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GPS III

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GPS Block III
GPS Block IIIA.jpg
GPS III 的艺术想象图
制造者洛克希德·马丁
国家美国
营运者美国空军
应用导航卫星
技术指标
卫星平台洛克希德 A2100英语A2100
设计寿命15 年
发射重量3,880千克(8,553磅)[1]
净重2,269千克(5,003磅)[1]
电力4480 W(任务结束时)[1]
电池镍氢气电池英语Nickel–hydrogen battery[1]
轨道MEO 太阳同步轨道
生产
状态建设中
已建造3[2]
已订购10[3]
已发射2
运行中1[4]
首次发射2018年12月23日[5]
最后发射2019年8月22日[6]
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GPS III(旧称“GPS IIIA”)是由洛克希德·马丁公司负责设计、制造的首批第三代全球定位系统(GPS)导航卫星,共由 10 颗卫星组成。第一颗 GPS III 卫星原定于 2014 年发射[7],但实际的发射时间因故推迟至了 2018 年 12 月 23 日[8],最后一颗 GPS III 卫星则计划于 2023 年的第二季度发射升空[9][10][11]

GPS III 是 GPS 现代化建设的一部分。相较于先前的 GPS 卫星系列,GPS III 上增设了 L1C 码作为第四民用测距码,其导航信号的设计精度提高了三倍,设计抗干扰能力提高了八倍,可靠性和完备性也均有所提升。[12]GPS III 卫星的设计使用寿命为 15 年,较先前最新的 GPS 卫星提升了约 25%。此外,GPS III 亦是世界上首批能与其他全球卫星导航系统的信号相兼容的导航卫星,其使用的L1C 码能与伽利略定位系统 的 L1 载波相兼容。[13]

概念提出

早在 1995 年 7 月 17 日,全球定位系统(GPS)就已达成了原有的设计目标,进入完全运行状态。[14]但在此之后,科学技术的进步与原有系统的缺陷,迫使 GPS 采取现代化的措施来进行改进。1998年,美国前副总统阿尔·戈尔与克林顿政府发表公告,宣布开始 GPS 的现代化进程。美国国会后在 2000 年批准了这一项目,并将其命名为 GPS III。该项目的具体内容包括:建立新的地面跟踪站、发射新的 GPS 导航卫星、增设新的 GPS 导航信号、提高 GPS 服务的准确性与可靠性等。

研制过程

GPS III 所搭载的卫星平台是由洛克希德·马丁公司制造的洛克希德 A2100英语Lockheed Martin A2100,使用的推进剂增压贮箱则由 Orbit ATK 公司以轻型的高强度复合材料制作而成。[15]此外,每颗 GPS III 卫星还装配有 8 条 JIB 可展天线,这些天线则由诺斯罗普·格鲁曼公司负责设计制作。[16]

洛克希德·马丁公司于 2008 年 5 月签订了首份与 GPS III 相关的增量合约,其内容包括前两颗 GPS 卫星(英语:Space Vehicles,缩写:SVs)的设计和制造,并留有最多十颗卫星的选择制造权。[17]与之相关的新一代 GPS 运行控制系统(英语:Operational Control System,缩写:OCX)的运营合约则由雷神公司在 2010 年 2 月签订。[18]

在 2014 年卫星发射延期以后[7],GPS III 卫星的发射任务在 2016 年 4 月 27 日交由 SpaceX 公司负责。此外,该公司还一并负责了 GPS III 卫星运载火箭的制造和任务整合等任务。这些内容包含在同一份固定价格合同之内,总价值 8270 万美元。这些任务的执行地点则包含美国佛罗里达州霍桑卡纳维拉尔角空军基地德克萨斯州的麦格雷戈三地。[19]2016 年 12 月,美国空军全球定位系统局主任宣布,首颗 GPS III 卫星将于 2018 年春发射升空。[20]但在 2017 年 3 月,美国审计总署表示,由于 GPS III 卫星与 OCX Block 0 的发射控制系统和检测系统出现技术问题,首颗 GPS III 卫星的发射有再次推迟的风险。[21]造成次延误的原因有许多,主要问题出现在卫星的导航载荷上。[8]此后,由于 SpaceX 公司需要对猎鹰九号火箭进行额外测试,卫星发射的时间又被进一步推迟。最终,首颗 GPS III 卫星于 2018 年 12 月 23 日成功发射。[22][23]第二颗 GPS III 卫星也于 2019 年 8 月 22 日搭载德尔塔-4 运载火箭顺利升空。[24]

