● 文 |中國航天科技集團公司 趙欣

從OCX看GPS系統(tǒng)未來發(fā)展

● 文 |中國航天科技集團公司 趙欣

OCX（美國GPS新一代地面運行控制系統(tǒng)）的目標(biāo)與任務(wù)是支撐未來以GPS-3衛(wèi)星為核心的GPS系統(tǒng)空間星座的穩(wěn)定運行。2016年，因OCX研發(fā)的嚴(yán)重拖延與經(jīng)費超支（從最初的15.3億美元，增加至超過53億美元），違反了麥柯迪法案，引發(fā)了美國國會與美國軍方的激烈爭論。美國國會甚至在2017財年的預(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財年預(yù)算，解除了OCX系統(tǒng)的發(fā)展危機。本文就從系統(tǒng)整體的角度分析OCX對GPS系統(tǒng)未來發(fā)展的影響。

一、OCX在GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化計劃中的作用

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

1.OCX在GPS系統(tǒng)中的運行控制作用

OCX是GPS新一代地面運行控制系統(tǒng)，最初的GPS運行控制系統(tǒng)被稱為OCS，上世紀(jì)九十年代中期完成全面部署，由1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站和5個跟蹤監(jiān)測站組成。主控站位于美國科羅拉多州的施里弗空軍基地，見圖1。主控站是整個運行控制系統(tǒng)的核心，信息處理、衛(wèi)星軌道計算、導(dǎo)航電文的生成、衛(wèi)星控制與調(diào)度、時間同步等全部由主控站完成；而跟蹤監(jiān)測站、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、以主控計算機為核心的運行控制系統(tǒng)。解決了滿足當(dāng)時GPS系統(tǒng)運行的問題。

圖1 最初的GPS地面控制系統(tǒng)

2.GPS現(xiàn)代化對運行控制系統(tǒng)的要求

1999年美國提出GPS現(xiàn)代化計劃，目標(biāo)是全面提升GPS系統(tǒng)軍事與民用服務(wù)能力，增強對抗條件下軍用導(dǎo)航服務(wù)能力，增強在全球民用衛(wèi)星導(dǎo)航市場的競爭能力，保持、增強美國在全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢與主導(dǎo)地位?，F(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，增強系統(tǒng)彈性；其二，在L1、L2頻段各增加一個M碼軍用信號；在L1、L2、L5頻段各增加一個民用信號；第三，增加星上信號功率可調(diào)、高速星間星地鏈路、點波束增強、搜索與救援和被動激光測距等導(dǎo)航戰(zhàn)能力；最后，運行控制系統(tǒng)將具備相對獨立的發(fā)射、測試、異常處置和退役管理的能力。因此，OCS遠不能滿足現(xiàn)代化GPS系統(tǒng)的運行控制要求，見表1。

表1 OCS系統(tǒng)能力與GPS現(xiàn)代化需求對比表

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)空間星座的運行管理，定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)的提供與導(dǎo)航戰(zhàn)功能運行的重要支撐。

二、OCX與GPS運行控制系統(tǒng)的演進

運行控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化要在保證GPS系統(tǒng)正常運行的條件下進行，為此美國空軍采取了循序漸進、逐步提升的方式，將運行控制系統(tǒng)的現(xiàn)代化分為三個階段，分別為OCS精度改進、體系結(jié)構(gòu)演進（AEP）和OCX。目前已經(jīng)完成了OCS精度改進、體系結(jié)構(gòu)演進兩個階段，即保證GPS系統(tǒng)正常運行，又實現(xiàn)了運行控制系統(tǒng)改進與升級。

1.OCS精度改進與體系結(jié)構(gòu)演進計劃

（1）OCS精度改進計劃

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

2005年6月開始，美國空軍經(jīng)過半年的努力改進后的星歷表與濾波模型相繼投入使用且OCS系統(tǒng)主控站開始接收NGA監(jiān)測站的數(shù)據(jù)。環(huán)境模型與卡爾曼濾波器的改進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)報精度，服務(wù)性能得到了明顯改善。

（2）體系結(jié)構(gòu)演進（AEP）計劃

AEP是GPS系統(tǒng)地面控制段現(xiàn)代化計劃中承上啟下的重要階段，最重要的是實現(xiàn)了GPS運行控制系統(tǒng)從大型主控計算機控制結(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計劃的目標(biāo)是：其一是滿足運行、管理多達32顆GPS衛(wèi)星（包括GPS-2F衛(wèi)星）的要求；其二是實現(xiàn)由中央主控計算機控制結(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；其三是引入美國空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)地面天線網(wǎng)絡(luò)，增強地面段的數(shù)據(jù)獲取與傳輸能力。

