚禁原子鐘項(xiàng)目等成為NTS-3 先進(jìn)空間原子鐘技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目的可能性較高,其中NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室為深空探測(cè)航天器研發(fā)的汞離子鐘技術(shù)已經(jīng)基本接近成熟,其精度、體積、質(zhì)量和功耗等均滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間原子鐘的要求。
綜上所述,美國(guó)空軍計(jì)劃NTS-3 項(xiàng)目于2022年發(fā)射,對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行演示驗(yàn)證,而首顆GPS-3F 衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間為2027年。因此從時(shí)間上看,NTS-3 項(xiàng)目進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證的主要目的即是為GPS-3F 衛(wèi)星的研發(fā)提供支撐。
按當(dāng)前的發(fā)射、部署計(jì)劃,GPS-3F 衛(wèi)星的發(fā)射、部署將從2027年持續(xù)至2034年左右。因此,在不發(fā)生計(jì)劃拖延的情況下,GPS-3 系列衛(wèi)星將作為主力型號(hào)支撐GPS 系統(tǒng)運(yùn)行至2040-2045年左右,可以說GPS-3 系列衛(wèi)星,特別是GPS-3F 衛(wèi)星基本代表了未來25年左右GPS 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
按GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃,點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)是GPS 系統(tǒng)增強(qiáng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的重要手段,是美軍應(yīng)對(duì)未來強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境所必需的能力,計(jì)劃裝備GPS-3C 衛(wèi)星。GPS-3 系列衛(wèi)星從3 個(gè)型號(hào)調(diào)整為2 個(gè)型號(hào)后,該功能理應(yīng)由GPS-3F 衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。同時(shí),信號(hào)功率增強(qiáng)技術(shù)也是NTS-3 項(xiàng)目的重點(diǎn),安排了軍用高增益天線、先進(jìn)L 頻段放大器等2 項(xiàng)信號(hào)功率增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證也說明了美軍對(duì)點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)的重視。因此,點(diǎn)波束信號(hào)功率增強(qiáng)必定成為GPS-3F 必備的核心能力。
GPS- 3 衛(wèi)星有效載荷的數(shù)字化率已經(jīng)達(dá)到70%;GPS- 3F 衛(wèi)星有效載荷的數(shù)字化率將達(dá)到100%,且在在軌編程技術(shù)、軟件無線電技術(shù)共同支持下使GPS-3F 衛(wèi)星具備在軌升級(jí)與信號(hào)重構(gòu)能力。該能力在提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性方面將發(fā)揮重要作用,并將對(duì)導(dǎo)航戰(zhàn)能力、體系彈性等構(gòu)成有效支撐。
GPS-3 衛(wèi)星已經(jīng)裝備了脈沖光抽運(yùn)銫束鐘、用于高精度定軌的激光反射器陳列,提高星歷精度,改進(jìn)修正模型;在NTS- 3 項(xiàng)目中計(jì)劃開展先進(jìn)空間原子鐘(預(yù)計(jì)NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的汞離子鐘為首選項(xiàng)目)和運(yùn)行控制技術(shù)、高精度星歷等項(xiàng)目的演示驗(yàn)證,使GPS 系統(tǒng)水平定位精度達(dá)到0.5~0.6m 的水平,鞏固其在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導(dǎo)地位。
為應(yīng)對(duì)GPS 系統(tǒng)海外運(yùn)行控制設(shè)施全面故障或未來戰(zhàn)爭(zhēng)中被摧毀的情況,以及出于降低GPS 系統(tǒng)運(yùn)行管理與控制成本的目的,美國(guó)空軍計(jì)劃僅利用本土的GPS 運(yùn)行控制設(shè)施,通過GPS-3F 衛(wèi)星裝備的高速星間/星地鏈路實(shí)現(xiàn)GPS 系統(tǒng)的高精度運(yùn)行控制。
由此可見,美軍時(shí)刻以滿足未來強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的軍事需求為核心,以滿足未來高精度、高可靠民用衛(wèi)星導(dǎo)航需求為第二目標(biāo),持續(xù)推進(jìn)GPS 系統(tǒng)的發(fā)展,保持美國(guó)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)先與主導(dǎo)地位。
隨著四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全部投入運(yùn)行與服務(wù),以及區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展,全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇,而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的成敗關(guān)系著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的地位與作用,并形成對(duì)國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和外交影響力的支撐。因此,作為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力重要標(biāo)志的服務(wù)性能就成為未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)的重要焦點(diǎn)之一。
通過裝備新一代脈沖光抽運(yùn)銫束鐘、數(shù)字化導(dǎo)航有效載荷、激光反射器陳列(用于實(shí)現(xiàn)精確定軌)等技術(shù)手段,美國(guó)GPS-3 系列衛(wèi)星的定位精度將提升3 倍;俄羅斯裝備新一代GLONASS-K 系列衛(wèi)星裝備高精度、小型化被動(dòng)氫鐘原子鐘,并播發(fā)新的CDMA 導(dǎo)航信號(hào);歐洲正在積極開展空間冷原子鐘的研發(fā),以提高時(shí)間頻率系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定度。因此,聚焦基本導(dǎo)航服務(wù),重視增強(qiáng)服務(wù)性能與競(jìng)爭(zhēng)能力的提升就成為GPS 系統(tǒng)未來發(fā)展的重點(diǎn)之一。