2016 年 9 月 21 日,美国空军与洛克希德·马丁公司签署了关于制造第九和第十颗 GPS III 卫星的期权合约,价值 3.95 亿美元,两颗卫星预计将于 2022 年发射升空。[25]

在 2021 财年预算中,美国国防部美国太空军的两项 GPS III 的建设计划分配了 18 亿美元。[26]

未来的 GPS III 卫星上可能会增加一些新的功能,例如可用于搜寻任务和救援任务的灾难报警卫星系统(英语:Distress Alerting Satellite System,缩写:DASS),以及用于快速指挥和缩短数据龄期的星间通信链路等。[12]

技术状态

导航信号

民用 L2 码(L2C 码)

L2C 码是增设在 GPS IIR-M 及后续型号的 GPS 卫星上的第二民用测距码,“L2C ”由该码所搭载的 L2 载波(频率为 1227.6 MHz)的名称与代表民用码的字母“C”组成。在原计划中,L2C 码的增设任务与 OCX Block 1 控制系统的增设任务一同进行,在 OCX 投入运作之前,L2C 码将不传递任何导航电文,而只传递空信息。[27]然而,由于原定于 2016 年 2 月投入使用[28][29]的 OCX 被推迟至 2022 年以后完成布设,L2C 码的增设任务被迫与 OCX 分离。[30]

从 2014 年 5 月开始,所有具备播发 L2C 码 的能力的 GPS 卫星开始广播处于调试状态的民用导航电文(英语:Civil NAVigation,缩写:CNAV);同年 12 月起,美国空军开始以每日的频率将信息上载到 CNAV 上。[27][31]L2C 码进入完全运行状态需要有至少 24 颗能发射这一信号的在轨 GPS 卫星,预计在 2021 年能达成这一目标。截至 2020 年 6 月,已有 21 颗能够播发 L2C 码的 GPS 卫星投入使用。[12]

L2C 码搭载在频率为 1227.6 MHz 的 L2 载波之上,其与原有的频率为 1575.42 MHz 的 L1 载波能够组成无电离层组合观测值,从而消除电离层延迟误差对测量结果带来的影响,提升服务精度。而在使用原有的 C/A 码进行测量时,电离层延迟误差是当前最大的误差来源。除此之外,L2C 码还更具有更易于接收机进行跟踪的特点,当导航信号被干扰时还可作为备用信号使用。

L2C 码的技术特性由文件 IS-GPS-200 定义,其具体由两段独立的 PRN 序列组合而成:[32]

  • L2CM 码,长度为 10,230 bit,周期为 20 ms,载有码率为 25 bps 、可前向纠错的导航电文;
  • L2CL 码,长度为 767,250 bit,周期为 1500 ms,码上不载任何数据;

L2CM 码和 L2CL 码均以 511.5 kbps 的速率进行传输, L2C 码由两者经过交叉复用组合而成,组成的 L2C 码 的长度为 1,023,000 bit ,码率则变为原来的两倍(1.023 Mbps)。其中,长度中等的 L2CM 码更易于被接收机捕获和跟踪;而长度较长且无数据的 L2CL 码能提供较 C/A 码更长的积分时间。此外,相较于 C/A 码,L2C 码的相关性强度提升了约 24 dB(约合 250 倍),数据恢复能力提升了 2.7 dB,载波跟踪能力提升了 0.7 dB,但信号传输功率下降了约 2.3 dB。在使用单频信号时,L2C 码的电离层延迟误差较 C/A 码要大约 65%。

军用码(M 码)

M 码是在 GPS 现代化的过程中提出的新型军用导航信号,与先前的军用码 P 码和 Y 码相比较,M码具有更强的抗干扰能力和更安全的连接方式。在 M 码出现之前,P 码和 Y 码是以相同的信号结构调制在 L1 和 L2 载波上,但新加入的 M 码在两个载波上则的信号结构是不同的。新的 M 码信号在经过设计后,大部分的功率将分布于中心频率的两侧,与 P(Y)码和 C/A 码相分离。

与 P(Y)码不同的是, M 码是一种独立的导航信号:在使用 P(Y)码时,必须要先跟踪并锁定 C/A 码,再通过其中的导航电文中提供的信息来锁定 P(Y)码,而在使用 M 码时无需进行这一步骤。

