关于美国导航卫星发展历程及趋势的研究-轻识

引文格式：杨子辉，薛彬. 美国导航卫星的发展历程及其发展趋势[J]. 导航定位学报, 2021, 9(5): 1-12.（YANG Zihui, XUE Bin. The developedprocedures and developing trends of the United States’navigation satellites[J]. Journal ofNavigation and Positioning, 2021, 9(5): 1-12.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20210501.

美国导航卫星的发展历程及其发展趋势

杨子辉，薛彬

（天津大学海洋科学与技术学院，

天津 300072）

摘要

以美国发布的最新材料为依据，重新梳理了美国导航卫星的发展历程及其发展趋势，包括子午仪卫星导航系统的发展历程，美国空军的621B项目、美国海军的蒂马申（TIMATION）卫星导航系统及美国陆军的赛科尔（SECOR）系统的相关情况，在此基础上，论述了美国全球定位系统（GPS）的发展历程，最后介绍GPS空间部分、控制部分及用户端的现代化计划。

关键词：子午仪卫星导航系统；621B项目；蒂马申卫星导航系统；赛科尔系统；全球定位系统；现代化计划

引言

随着第二次世界大战的结束，美国与苏联两国就开始了包括太空争霸在内的各种竞赛。1957年10月4日，苏联使用洲际弹道导弹R-7发射了世界上第一颗进入地球轨道的人造卫星斯普特尼克一号（Sputnik-1）。苏联人造卫星的成功发射，给美国带来了巨大的震撼，因为美国认为，领空是国土的自然延伸，必须要保护好美国领空的安全；美国甚至认为，苏联有能力用洲际弹道导弹R-7将核弹头送入美国领空，而美国却无力侦测到苏联军事活动的相关信息[1]。

为了追赶上苏联的人造卫星技术，美国陆军和海军同时开展了人造卫星项目的研究，1957年11月6日，美国海军研究实验室（United States naval research laboratory, NRL）发射了尖兵试验飞行器三号（vanguard test vehicle 3, TV3），但TV3的发射以失败告终；1958年1月31日，美国陆军成功发射了探索者一号（Explorer 1）卫星[2]。

1958年，美国约翰斯·霍普金斯大学（Johns HopkinsUniversity）应用物理实验室（appliedphysics laboratory, APL）的两位杰出科学家威廉·H.吉耶（William H. Guier）和乔治·C.韦芬巴赫（George C. Weiffenbach）为了研究苏联人造卫星Sputnik的详细情况，他们在地面已知点上，用自行研制的测量设备捕获并跟踪到了Sputnik发射的无线电信号，测得了Sputnik无线电信号的多普勒（Doppler）频移，随后他们编写了一个计算机程序，利用该程序解算出了Sputnik的轨道参数，依据他们的实验成果，APL的另外一位科学家弗兰克·T.麦克卢尔（Frank T. McClure）博士，设想出了一个“反向观测方案”，即如果已知卫星的轨道参数，地面上的观察者通过测量该颗卫星的Doppler频移，则可以计算出观测者的点位坐标[3-4]，由此诞生了子午仪导航原理。与传统的导航方式相比，基于人造卫星的子午仪导航方式，可以提供全天候、全覆盖、全天时的导航服务，开启了人类基于人造卫星导航定位的新时代。

1
美国子午仪卫星导航系统

苏联成功地发射了Sputnik人造卫星，对美国科技上的冲击与第二次世界大战中的“珍珠港事件”一样，为了赶上并超越苏联在航空航天领域里的成就，美国政府决定加快军事弹道导弹计划、全面更新航空航天计划，组建美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）[5]。
1957年，美国海军特别项目办公室要求APL协助美国海军开发北极星舰队弹道导弹（Polaris Fleet Ballistic Missile,FBM）战略武器系统。McClure博士向FBM项目负责人理查德·B.克什纳（Richard B.Kershner）博士汇报了他在跟踪苏联人造卫星时取得的研究成果，并一起探讨了采用卫星导航的可行性。1958年12月，美国海军决定提供资金，用以支持Kershner博士的星基导航计划。Kershner博士立即在APL内组建了一个科学家团队，用来发展美国海军卫星导航系统（U.S.navy navigation satellite system, NNSS）[3,6]。由于NNSS的导航卫星沿地球子午圈的轨道运行，因此，NNSS又称为子午仪卫星导航系统（Transitnavigation satellite system, Transit）[4]。

