中文 | English
2015国外卫星导航发展回顾之GPS
来源:《国际太空》 发布时间:2016-05-05

  2015年,美国继续保持GPS系统运行与服务的稳定,持续加快GPS系统星座的更新步伐,成功发射3颗GPS-2F卫星,计划于2016年初完成全部12颗GPS-2F卫星的部署,2017年前使M码军用信号、L2C和L5码民用信号投入使用;同时,美国空军(USAF)已经完成了GPS现代化计划的调整,该计划至少将持续至2033年。

  目前,GPS系统空间段采用的27轨位基线扩展星座,由分布在6个轨道面的27颗卫星组成,其轨道高度20200km,倾角55°。目前在轨工作卫星数量31颗,空间信号用户定位误差1.6m,授时精度20ns。

  截至2015年底,GPS系统已经发展了2代6个型号卫星,至2016年初,美国空军将完成第二代GPS卫星最后一个型号——GPS-2F卫星全部12颗卫星的发射,第三代GPS-3卫星的发射进入倒计时。

  目前,美国正在发展第三代GPS系统,至2015年底,洛马公司与其合作伙伴ITT公司完成了首颗GPS-3卫星核心模块的匹配和任务数据单元软件的审定,整星的热真空试验也已于2015年秋季启动,计划于2016年9月具备初始发射条件。然而,由于新一代“运行控制系统”(OCX)的拖延,GPS运行控制系统在2018年前才能具备支持GPS-3卫星运行的能力,也就是说:即使首颗GPS-3卫星能够在2016年或2017年发射,却不能投入正常运行。因此,GPS-3卫星与OCX的拖延已经对GPS系统持续、稳定的运行构成了潜在威胁。

  完成“体系结构演进计划”(AEP)后的GPS系统地面控制段由2部分组成,即AEP系统和“发射、入轨、异常情况处理与运行处置”(LADO)系统。在GPS系统运行控制段中,AEP和LADO具有不同的功能,执行不同的任务。

  AEP的组成与功能:1)完成最多31颗GPS工作卫星的指挥、控制等运行管理工作;2)1个主控站+1个备份主控站;3)4副专用地面上行天线+8副美国空军卫星控制网的上行天线;4)6个专用监测站+10个隶属于美国国家地理空间情报局的监测站。

  LADO的主要功能与任务:1)利用美国空军的卫星控制网进行除工作卫星外其他GPS系统在轨卫星的指挥与控制管理;2)在轨卫星异常情况处置;3)卫星发射与发射后卫星的管理;4)卫星寿命终结时的处置操作。

  由于OCX系统研发的拖延,至2015年底,GPS系统运行控制段尚不具备GPS-3卫星发射和运行管理能力。因此,在完成运行控制段OCX第1阶段(OCX Block0)的改进之前,美国空军不具有发射、管理GPS-3卫星的能力。

  2015年2月,美国空军向众议院国防委员会提交了题为《GPS系统星座更新、补充》的报告,从卫星与运载火箭采购、2014年与2015年计划的对比、在轨卫星状态、发射计划的确定等多个方面回答了国会国防委员会提出的质询,以消除其对保证GPS系统可用性与可持续性的疑虑。

  (1) GPS卫星与运载火箭的采购计划

  美国空军已经签署了8颗GPS-3卫星的采购合同,此外第9、10两颗卫星的采购方案已经获得了美国政府的批准,第11~32颗GPS-3卫星的采购活动计划于2016年初启动,首先开展设计成熟度审查与风险降低活动,研发合同的授出时间为2018年。依据已经签署的采购合同,第1~8颗GPS-3卫星将分别在2016-2020年间具备初始发射能力。

  对比2014、2015财年的采购计划,显然美国空军放慢了GPS-3卫星的采购步伐,2015-2018年间的卫星采购数量从2014财年的10颗减少至2015财年的8颗,显然这将对未来GPS系统星座的更新、补充构成影响,这也是引发美国国会、GPS应用团体广泛担忧的重要原因。

  与之相反,美国空军却对保证未来GPS系统的可用性与可持续性充满了信心。美国空军认为:根据GPS系统在轨卫星的健康状态、卫星在轨延寿技术的使用和新卫星的补充发射等,美国空军完全可以满足未来GPS系统可用性的要求。