M 码相较于先前的 GPS 信号还有一个独特之处:除了使用广角天线外,M 码还计划通过高增益定向天线进行广播。由定向天线播发的信号又被称为“点波束(英语:spot beam)”。这种信号可以瞄准一片直径约数百公里的特定区域,并将该区域内的信号强度提升约 20 dB(功率约为原来的 100 倍)。但两个天线的设计也会带来一些副作用:对于位于点波束目标内的接收机来说,由同一颗 GPS 上发射出的两个信号,将使这颗卫星看起来像是处在同一位置上的两颗卫星。

广角模式下的 M 码于 GPS IIR-M 卫星系列起开始投入使用,但用于点波束模式的发射天线仅在 GPS III 及其后续的卫星系列上部署。与其他原计划和 OCX Block 2 控制系统一齐投入使用的导航信号一样,M 码投入使用的日期由 2016 年 10 月推迟到 2022 年。[28][33][34][35]

除上述提到的点波束模式外,M 码还具有下列特点:

  • M 码是经二进制偏移载波调制英语Binary offset carrier modulation得到的导航信号;
  • M 码具有 24 MHz 的带宽;
  • M 码上传递的导航电文为军用导航电文(MNAV),导航电文不是按帧播发而是成包播发,数据的有效载荷可以更为灵活;
  • M 码可通过四个独立的数据通道播发,每个数据通道经由不同的天线、以不同的频率来播发数据;
  • 传送在 M 码上的数据具有前向纠错和错误探测的能力;
  • 经广角天线播发的 M 码在地球表面的信号强度为 -158 dBW,而经点波束天线播发的 M 码的信号强度能达到 -138 dBW。

民用 L5

L5 码被调制在 L5 载波(频率为 1176.45 MHz)上,是 GPS 的第三民用测距码,增设在 GPS IIF 及其后续型号的 GPS 卫星上。2009 年,L5 码首先在一颗广域增强系统(英语:Wide Area Augmentation System,缩写:WAAS)上进行了播发测试。随后在 2010 年 6 月 18 日,首颗具有完全 L5 码播发能力的 GPS IIF 卫星 SVN-62英语USA-213 升空,并开始持续使用 L5 码播发导航信号。[36]

受 GPS III 地面控制部分的布设计划推迟的影响,L5 码的增设任务亦被迫与 OCX 的布设任务分离。自 SVN-62 投入运行的所有 GPS 卫星均有使用 L5 码播发导航信号的能力,自 2014 年 4 月起,这些卫星开始以 L5 码播发民用导航电文。当在轨运行的GPS 卫星中,能够播发 L5 码的卫星数量达到 24 颗时,L5 码将被视作进入完全运行状态,预计这一目标将在 2024 年完成。[36]截至 2020 年 6 月,已有 14 颗能够播发 L5 码的 GPS 卫星投入使用。[12]

L5 码是为了满足在关乎“生命安全”等的苛刻环境下的使用要求而设计的导航信号,其由两个相互正交的分量(I5 码和 Q5 码)组成。类似于 L2C 码,中等长度的 I5 码易于被接收机捕获和跟踪,而码上不载导航电文的 Q5 码则允许用户对其进行长时间的积分,以便在恶劣环境下捕获卫星信号。L5 码的技术特性由文件 IS-GPS-705 定义,大致包含如下内容:[37]

  • L5 码的信号结构得到了改善,信号的性能有所提升;
  • L5 码的传输功率较 L2C 码提升了 3 dB,即大约为 L2C 码的两倍;
  • L5 码的带宽更宽,信号处理增益为 L2C 码和 C/A 码的 10 倍;
  • L5 码具有更长的扩频序列,比 C/A 码所使用的序列要长 10 倍;
  • L5 码搭载的 L5 载波位于航空无线电导航服务英语Aeronautical radionavigation service使用的空间信号频段内,该频段由 2000 年召开的世界无线电通信大会(WRC-200)划定,相较于其他信号,航空界能更好地控制对 L5 载波的干扰因素。

民用 L1 码(L1C 码)

L1C 码是增设在 GPS III 及其后续型号的 GPS 卫星上的第四民用测距码,用于取代同样调制在 L1 载波(频率为 1575.42 MHz)上的的 C/A 码。[38]预计 L1C 码会在 2022 年,OCX Block 1 控制系统开始运行后投入使用。[30][39]

L1C 码的技术特性由文件 IS-GPS-800 定义:[40]

