美国GPS现代化发展现状与未来趋势研究.docx

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1、美国GPS现代化发展现状与未来趋势研究2023年5月9日，美国政府问责局(GAO)发布了GPS现代化一一及时部署军事用户设备需要更好的信息和详细测试计划报告，对GPS现代化相关项目的进展情况、存在问题以及解决建议进行了概述。本文将结合美国GPS现代化战略的背景、发展路线图、资金投入等情况，介绍美国GPS现代化当前总体发展态势，并分析未来发展趋势。一、GPS现代化的背景和发展路线图1 .GPS现代化背景GPS系统是全球超过60亿用户的首选定位导航授时(PNT)服务源，对美国关键基础设施的运行至关重要，并且已经渗入生活的方方面面。GPS系统由三个部分组成：空间段、地面段和用户段。美太空军致力于维护

2、一个健康的GPS星座，保障定位导航授时全球服务的可用性和可靠性，而设备和性能的持续改进一直是一个重要方面。另外，当前卫星的老化和激烈的国际竞争使美国GPS优势受到威胁，加快对GPS现代化的投资对美国的利益至关重要。GPS现代化是设备性能持续改进的重要措施，其作为一项持续的、耗资数十亿美元的庞大工程，旨在提升GPS系统的功能和整体性能。升级后的功能包括新的民用和军用GPS信号，其中军用GPS信号即M码，将通过使用更强大的信号和更宽的无线电频率范围，帮助军事用户免受干扰，还将通过加密信号来增强对GPS信号的保护以应对欺骗问题。2 .GPS现代化战略发展路线图2023年4月，美太空军发布了最新的GP

3、S战略路线图，描述了所有任务到2028财年末的研制计划。其中空间段包括GPSI11卫星和GPSIIIF卫星的部署工作，地面控制段包括下一代运行控制系统(OCX)的升级工作，用户段包括围绕M码用户设备研制、部署和试验所进行的下一代专用集成电路(ASIC)M码卡、M码接收机研制以及武器系统适配应用工作，最终将提升GPS系统的功能和整体性能，保障其实现3 可靠可信的PNT体系。4 .GPS现代化2023财年预算2023年3月，白宫公布了拜登政府2023财年预算提案,列出了为国家GPS计划的各个要素以及相关项目的预算申请。其中国防部预算申请共计18.4亿美元，具体如表1所示。表1国防部GPS现代化项目

4、预算类别项目预算请求采购GPSIIIF$6.57562亿采购GPSIII$1.0334亿采购空间载人轨道研究站$557.9万采购初始备件/维修零件$43.9万开发GPSIII$162.6万开发GPSIIIF$3.25927亿开发下一代操作控制系统（OCX）和GPS集成器$3.5972亿开发MGUE$3.82594亿）合计$18.4亿CR另外还包括交通部的预算申请9180万美元，用于在2023财年运营民用GPS增强系统（WAAS）。其中包括IOOo万美元的投资用于提高PNT的弹性和安全性。表2交通部GPS现代化项目预算项目预算请求GPS广域增强系统（WAAS）$91.8亿GPS备份/补充PNT技

5、术研究$5万/;；.瞬第13905号行政命令和GPS信号认证S500-IT1二、GPS现代化相关项目进展1空间段推进GPSI11和后续卫星的部署和替代工作1.GPSIII图3GPS川相关设备情况GPSI11卫星共计10颗，其将补充并最终取代目前的GPS卫星星座，维持能力并提供新的信号。较之前的卫星，GPSIII精度提升了3倍,抗干扰能力提升了8倍，并全面兼容M码,另外还增加了新的11C民用信号，与欧洲的伽利略全球导航卫星系统兼容，将提供更广泛的民用用户连接。截止到2023年5月，太空军已经接收了5颗GPSI11卫星的运行。GPSI11项目目前状态是已经完成了前五颗卫星的运行验收工作，且完成了S