从1959年9月17日开始发射Transit-1A卫星开始，到1988年6月16日发射Transit-Nova-2卫星为止，美国共研制了33颗Transit导航卫星，发射了26颗，其具体情况如表1所示。

图1为20世纪60年代初进行Transit系统原理设计时设计的星座[6]，图2为建成后的Transit系统星座。虽然当初设计Transit系统星座时，只要用3颗卫星即可为用户提供服务（如图1所示），为了保证Transit系统服务的可靠性，实际则建成了6颗导航卫星的Transit系统星座，在这6颗导航卫星中，3颗卫星为工作卫星，3颗为备份卫星[8]。

1963年12月5日成功发射Transit-5BN-2卫星后，Transit系统正式成为世界上第一个为用户提供定位服务的星基导航系统，到1964年11月，美国海军开始使用Transit系统为潜舰提供导航定位服务[8]。Transit系统在为全球用户提供了32年的导航定位服务后，于1996年12月31日停止发射导航定位信号。Transit系统在轨的可用卫星继续为美国海军电离层监测系统（navy ionospheric monitoring system,NIMS）提供服务[9]。

2
GPS发明之前的技术探索

虽然Transit系统能够为地面用户提供定位服务，但Transit系统仍然存在明显的缺陷：

Transit接收机的观测值是接收机中产生的标准频率与从Transit卫星信号产生的多普勒频移进行比较，通常至少需要两个观测值才能够确定Transit接收机的位置。Transit只有6颗卫星，为了得到这两个观测值，用户有时候不得不等待90 min，这对于潜舰、导弹等军用用户，已经失去了使用价值；
Transit卫星的轨道距地面仅1100 km，由于低轨卫星特别容易受到大气阻力和地球重力变化的影响，这使得精确确定Transit卫星的轨道参数变得特别困难，严重地影响了用户的定位精度[10]。为了克服Transit系统存在的缺陷，需要积极探索建立新的卫星导航系统。

美国空军的621B项目[11]

1962年，美国航空航天公司总裁伊万·格廷（Ivan Getting）博士意识到，星基导航系统将会在国防及民用领域发挥巨大作用，为此他设想了一种比Transit系统更为精密的定位系统，该系统可以用户提供全天时、连续的3维（3D）定位服务。Getting博士将他的定位方案直接呈递给美国国防部（U.S. Departmentof Defense, DoD），而且他一直为该定位方案奔走呼吁，Getting博士的卫星导航定位方案最终获得了美国空军的经费支持，并将该项目命名为621B项目。

从1962年开始，在美国空军的资助下，美国航空航天公司的研究人员对该种新型导航卫星系统所涉及的各个方面进行了仔细研究；从1964—1966年，航空专家詹姆斯·伍德福德（James Woodford）和中村秀吉（Hideyoshi Nakamura）的贡献尤为突出。1966年8月，美国国防部将伍德福德和中村秀吉的研究项目列为秘密，直到13年后的1979年，美国国防部才对他们的研究成果进行解密。621B项目的研究成果为美国全球定位系统（global positioningsystem, GPS）的成功做出了巨大贡献，主要包括：

详细研究了被动式测距即单程测距原理；
研究了星载原子钟并制定了星载原子钟的验证方法与手段；
研究了采用4颗导航卫星就可以实现用户端只需要石英钟即可以完成精密定位的原理；
研究了码分多址（code division multipleaccess, CDMA）的导航信号体制。

美国海军蒂马申（TIMATION）卫星导航系统[11-12]

1964年，在美国海军研究实验室（United States navalresearch laboratory, NRL）科学家老罗杰·L.伊斯顿（Roger L.Easton，Sr.）的领导下，美国海军发起了第二个卫星导航项目蒂马申（TIMATION）卫星导航系统，TIMATION是指时间（TIMe）和导航（navigATION）。TIMATION项目的主要目的是探索星基被动式测距技术、世界各国授时中心之间的时间传递方法，以期能够在世界范围内为用户提供全天候、全天时的高精度实时定位服务。美国海军的TIMATION项目与美国空军的621B项目同时进行，二者形成了竞争关系。

