2022年5月9日，美国政府问责局（GAO）发布了《GPS现代化——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。
图1美国政府问责局（GAO）发布的GPS现代化报告
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
2022年4月，美太空军发布了最新的GPS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GPS III卫星和GPS IIIF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，保障其实现可靠可信的PNT体系。
图2 GPS战略路线图（2022年4月版）
3.GPS现代化2023财年预算
2022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现代化项目预算
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1000万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
二、GPS现代化相关项目进展
1.空间段推进GPS III和后续卫星的部署和替代工作
1.GPS III
图3 GPS III相关设备情况
GPS III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，GPS III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L1C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2021年5月，太空军已经接收了5颗GPS III卫星的运行。
GPS III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SV06、SV07、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SV10卫星的组件交付和安装工作。
2.GPS IIIF
图4 GPS IIIF空间段设备
GPS IIIF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GPS IIIF卫星之前，于2020年7月做出了GPS IIIF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GPS IIIF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。
GPS IIIF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OCX Block 0、OCX Block 1、OCX Block 2。OCX Block 0将提供发射和检验系统，并支持GPS III卫星的初始测试，并提供现代网络安全能力。OCX Block 1和OCX Block 2将为前代卫星和GPS III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2021年7月，“下一代运行控制系统”已经完成所有17个监测站的部署，正在进行系统集成和验证工作，以具备2022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.OCX 3F
OCX 3F由雷声公司负责开发，将升级OCX能力，以控制和使用GPS IIIF空间段和军用GPS用户设备增量2能力。
OCX 3F目前状态是计划修改OCX Block 1和2软件基线自适应架构，以增强发射和控制GPS IIIF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
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。L3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（JLTV）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。
2.军用GPS用户设备增量2
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（MSI）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划
GPS IIIF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GPS IIIF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2020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
1.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。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2022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。
2.积极解决M码卡研制和交付进度大大滞后的问题
1.从M码卡的两头解决下一代专用集成电路采购批量采购和优先武器系统配属筹备问题
M码卡的研制需要大量的下一代专用集成电路芯片进行支持，而其试验和部署则需要优先武器系统进行部署和验证，因此将从M码的上游和下游提早进行相关工作的筹备。从下一代专用集成电路的采购看，美国防部正计划通过国防后勤局批量采购采购近100万个下一代专用集成电路，美陆军则单独采购了大约20万个下一代专用集成电路，以满足M码集成的需要，其将满足跨系统兼容，为M码卡交付和应用提供基础；从优先武器系统的选型和筹备看，从具体机密作战方案的需要以及所涉武器系统的预期寿命出发，美国防部已经确定了50个M码现代化的优先武器系统，主要是弹药和航空系统，为未来的挑战做好准备。
2.采取替代系统先期实施M码能力
美陆军针对M码交付能力大大滞后的问题，正在为地面车辆、士兵和弹药开发一些不同的M码接收器。其采用多定位导航授时接收器，使用M码衍生卡，包括车辆可靠定位导航授时系统（MAPS）、单兵定位导航授时系统（DAPS）。另外，美陆军预计将在2022年财政年度结束时完成M码装备的精确制导弹药的开发测试，其正计划使用各种衍生卡，为其他弹药和发射器提供M码能力。
3.平衡优先事项和各军兵种部署M码能力的矛盾
各军兵种通过制定在优先系统上安装和部署M码接收器的秘密计划，并在不同程度上朝着实现这些计划的方向迈进，具体有以下解决措施：一是同步进行M码卡的性能测试和武器适配性测试，以提高利用效率；二是基于脱节的部署计划提供专项资金以追赶进度；三是通盘考虑试装武器系统的具体调度需求；四是尽快部署完整一致的定位导航授时数据存储库用于后续各军兵种的作战试验。
五、未来发展研判
1.GPS现代化受制于M码能力部署的滞后
从目前GPS现代化的现状看，空间段除了少量技术问题需要进行攻克外基本完成了全能力部署，地面控制段也将于2023年中段实现初步能力部署，而用户段由于M码用户设备的交付延迟和定位导航授时数据库缺乏等原因远远落后于进度，其对美国防部制定相关决策造成了一定的影响。
M码用户设备交付延迟直接造成了后续试验的推迟，主要包含板卡级软硬件测试、技术需求验证、武器系统板卡研制试验、作战试验鉴定以及平台板卡适配性作战试验等，其中与武器系统的适配将是难点，且影响广泛，使得M码卡形成能力尚需时日。另外，为了配合其尽快形成能力，政府问责局建议M码设备确定可用后，军方应确定优选武器系统的作战测试计划。同时，美国防部和陆、海、空等军种应保持足额开支支持定位导航授时数据库完整性，以保障后续作战试验数据的保存和可追溯性，也可为其他军种和平台共享，以加快其作战试验和能力形成的过程。
2.实现以GPS为核心的导航战对抗体系尚需时日
导航战技术着重解决攻防两端对导航源的争夺问题，美军视导航战为电磁战和网络空间战等新兴作战样式的重要组成部分，GPS现代化战略对于美国实现导航战体系对抗的优势地位具备核心涵义。但目前M码能力交付大幅落后，则使美军军事作战平台的GPS军事应用的可信性和弹性能力不能达到预期，相关试验的滞后也使其真正应用大大滞后。
六、结束语
GPS现代化战略基于美国现有的GPS系统进行了功能、性能上的升级，并进行了军用M码能力的设计和改造，对美国发展其以GPS为核心的弹性可靠的定位导航授时体系具备积极意义，但受制于M码能力研制和部署的滞后，其形成能力尚需时日。当其形成完全能力时，将逐渐使导航战这一构想形成现实，为美军联合作战和全域作战的实施提供重要支撑保障。
编译：船の心
本文刊于《网络信息体系情报专刊》2022年第5期
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