6、VO6、SVO7、SV08号卫星的发射前准备工作，而SV09卫星正在进行系统级测试。后续将主要完成SV1O卫星的组件交付和安装工作。图4GPSIIIF空间段设备GPSIIIF旨在提供增强的区域军事保护信号以及对搜救服务的支持。美空军在完成关键设计评审的基础上，在开发或测试任何GPSII1F卫星之前，于2023年7月做出了GPSI11F里程碑C的决定。第一次发射预计在2026年，随后在接下来的十年中再发射21颗GPSII1F卫星。目前到2028年前，将完成1颗卫星的发射任务和另外3颗卫星的研制任务。GPSIHF项目目前状态是完成了综合基线审查(IBR)、实施设计评审(IDR),以及4颗卫星的采办

7、合同授予。后续将保障2026年前，SV11和SV12卫星具备发射能力。2 .地面控制段部署和升级下一代运行控制系统1下一代运行控制系统图5下一代运行控制系统下一代运行控制系统(OCX)将取代目前的地面控制系统，升级目前的GPS主控制站以及世界各地的监测站，包括OCXB1ock0OCXB1ock1OCXB1ock2oOCXBIOCkO将提供发射和检验系统，并支持GPS1I1卫星的初始测试，并提供现代网络安全能力。OCXB1ock1和OCXB1ock2将为前代卫星和GPSI11卫星提供指挥和控制，对当前和现代化信号进行监测和控制，以及具备全面M码广播能力。截止到2023年7月，下一代运行控制系统已

8、经完成所有17个监测站的部署，正在进行系统集成和验证工作，以具备2023年第四季度完成运营准备工作。下图描述了完整的监控站网络。图6下一代运行控制系统计划监控站网络2.0CX3F0CX3F由雷声公司负责开发,将升级OCX能力,以控制和使用GPSIIIF空间段和军用GPS用户设备增量2能力。OCX3F目前状态是计划修改OCXB1ock1和2软件基线自适应架构，以增强发射和控制GPSIHF卫星的能力，计划将于2027年第三季度运行验收。3 .用户段以军用GPS用户设备的研制和试验为核心1.军用GPS用户设备增量1专用集成电路芯片陆用板卡联合轻型战术车空、海用板卡Ce电科防务陆用板卡MGUE增量1卡

9、武器平台M码接收机h1dM-13哈里斯公司TBAE系统公司h11雷音科技基于分布式M码的增强防卫先进GPS接收m|o。IMI基于分布式M码的增强防卫先进GPS接收机空、海用板卡陆用板卡微型机载GPS接收机2000现代化版图7军用GPS用户设备增量1军用GPS用户设备（MGUE）增量1计划为作战人员提供具有GPS军用码（M码）功能的GPS接收机，配套GPS现代化的改进，可增强抗干扰和抗欺骗能力。其将开发两种类型的M码卡，一种用于地面平台，另一种用于空中和海上平台。13哈里斯公司获得了开发地面平台M码卡的合同，而BAE和雷声公司分别获得了开发地面平台M码卡和空中/海上平台M码卡的合同。M码卡需满足

10、相应军种的作战测试才能实现计划里程碑。军用GPS用户设备增量1目前仅仅完成了美海军陆战队联合轻型战术车辆（J1TV）现场用户评估（FUE）工作，远远落后于进度安排。后续的主要工作是GPS接收应用模块（标准/手持）技术需求认证以及主要平台研发试验/作战试验。3.军用GPS用户设备增量2精粉制导作图8军用GPS用户设备增量2美空军于2018年11月批准了军用GPS用户设备增量2的采购战略，主要是针对两个中间件快速原型的设计和应用。首先是开发适用于微型串行接口接收机板卡（MS1）的下一代专用集成电路，其次是开发手持式GPS接收器。军用GPS用户设备增量2后续将集中在微型串行接口接收机板卡的接收卡和手

