前六代星俱往矣,数新型卫星还看GPSIII

2018年12月23日,GPSIII第一颗卫星的成功发射,代表GPS系统翻过新的一页,其现代化进程步入最后的发展阶段。GPSIII是GPS系列卫星中的第七代卫星。GPS卫星星座,从1978年以来经过六次重大的演变迭代,其第六次迭代是在2010-2016年间进行的,实现GPSIIF更迭。而第七次更迭从2018年开始,可能到2023年才能够完成第一次迭代,而实现GPSIII整体星座迭代可能延续到2033年。


表1.GPS若干代卫星的数量分布和成功、失败、计划发射数量与工作卫星数量一览

一、GPSIII的主要技术进步和特点

       GPS卫星第六代的GPSIIF,有12颗卫星,它们的设计寿命已经为12年,比此前两代的7.5年设计寿命,差不多成倍上升。同时,具备软件上载、抗干扰能力和精度的提高。

       GPS第七代的GPSIII,设计寿命为15年。除开去年底发射的SV01星,还有九颗卫星待发射,GPSIIISV02星今年六月发射,下半年还发SV03星,2020年发SV04星,SV10星将在2023年升空。其后,就是GPS的第八代星GPSIIIF,共有22颗卫星,计划2033年发射完成。

       二、L频段上发生的信号的故事

       在GPSIII卫星上,增加有多个民用频点,在原先的L1C/A外,第二个开放的GPS信号是在L2C上,这是从2005年发射第一颗GPSIIR卫星是就开始采用,第三个开放的GPS信号是在L5频点上,这是从2010年发射的第一颗GPSIIF卫星开始采用的,第四个开放的GPS信号还是在L1频点上,但是发射的是L1C信号,该信号是从2018年底发射的GPSIII第一颗卫星开始采用的,该卫星在2018年12月23日升空后,经过提轨和天线与太阳能阵列部署,2019年1月8日起卫星导航载荷开始广播导航信号,在轨测试仍在进行,试验证明导航载荷的能力预期,卫星完全处于健康工作状态。GPSIII所发射的L1C信号,是与其他GNSS实现兼容互操作,改进民用用户的连接性需求。GPS III最终将实现完整的军用M-码功能 ,在GPSIIR-M和GPSIIF卫星上曾经载有这类的军码,但是未能完全实施,无法支持作战人员的运作。GPS III M-码能力超过GPS IIR-M和GPS IIF。GPS III将完成L2C民用信号的部署,以及从GPS IIR-M和GPS IIF卫星开始的L5生命安全信号功能。最后,GPS III将实现改进的完好性,这就是说,一旦发生精度降低的问题,卫星具有自行检测并发出警报的能力。值得指出的是,加密的军码信号具有信号功率提升能力,其发射功率可以比通常情况下提供八倍。从而,增强了抗干扰能力,提高了可靠性。此外,其他信号也可以提高在地球表面的信号接收功率,对于L1和L2,其C / A码信号为-158.5 dBW,P(Y)码信号为-161.5 dBW,而L5为-154 dBW。


图1. GPSIII卫星空中示意图 

图2. GPSIIIF卫星空中示意图

三、GPS现代化是个系统性课题

       GPSIII是GPS现代化的巅峰之作,而真正的GPS现代化不仅仅是卫星的事情,而是地面运控、用户终端,以及大量的研发测试工作。

       GPSIII卫星的大脑是导航的有效载荷。哈里斯公司是洛克希德马丁公司的分包商,负责开发和生产用于GPS空间部分的GPS III任务数据单元(MDU)和发射器(六个已经交付)。 哈里斯公司的MDU与原子频率标准和L波段发射机设备一起构成了导航有效载荷单元。 MDU执行GPS卫星的主要任务:连续生成导航信号和数据。 MDU控制产生用于导航信号的精密定时信号,同时将定时信号分配给其他卫星部件。这个MDU的70%已经实现数字化。接下来,GPS IIIF卫星将实现完全的数字化。涉及全数字化有效载荷的优势时应该指出,30%的差距是在时间保持系统部分。而正在从手动和模拟定时转向数字化,为空军提供更大的灵活性。这是一个很好的选择,必须能够在空间轨道上重新编程,并可能增强未来所需的功能。