  • L1C 码能同时实现 C/A 码的技术要求,以保证两者的兼容性;
  • L1C 码的最小功率较 C/A 码将提升 1.5 dB,以减轻背景噪声的影响;
  • L1C 码将在无数据的信号分量中加入导波,以提升接受机的跟踪效果;
  • L1C 码与伽利略定位系统的 L1 载波将具有更优的民用互操作性。

控制系统

GPS 的运行控制部分(英语:Operational Control Segment,缩写:OCS)由卫星控制中心、地面天线和监测站等部分组成,监控网络遍及全球。[41]作为 GPS 现代化进程中的关键部分,美国空军于 2010 年宣布开始新一代 GPS 运行控制系统(英语:Operational Control System,缩写:OCX)的建设计划,用于取代原有的 OCS。[42]但在 OCX 布设完毕并投入使用之前,OCS 将继续作为 GPS 的地面控制系统工作。

OCX 的建设被分为三个阶段,一个建设阶段被称为一“块(英语:block)”[43],每一块各自在先前的基础上添加了新的功能。

2016 年 6 月,美国空军正式通知美国国会,OCX 项目的预期成本已超过 42.5 亿美元,相较于先前预估的 34 亿美元的基准成本已超出了 25%,而超出预算的原因包括“项目启动时的系统工程建设不充分”“OCX 对网络安全提出的要求过于复杂”等等。[44]2016 年10 月,美国国防部这一该项目进行了认证,以保证该项目在严重违约之后仍能继续推进。[45]

OCX Block 0(发射与检测系统)

OCX Block 0 提供了 GPS III 卫星在发射和早期的在轨检测中所需要的基本功能。[20]该系统已于 2017 年 11 月交付于美国空军。2018 年 4 月 和 5 月,该系统分别通过了两次网络安全测试,测试期间没有发现新的漏洞。同年 6 月,美国空间对该系统进行了第三次 GPS III 综合发射演练。[46]

OCX Block 1(GPS III 民用功能)

OCX Block 1 为 OCX 提供了初始运行能力(英语:Initial Operating Capability,缩写:IOC),具体包括控制 GPS II 和 GPS III 卫星、民用 L1C 码的播发等内容。[20]美国政府问责署于 2016 年 11 月的报告,OCX Block 1 是 GPS III 项目延期的主要原因。[47]2018 年 9 月,OCX Block 1 完成了最后一次关键设计评审,其软件部分的开发也计划于 2019 年的第二季度完成。但 OCX Block 1 的软件部分在完成之后,还需接受为期 2.5 年的系统测试。[46]

OCX Block 2(GPS III 军用功能与民用信号监测功能)

OCX Block 2为用户提供了监测民用信号工作情况的能力,并为军事用户提供了更先进的 M 码作为新的导航信号。[43]2017 年 3 月,OCX 的承包商雷神公司决定调整 OCX 的交付时间,将 OCX Block 1 在 OCX Block 2 建设完成后一同交付与美国空军。[48]而在 2017年 7 月,雷神公司将 OCX 的交付时间再次延后至 2022 年 4 月。[49]

应急行动系统

GPS III 应急行动(英语:Contingency Operations,缩写:COps)系统是 GPS 运行控制部分的一次更新,更新后的 GPS 运行控制部分能使 GPS III 卫星获得与 GPS IIF 卫星相当的定位、导航与授时功能(英语:Position, Navigation and Timing,缩写:PNT)。[20]现有的 Cops 系统能使 GPS III 卫星在 OCX Block 1 投入使用之前,先以有限的方式参与运作。

美国空军于 2016 年 2 月将价值 9600 万美元的 COps 系统合约授予了洛克·马丁公司。[50]2019 年 6 月,洛克·马丁公司向美国空军交付了开发完成的 COps 系统。[51]

部署计划

系统部署计划

与 GPS III 相关的各系统功能的部署计划如下表所示:

日期 部署阶段 航天器 备注
指挥与控制系统 播发导航信号的卫星
OCS OCX
2018 年 12 月[46][52] OCX Block 0 Block II Block III

(仅发射与检测系统)[20]

Block II OCS 与 OCX 并行
2020 年 1月[46] COps Block II

和 Block III

2023 年 1 月[30][48][49] OCX Block 1 和 OCX Block 2 停用 Block II 和 Block III OCS 停用,开始播发 L1C 码导航信号,GPS III 进入完全运行状态

参见

参考文献

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