11、持设备两个方面相继完成初步设计评审、关键设计评审、原型样机、合格测试和最终作战演示，预计最终于2026年第四季度达到初步作战能力。三、目前存在问题GPS现代化项目虽然取得众多成就，但是每个部分都面临着巨大的风险。当前状况是空间部分接近M码广播的全面运行能力，地面段预计将在2023年初获得全部M码能力，而用户段M码用户设备进度依然大幅度滞后。1空间段导航有效载荷方面的技术挑战延缓了卫星测试计戈IJGPSIIIF卫星开发导航有效载荷方面遇到了技术挑战，其在建立提供GPS信号的飞行任务数据单元的六个开发版本时遇到了技术挑战，为了解决该设备的技术问题，不得不重新设计一个关键子部件的集成电路。该项目因此

12、经历了约11个月的延迟，造成了卫星交付延迟的风险。目前太空军需要通过调整测试计划以缓解目前交付的第一颗GPSIIIF卫星可能出现的延误问题。2 .地面控制段面临进度延误和成本增长问题下一代运行控制系统目前经历着进度延误和成本增长的问题。自2023年1月以来，该计划将该系统的交付推迟了16个月，成本增长达3.79亿美元。其中主要原因如下：一是更换原始服务器硬件导致推迟了10个月；二是由于新冠肺炎大流行导致了2个月的延迟；三是软件开发工作以及世界各地监测站安装的升级等方案确定是导致了12个月的延迟。而后续软件测试和验收测试所受到的影响暂时难以评估。3 .用户段基于M码卡的研制和应用大大滞后用户段的

13、核心内容是M码卡的研制和应用，而问题也集中于此:一是MGUE设备使用的ASIC存在采购过早存在后期集成风险问题，并未考虑M码卡的实际需求以及其是否能准确反映所有系统的要求，并且其跨系统兼容性也有待检验；二是M码卡在相关平台无法正确解析M码的授时信号，存在一定技术缺陷，另外官方也增加了相应技术要求导致进度将大大延后；三是M码接收机的试验和应用相应推迟；四是PNT数据库中基于M码现代化的信息是不完整的、且质量和准确性也存在问题。四、解决方案（-）从总体上推进战略级一体化项目解决方案美太空军系统司令部考虑将GPS采购作为一个整体来考虑，而不是仅在空间段、地面控制段和用户段的单个采购计划层面解决风险。

14、这种战略级的风险方法确认需要跨项目进行协调，并将采取以下方法解决GPS战略面临的风险：1推进风险管理流程美太空军系统司令部制定了一项风险管理计划，定义了风险容忍度、风险流程和风险应对措施。根据风险管理计划，主要有两项措施应对风险。一是通过风险委员会和工作组的定期会议，讨论和审查风险，评估风险严重性，并做出决定，以应对风险；二是通过风险登记簿，以确定战略级风险并计划减轻影响，并针对风险制定缓解计划，以及确定负责采取相应步骤的具体实体。截至2023年1月，有13个风险被确定为战略级风险，其余风险被归类为计划级风险。战略级风险有一个与M码的可用性有关。2.健全评估标准化指标应对进度风险美太空系统司令

15、部对照国防部采购项目的标准指标来衡量GPS战略的进展情况，一是通过比对批复的成本、进度和性能参数，满足用户期望和最终能力目标；二是通过简化的GPS战略路线图识别进度风险。3促进GPS采购项目之间协调的组织结构美太空系统司令部建立了旨在促进方案间沟通和GPS业界内部合作的结构。一是通过设立定位导航授时任务集成委员会，促进基于GPS采购计划的GPS战略集成问题沟通；二是制定GPS战略的优先事项清单，为即将到来的任务节点做规划工作。三是特许了一些特定于GPS的定位导航授时战略能力集成产品团队，以进行跨方案规划和合作，以交付特定的GPS能力。4.解决GPS现代化数据库中的信息监督美国防部首席信息官开发并监管了该数据库，以帮助国防部对各军种的PNT进行现代化改造的进展进行监控。目前已经采取了积极的措施来提高数据质量。最近对数据库进行的更改包括：一是增加了一个用来指定优先武器系统的区域；二是完善审查数据的完整性；三是强制更新数据库中的数据字段以更新数据的可用性。随着军用GPS用户设备增量1计划的完善，数据库信息将更稳定和完整。（二）积极解决M码卡研制和交付进度大大滞后的问题1从M码卡的两头解