1996年波音公司獲得了價值11億美元的AEP合同，1999年向美國空軍提交了最初方案。GPS現(xiàn)代化計劃提出后，美國空軍對AEP計劃進行了全面調(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。

美國空軍實施AEP轉(zhuǎn)換的原則是“最安全、最快捷”。為此，美國空軍與波音公司共同制訂了“增強分階段運行轉(zhuǎn)換”（EPOT）計劃。EPOT計劃將從OCS到AEP的轉(zhuǎn)換分為4個階段，分別為階段0至階段3。GPS系統(tǒng)地面控制段的對外接口則按轉(zhuǎn)換的需要，在不同階段實現(xiàn)從OCS向AEP的轉(zhuǎn)換。

2.OCX計劃

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)空間段的運行、控制與管理要求，增強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)險降低等研究活動之后，2007年11月美國空軍將兩個合同OCX分別授予了諾斯羅普·格魯曼和雷神公司，每個合同價值1.6億美元，開展為期18個月的系統(tǒng)設(shè)計與審查，以及現(xiàn)代化能力工程模型的研究與開發(fā)，最終確定了分4個階段實施的OCX系統(tǒng)方案。2010年2月，美國空軍將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，合同總額達到15.3億美元。OCX發(fā)展路線圖與核心需求分別見圖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GPS-3衛(wèi)星星座的核心或使能設(shè)施，沒有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、高速星間星地鏈路、點波束增強等均不能投入使用。因此，OCX是不可替代的，沒有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。

美國國會問責(zé)署（GAO）的調(diào)研表明OCX計劃嚴(yán)重拖延的主要原因包括：計劃調(diào)整、遠高于預(yù)期的軟件缺陷水平和由此造成的重大返工與代碼增長。GAO將產(chǎn)生上述問題的原因歸結(jié)為：對OCX技術(shù)復(fù)雜程度與工作量的認(rèn)識不足或嚴(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GPS-3與OCX計劃的未來發(fā)展持較為悲觀的態(tài)度，認(rèn)為OCX1與OCX2投入初始運行的時間將至少推遲至2018年11月和2019年11月。

三、從OCX看GPS系統(tǒng)未來發(fā)展

從GPS系統(tǒng)的發(fā)展過程與未來發(fā)展計劃看（見圖3），隨著GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)功能的增加，空間段的運行，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行控制系統(tǒng)的指揮與控制，以確定在什么時間、對什么區(qū)域使用諸如星上信號功率可調(diào)、點波束增強等能力。

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)星組成的運行星座。從美國空軍2015年向國會國防委員會提交的《GPS系統(tǒng)星座更新、補充》報告來看，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有嚴(yán)格按程序進行測試，必須重新按程序進行測試。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)星進行星座更新與補充發(fā)射將從2019年全面啟動，計劃每年進行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，美國空軍僅簽署了OCX1、OCX2兩個階段的研發(fā)合同，如能按GAO的預(yù)測于2019年完成部署將使GPS現(xiàn)代化計劃中規(guī)劃的全部軍民用導(dǎo)航信號、星上信號功率可調(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。OCX計劃完成后，GPS運行控制系統(tǒng)將全面擁有支撐由GPS-3衛(wèi)星組成的空間星座的運行能力，其未來空間與地面體系見圖4。

從OCX的發(fā)展來看，導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)與能力仍將是未來20年GPS系統(tǒng)的發(fā)展重點，并擴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)計為基礎(chǔ)，洛馬公司啟動了為期26個月的GPS-3衛(wèi)星“在軌可重新編程”技術(shù)驗證，目標(biāo)是為GPS-3衛(wèi)星提供在軌升級和增加新信號、新功能的能力。這也是從第11顆開始的GPS-3衛(wèi)星生產(chǎn)準(zhǔn)備成熟度評估計劃的一部分。“在軌可重新編程”能力將使GPS系統(tǒng)能夠在需要時實現(xiàn)在軌升級，生成并播發(fā)新的導(dǎo)航信號和構(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)與能力進一步升級。2015年，美國空軍啟動了衛(wèi)星導(dǎo)航新概念、新技術(shù)驗證項目NTS-3，其最重要的內(nèi)容為可實現(xiàn)中心頻率與信號波形調(diào)整的“在軌數(shù)字波形生成器（ORDWG）技術(shù)”，目的也是增強導(dǎo)航戰(zhàn)能力。

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

四、結(jié)束語

導(dǎo)航戰(zhàn)能力是對抗條件下軍事定位導(dǎo)航授時能力的重要保障，與減少對運行控制系統(tǒng)依賴的自主導(dǎo)航技術(shù)相反，星上信號功率可調(diào)、點波束增強和未來的靈活有效載荷等技術(shù)與能力的運行與應(yīng)用將更加依賴地面運行控制系統(tǒng)的指揮與控制。因此，未來GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)功能與能力的實現(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.