滿足任務(wù)與需求變化的能力是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)適應(yīng)未來軍事與民用衛(wèi)星導(dǎo)航需求快速發(fā)展、變化的核心能力之一,已經(jīng)成為GPS-3F 衛(wèi)星重要的核心能力增項(xiàng)。首先,雖然在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展過程中,已經(jīng)對(duì)未來軍事與民用定位導(dǎo)航授時(shí)的需求進(jìn)行了充分的論證,但是在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天,人們難以對(duì)未來10年、20年的定位導(dǎo)航授時(shí)需求做出準(zhǔn)確的描述。第二,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般由30 顆左右的衛(wèi)星組成,其維持與發(fā)展需要大量、持續(xù)的投入。因而,為降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)維持與發(fā)展的成本,各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均追求衛(wèi)星的高可靠、長(zhǎng)壽命。美國(guó)GPS-3 衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)達(dá)到15年(對(duì)比之前的GPS-2A、GPS-2R 衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命7.5年,提高了1 倍),歐洲“伽利略”(Galileo)系統(tǒng)、俄羅斯“格洛納斯”(GLONASS)系統(tǒng)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命也達(dá)到了10年或以上。設(shè)計(jì)壽命的提升有效地降低了系統(tǒng)的維持與發(fā)展成本,卻產(chǎn)生了一個(gè)新問題:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的更新、升級(jí)時(shí)間過長(zhǎng)。以美國(guó)GPS 系統(tǒng)為例,從2005年首顆具有新一代軍用M 碼信號(hào)播發(fā)能力的GPS-2RM 衛(wèi)星發(fā)射至今已經(jīng)超過14年,但GPS星座中具有M 碼播發(fā)能力的衛(wèi)星只有19 顆(2顆GPS-3 衛(wèi)星仍未投入運(yùn)行),未能形成全面運(yùn)行能力,嚴(yán)重影響了GPS 系統(tǒng)能力的升級(jí)。因此,要求導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)及其服務(wù)具有一定的“彈性”,從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)功能與服務(wù)的快速升級(jí)。
為滿足快速發(fā)展變化的軍事與民用定位導(dǎo)航授時(shí)需求,縮短空間星座升級(jí)的周期,美國(guó)空軍以全數(shù)字化的導(dǎo)航有效載荷技術(shù)、在軌可編程技術(shù)和軟件無線電技術(shù)為基礎(chǔ),正在研發(fā)GPS 衛(wèi)星的在軌升級(jí)與信號(hào)重構(gòu),并在NTS-3 項(xiàng)目中開展了靈活數(shù)字化有效載荷的演示驗(yàn)證,未來均將用于支撐GPS-3F衛(wèi)星的發(fā)展。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施,是國(guó)家天地一體化信息體系的重要組成部分,其提供的覆蓋地球及近地軌道空間的高精度定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)與統(tǒng)一的時(shí)間、空間基準(zhǔn)是軍事能力的倍增器,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)高效、穩(wěn)定運(yùn)行與增長(zhǎng)的助推器。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是保障國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。
作為賽博空間的組成部分,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面運(yùn)行控制段與通信、指揮鏈路正面臨著日益嚴(yán)重的賽博安全問題。特別是在賽博空間成為與陸、海、空、天并列的第五作戰(zhàn)域后,世界各國(guó)均在大力發(fā)展賽博空間作戰(zhàn)能力,且賽博空間的作戰(zhàn)能力已經(jīng)成為影響戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素,而作為重要空間基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也必將成為敵方賽博攻擊的重要目標(biāo)。因此,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)賽博安全防護(hù)已經(jīng)成為影響、甚至決定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能否安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行并提供服務(wù)的重要保障,甚至成為影響或決定衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)控制權(quán)的重要因素。
從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行的角度看,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定與可靠需要地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的全面支持,包括精確的定軌定姿、時(shí)間同步、導(dǎo)航電文與數(shù)據(jù)等。如果運(yùn)行控制系統(tǒng)不能有效地防御賽博攻擊,則衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只能采取自主導(dǎo)航模式,而在此情況下,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能將隨時(shí)間的增加而降低。
從導(dǎo)航戰(zhàn)功能實(shí)現(xiàn)的角度看,包括導(dǎo)航拒止、功率增強(qiáng)、在軌可編程與信號(hào)重構(gòu)在內(nèi)的當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)具備或正在研發(fā)的導(dǎo)航戰(zhàn)功能均需按照地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的指令運(yùn)行。如果不能有效地防御賽博攻擊,運(yùn)行控制系統(tǒng)將不能保證對(duì)空間星座、衛(wèi)星實(shí)施有效的運(yùn)行管理與控制,更不能保證按需求啟動(dòng)與使用導(dǎo)航戰(zhàn)功能。因此,賽博安全能力將成為應(yīng)用導(dǎo)航戰(zhàn)功能與遂行導(dǎo)航戰(zhàn)能力的核心支撐。