1967年5月31日，NRL发射了TIMATION-1实验卫星；1969年9月30日，NRL发射了TIMATION-2实验卫星。TIMATION项目的研究成果，也为GPS的成功做出了巨大贡献，主要贡献包括：

仔细研究了接收机定位精度与导航卫星间构成的几何精度衰减因子（geometric dilution of precision, GDOP）之间的关系，其结果表明，GDOP可以用来识别所用导航星座的卫星并消除其他卫星的干扰信号；
当导航卫星的运动周期为8或12 h，卫星轨道的倾斜为53°，导航卫星分布在3个卫星轨道面、每个卫星轨道上有9颗导航卫星时，在世界上任意位置，如果卫星的高度截止角为5°，按照这样星座布置的卫星，则可以为全世界任何地方，提供全天候、全天时不间断的导航定位服务，因此，TIMATION项目建议将“3×9”这样的星座结构作为美国卫星导航系统的星座。

美国陆军的赛科尔（SECOR）系统[13-14]

美国陆军为统一美国陆地、岛屿上大地控制点的坐标，提高地形图的精度，与美国海军联合开发了赛科尔（SECOR）系统。SECOR系统是一种全天候、可移动的大地测量定位系统，采用渐进式测距（sequentialcollation of range）原理来确定未知点的坐标。SECOR系统由4台接收机、1颗或者多颗定位卫星组成，将3台接收机安置在已知点上，1台接收机安置在未知点上，4台接收机同时接收SECOR卫星发射的测量信号，首先通过相位比较方法，来确定接收机与SECOR卫星间的斜距并将其记录在磁带上；然后使用3个已知站与卫星之间的距离来计算SECOR卫星的位置，这种方法不需要已知卫星的轨道参数；最后利用未知点与SECOR卫星间的斜距及SECOR卫星的位置，计算出未知点的坐标值。

若4台接收机能够同时观测到同一颗SECOR卫星，则可以同时多次完成接收机与SECOR卫星之间的距离测量，获得大量的观测数据，这样可以提高未知点坐标的测量精度。例如，当SECOR卫星的共视时间为10~12 min时，用4台接收机可以获得约为48000组距离测量值。为了提高测量结果的可靠性，一般情况下要求获取2颗以上SECOR卫星的共视观测数据，或者获取同一颗SECOR卫星通过测量现场2次以上的观测数据。SECOR系统的地面距离测量范围为160~4800 km，未知点的位置精度为3~10 m。

从1961年2月21日至1970年4月8日，美国陆军共发射了23颗具有SECOR载荷的卫星，其中有些SECOR载荷是安装其他卫星上，例如1961年2月21日发射失败的SECOR载荷，就是安装在美国海军的Transit卫星上的；有些SECOR载荷是作为单独卫星发射的。

3
GPS计划的开启与系统建设

到1972年，美国海军的Transit项目、TIMATION项目以及美国空军的621B项目已经实施了好几年，取得了许多应用成果，但在实施过程中也存在许多问题，因此他们也一直在研究改善星基无线电导航卫星的可能性。早在1969—1970年间，美国航空航天公司总裁Getting博士就向美国总统理查德·尼克松（RichardNixon）的科学顾问李·杜布里奇（LeeDuBridge）建议，鉴于星基导航潜在用户太多，应该成立总统特别委员会，以指导美国的卫星导航工作。经过数个星期的缜密思考后，DuBridge顾问认为要实现Getting博士的建议太困难了，因为Getting博士的建议涉及“四多”，即“涉及的人多，涉及的政府机构多，涉及的政治操作多，涉及的公司及机构多”。DuBridge顾问希望美国空军一如既往地推进自己的星基导航项目[15]。

1973年11月17日，DOD决定将美国海军的Transit项目、TIMATION项目，美国空军的621B项目以及美国陆军的SECOR项目合并，成立纳芙斯塔尔（NAVSTAR）GPS联合项目办公室（JointProgram Office, JPO），并任命美国空军上校布拉德福德·W.帕金森（Bradford W. Parkinson）博士为JPO的首任主任。一段时间以来，人们认为NAVSTAR是授时和测距导航信号（navigation signal timing and ranging）或者是授时和测距导航卫星（navigation satellite timing and ranging）的缩写词，其实这是一种误读，Parkinson博士说，在JPO内，从来没有没有人认为NAVSTAR是前述缩写词，NAVSTAR只是负责（GPS）计划预算的关键决策者约翰·沃尔什（John Walsh）给全球定位系统GPS起的一个好听的名字而已[15]，NAVSTAR-GPS后来简称为GPS，由美国空军作为GPS项目的负责单位。