  美国空军认为:首先,2014年11月19日,GPS系统星座中至少有30颗在轨卫星处于健康状态,且另有1颗刚刚发射的GPS-2F卫星完成检测后,即可投入运行,使健康卫星数量达到31颗;其次,2015-2016年,美国空军将完成剩余4颗GPS-2F卫星的发射,可替换星座中超期服役的GPS-2A卫星,继续改善GPS系统星座的状态;第三,通过改进电池充电方法,可使18颗在轨运行的GPS-2R和2RM卫星分别至少延长1~2年,进一步改善GPS系统空间星座的状态;最后,未来美国空军将利用GPS-3卫星替换星座中的GPS-2R和2RM卫星,从而解决GPS星座面临的中、长期风险。

  按照上述设想,GPS现代化计划将实施至2033年,即完成最后一颗GPS-3C卫星的发射,保证GPS系统安全、稳定的运行。

  (2) 卫星研发与发射进度拖延的风险

  美国空军认为,GPS系统卫星研发与发射进度拖延的风险主要包括:首颗GPS-3卫星(SV01)交付、GPS-3空间系统运行人员任务准备、OCX计划关于现有卫星和GPS-3卫星控制部分的实施等3个方面拖延,且他们已经采取了措施,以降低上述风险。首先,利用综合基线计划管理,并重新配置解决技术问题的相关资源,美国空军正在降低GPS-3卫星研发与交付的风险;其次,美国空军已经修订了任务准备活动计划,确认了空间运行人员完成发射与检查任务准备的时间;第三,美国空军已经完成了现有卫星与新一代卫星(GPS-3)运行与维持备选方案的工程研究。在OCX尚未完成准备的条件下,美国空军确定了整个计划进度的关键节点,并启动了备选计划,修改了现有体系,在OCX全面投入运行前为系统运行提供支持。

  按照GPS标准定位服务性能规划(2008年版)的规定,GPS系统星座保持至少24颗运行卫星可用的概率在95%以上。美国空军的评估表明:GPS系统不能满足上述承诺与规定的功能,可用性的风险是较低的。除上述风险外,GPS系统星座所面临的最大风险是所有天基系统都要面对的,包括:在轨卫星的灾难性失效、发射失败和地面系统的脆弱性。为降低上述风险,使其处于较低水平,“星座维持评估团队”(CSAT)程序用于按需要提出更新、补充建议。目前,美国空军可通过执行GPS-2R和2RM卫星改进电池充电控制程序、2016财年前完成剩余GPS-2F卫星的发射、提供向GPS-3过渡稳健的星座需求的专家评估等手段,保持GPS系统24颗卫星可用概率为95%以上,使GPS系统健康地走向未来。

  虽然,美国空军对保证GPS系统服务的可用性和发展的可维持性充满信心,但是美国国会还是对GPS-3卫星和OCX研发的拖延和由此造成的成本上升表现出了极大的担忧。2015年3月,美国政府问责办公室(GAO)发布的《国防采购:选定武器系统评估》报告指出:GPS-3卫星和OCX系统研发的拖延,使GPS系统现代化的投入不断增长,对GPS系统的维持与发展均构成了潜在威胁。

  《国防采购:选定武器系统评估》报告表示:与2013财年相比,因计划拖延,2014财年GPS-3卫星和OCX的研发投入分别从44亿美元和35亿美元增长至49亿美元和41亿美元,即在过去的一年中,GPS-3卫星与OCX的投入增长了11亿美元,必将对GPS系统的未来发展构成影响。

  由于GPS-3卫星有效载荷研发遇到了重大问题(主要包括设计更改和内部信号干扰),导致首颗GPS-3卫星的交付时间至少已经推迟了28个月。而且首颗GPS-3卫星测试过程中出现问题的全面改进,有可能产生新的拖延,从而进一步加大成本增长的风险。

  与GPS-3卫星的研发相比,OCX系统研发的拖延更为严重,其关键能力的交付时间已经推迟了4年。美国政府问责办公室的调研表明:造成OCX计划严重拖延的主要原因包括计划调整、远高于预期的软件缺陷水平和由此造成的重大返工与代码增长。美国政府问责办公室将产生上述问题的原因归结为对OCX技术复杂程度与工作量的认识不足或严重低估。(刘春保)

编辑:陈飚