       如何工作的更好,如何保证工作寿命更长,是GPS III提供的关键改进之一。GPSIII卫星的计划任务寿命为15年,比其前辈长25%。这引出了一个问题,“卫星在太空中居住多久才合适,特别是技术创新几乎每年都会发生”?先进的有效载荷技术提供商人给出了部分答案。洛克希德·马丁公司和哈里斯公司指出了新的有效载荷能力,具有内置的灵活性,可以使轨道卫星适应技术进步以及任务的变化。根据哈里斯公司的说法,全数字导航有效载荷将提供在任务寿命期间增量更新和升级卫星的能力。 2017年底,洛克希德宣布与NEC公司建立合作伙伴关系,为轨道上的计算机学习引入人工智能。该公司扬言在处理器方面有重大进步,并转向下一代天线、阵列和发射器,以提高卫星的可行性、功能和弹性。

       地面运控系统的升级换代(OCX)是GPSIII现代化阶段的重要组成部分。GPS III的军事升级需要新的地面控制站,由于编程和需求修改的复杂性,OCX的替代工作遭受了反复延迟和成本增加。在新的高度复杂的地面控制系统可用之前,新的抗干扰军事信号将无法使用,并且预计在2022年或2023年之前不会实现。“深度防御”信息保证标准,没有豁免,使其具有任何国防部太空系统的最高级别的网络安全保护。GPS OCX的可交付成果分为三个阶段。 Block 0交付发生在2017年秋季,使其能够支持GPSIII的首次发射。 Block 1交付将在2021年进行,提供全面的操控能力,以控制传统和现代化的卫星与信号。与Block1同时交付的Block2增加了L1C的操作控制和现代化的M-码。

       严格的测试,再测试,确保系统的成功运行。洛克希德·马丁公司开发GPS III,使用了空军的返回基础程序,涉及早期原型设计和模拟,其方法涉及严格的质量构建和认证,以及组件测试和系统级测试。全面的需求验证和验证过程确保了超过30,000个要求的达到。系统功能认证包括多种环境测试中的性能验证,包括声学、热真空(TVAC)和电磁频谱。 “我们认为热真空是测试任何卫星投入运营前的黄金标准,”GPS理事会主任史蒂夫惠特尼上校指出。“从开始到结束的整个热真空测试大约是70天。与此同时,我们的员工正在关注数据及其健康状况。 TVAC是卫星经历的一个重要里程碑,不能存在任何问题。到目前为止,所有10颗GPS III卫星的90%以上的零件和材料都来自29个州的250多家航空航天公司”。


图3.最近几代GPS卫星星座及其主要特征一览图

  四、 GPSIII的最终结果

       GPSIII能够形成真正的服务能力,必须有足够数量的卫星工作,而且需要现代化的地面运控系统配合,实现这一目标的时间段预定为2023年。届时,GPSIII能够为民用用户提供更加可靠和精准的服务,也为军用用户提供更具抗干扰能力的服务,还为每一个用户提供更加安全的服务。同时,定位精度提高三倍,抗干扰能力提高八倍,L1C提供与其他GNSS的兼容互操作性。作为GPS第八代的GPSIIIF,将再次增强卫星能力,主要是两个方面:一是增加高增益的定向天线,形成有限信号辐照区域的点波束,发送高功率信号服务于军事战略应用;二是增加星间电路,GPSIIIF卫星将携带激光后向反射器,以便能够独立于卫星无线电信号进行轨道跟踪,从而使卫星时钟误差能够从星历误差中消除。这是GLONASS的标准功能,它也在伽利略定位系统中使用,并在两颗较旧的GPS卫星SV35和SV36上进行过飞行试验。

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