GPS由以下三部分组成：

1）空间部分[16]。由一组向用户发送无线电信号的卫星组成，为保证在95％的时间内，能为GPS用户提供可靠的服务，美国承诺要一直保持至少24颗GPS卫星处于为用户提供服务的状态。为了兑现这一承诺，最近十多年，美国空军一直在太空布设了31颗GPS在轨卫星。GPS卫星运行在位于距地表20200 km的中圆地球轨道（mediumEarth orbit, MEO）上，运行周期为12 h。GPS星座中的24颗卫星均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角为55°，在每个轨道面上等间隔布置有4颗GPS卫星，GPS星座的这种布局方式，可确保用户可以从地球上的任何位置，能够观测到至少4颗卫星。GPS的星座如图3所示。

1974年6月，JPO将罗克韦尔国际公司（Rockwell International）作为GPS卫星的建造商。从1978年2月22日发射GPS星座的第一颗组网卫星NAVSTAR1开始，到1993年5月12日成功发射第24颗组网卫星 GPS-2A-11，美国共发射了31颗NAVSTAR卫星、15颗GPS卫星[18]。

特别需要提及的是，美国空军为了验证星载原子钟的性能，于1974年7月13日发射了搭载了两台铷原子钟的TIMATION-III卫星，TIMATION-III卫星亦称为第一代导航技术卫星（navigation technologysatellite, NTS-1）。

2）控制部分[18-19]。GPS控制部分由美国在全球设置的地面设施组成，这些地面设施可以完成对GPS卫星的跟踪监测，向GPS卫星传输各种指令和数据。目前控制设施包括：①主控站及备用主控站；②11个指令传输及地面天线站；③16个监测站。控制部分的监控设备分布如图4所示。图4中：AFSCN（airforce satellite control network）为美国空军卫星控制网；NGA（NationalGeospatial-Intelligence Agency）为美国国家地理空间情报局。

3）用户段。与互联网一样，GPS是全球信息基础架构的重要组成部分。因为GPS具有自由、开放、免费和可靠的特性，人们基于GPS开发了各式各样的应用程序，GPS已经深深嵌入到军事武器、国民经济及人们生活中。

GPS可以提高包括农业、建筑、采矿、测量、包裹运送和物流供应链管理等涉及整个经济领域的生产力效率；在电信网络、银行系统、金融市场和电网等严重依赖精确时间同步的领域，GPS可以为其提供准确的时间基准，完成时间同步。如果没有GPS的协助，远程建筑施工、自动驾驶等服务将无法正常运行。GPS在应急救援、地面交通安全管理、交通事故的预防、汽车自动驾驶，飞航安全等领域都有广泛的用途[20]。正如奥地利格拉茨大学伯恩哈德·霍夫曼-韦伦霍夫（Bernhard Hofmann-Wellenhof）教授1991年指出的那样，“GPS将来的应用，只受人们想象力的限制（The future uses of GPS are limited only by one’s imagination）”。

4
GPS带来的效益与风险

GPS带来的军事效益[21]

无论对士兵还是对武器设备携带的导航设备而言，都需要具有以下特点：

定位精度高；
环境适应能力强，可全天候使用；
操作简便；
重量轻，便于携带；
保密性好，不易被敌方发现。

在不同的国家，虽然军队的作用可能千差万别，但每个国家军队都必须满足这两个基本要求：和平时期的训练和战时的实际战斗。和平时期的训练包括战斗训练、救灾、维和及大型基地/设施的管理；当有战事时，军队就会上战场，参与战场上的所有战时活动。GPS可以为这些军事活动提供以下服务：

1）导航。当士兵身处陌生地方，特别是在黑夜及没有明显的地标供他们辨别方向时，他们就无法确定自己的位置，使其处于茫然无序的状态，这样不仅会贻误战机，甚至会将胜利送给敌方。例如在1990年，美国首次将GPS 应用到海湾战争中就取得了极好的军事效益。海湾战争是以美国为首的联盟军队，在1990年8月2日至1991年2月28日间，对入侵科威特境内的伊拉克军队和伊拉克境内的伊拉克军队发动军事进攻，在战争开始前，美国为联盟军配备了1000台GPS接收机，到这次军事行动快结束时，在联盟军中使用的GPS接收机达到了近9000台，在短短7个月的时间内，GPS接收机的使用量增加了8倍，美军第 7 骑兵师在GPS接收机的指引下，横穿了毫无地面标识物的沙漠，千里突袭，直捣巴格达，一举击溃了伊拉克的6个主力师。反观1999年印度和巴基斯坦在卡吉尔（Kargil）的冲突，由于刚刚开始时，印度巡逻队沿着崎岖的山路，误入了巴基斯坦军队控制区并造成了印军的严重伤亡，最后是在手持GPS接收机的帮助下，印军才脱离了险地。

2）跟踪。在某些军事应用场景中，需要连续跟踪一些可疑目标，当掌握了较为可靠的信息后，才能够宣布这些目标为敌对目标并用各种武器对其加以摧毁。在摧毁这些敌对目标前，需要依据这些跟踪数据生成作战数据，并将其输入到导弹和智能炸弹等现代武器系统中。例如美国陆军开发的GPS全真数据采集、存储及显示系统（GPS truth data acquisition, recording,and display system, TDARDS），就是一种紧凑、轻便、低成本、易于携带的GPS移动跟踪系统。TDARDS使用最新的GPS数据、无线电数据链路和计算机技术，为使用者提供10个跟踪目标精确的实时、时空位置信息（time-space position information, TSPI）。被跟踪的目标可以是地面车辆、空中直升机或者固定翼飞机。TDARDS具有高度模块化的结构，用现有的商用硬件构建，而且可以轻松地修改硬件结构，以满足对某些特殊目标的跟踪需求。

3）攻击性武器的制导。例如美国通常使用的巡航导弹，就是从很远的地方发射，去精确攻击预定的敌方目标。在巡航导弹的飞行过程中，会使用多通道GPS接收机实时确定巡航导弹的位置，并根据实际位置与预定位置的偏差对其飞行路径进行修正，以达到准确攻击敌方目标的目的。美国运载多管发射火箭系统（multiple launched rocket system, MLRS）的车辆，也是使用GPS及惯性组合定位的方式，来实现MLRS运载车的定位，这样可以在很短的时间内设定MLRS的打击参数，完成对敌对目标的攻击。美国陆军为了提高炸弹的命中精度，还基于差分GPS（differential GPS, DGPS），提出了制导能力增强（exploitation of DGPS forguidance enhancement, EDGE）计划。美国陆军已经将EDGE计划应用到了某种重型炸弹的制导上，取得了理想的效果：使用4个距落点 2000 km外的DGPS站对炸弹进行制导，在距落点20 km外发射这种型号的炸弹时，炸弹也能够精确地命中目标。

4）救援。救援和应急响应也是军队的一个重要职能，当发生紧急情况时，救援人员必须首先确定伤亡人员的位置，这样才能够缩短救援时间。例如，美国空军利用GPS技术，开发了战场幸存者定位器（combat survivor evader locator, CSEL）系统。CSEL系统将GPS接收器与无线电通信集成在一起，搜索和救援团队可以比以前更快、更准确地找到遇难人员。

5）地图更新。即使在信息化高度发达的今天，美国国防部仍然需要根据作战任务的需要，绘制不同比例尺的军事地图，为了保证这些军事地图的精确性及现势性，必须采取遥感和地理信息系统（geographic information system, GIS）技术来绘制可用的地形图，这样就需要首先利用安置在遥感卫星上的GPS接收机，确定遥感卫星的位置后，才能够获取地面目标的空间位置。

GPS在军队的成功应用，同样的技术也可以民用，例如利用DGPS、实时动态差分定位（real-timekinematic positioning, RTK）等技术，可以引导飞机进场着陆、汽车的自动驾驶、精细农业等，GPS的时间传递技术，可以解决电力系统及金融服务等的时间统一同步问题。

GPS带来的经济效益[22-23]

2019年6月，美国美国国家标准与技术研究院（National Instituteof Standards and Technology, NIST）发布了《全球定位系统的经济效益（Economic benefits of the global positioning system （GPS））》。据NIST估计，仅在美国，自1980年代GPS开始民用和商用以来，GPS产生了约1.4万亿美元的经济效益，特别是近十年来，GPS创造的经济效益更是特别显著，占到了美国国内生产总值（gross domestic product, GDP）的0.4%，成为美国的重要高科技产业。

GPS带来的风险

从战时的武器制导、驾驶员的行车导航，再到跨国公司协调复杂的物流网络，每天都有数以亿计的用户依靠GPS进行导航和定位。GPS的精确定时功能，也为金融、电力和电信等行业提供了时间同步的基准。甚至“GPS”一词，也偏离“全球定位系统”的本意，成了表示“某人在特定时间点出现在特定位置”这样的流行语[22]。用户过度依赖GPS，必然会给GPS用户带来潜在风险。

早在2012年，美国国土安全部（U.S. Department of Homeland Security, DHS）就向美国国会提交了《国家风险评估：全球定位系统中断给美国关键基础设施带来的风险（National Risk Estimate:risks toU.S.Critical infrastructure from global positioning system disruptions）》[24]，该报告列举了GPS服务中断或者GPS信号受到干扰后，对美国通信及运输等16个关键基础设施行业带来的影响，GPS作为“一种看不见的工具”，其结果是，各个关键基础设施领域的管理者，“大大低估了”本行业主要用户对GPS的依赖程度。因此，DHS要求各行业需对本行业提出GPS风险评估报告，制定相应的应对措施，以减轻GPS潜在危险对本行业可能造成的影响。

5
GPS的现代化

星载计时器的现代化

文献[25]论述了GPS的定位原理，如图5所示。GPS卫星与用户接收机之间的测距公式[25]为

式中：c为信号传播速度即光速，其值为3×108 m/s；T2和T1分别为导航信号被接收的时刻和导航信号播发的时刻。

微分式（2）并按照方差协方差传播定律，在假定导航信号接收时刻和导航信号播发时刻的测时精度相等的情况下，可得导航卫星到用户接收机距离的精度为

1976年6月18日，NASA在其发射的重力探测（gravity probe, GP-A）卫星上，首次搭载了氢原子钟[29]，但美国一直没有在GPS导航卫星使用氢原子钟，欧洲航天局（EuropeanSpace Agency, ESA）在2011年10月21日发射的伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）导航卫星IOV-1上，率先使用了氢原子钟[30]，氢原子钟的相对精度能够到达。

空间部分的现代化

文献[31]给出了美国已经发射及即将发射的GPS导航卫星型号，如图6所示。

有关GPS II型卫星，国内已有文献对其性能进行过详细介绍，这里不再重复。GPS III型卫星，是美国研发的新型GPS导航卫星，在2018年12月23日、美国东部时间上午8时51分，美国空间探索技术公司（Space ExplorationTechnologies Corp.，SpaceX）用“猎鹰9 号（Falcon 9）”运载火箭，将首颗GPS III卫星从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空，GPS III卫星具有以下特点[31-32]：

具有4个民用信号。除发送GPS Block IIF卫星所有导航信号外，增加了第4个民用信号L1C，GPS Block IIF具有GPS L1频率上的C/A码信号、L1/L2频率上的P(Y)码信号、L1频率上的民用信号L2C、L1/L2频率上的军用M码、L5频率上的民用信号。
进一步增强导航信号可靠性、准确性和完整性，定位精度是GPS II卫星的3倍。
进一步提高了抗干扰能力，抗干扰能力是GPS II卫星的8倍。
卫星在轨寿命延长至15年。

美国计划发射10颗GPS III卫星，编号为SV01至SV10，从SV11号开始，GPSIII卫星升级为GPS IIIF卫星，美国计划在2026—2034年间，共发射22颗GPSIIIF卫星，GPS IIIF卫星除具有GPS III卫星的功能外，还会增加以下功能：

建立统一的S波段遥测、跟踪及指令体制；
搭载有效搜救载荷；
搭载激光后向反射器阵列，用于精确测定卫星的轨道；
搭载重新设计的核爆探测系统（nucleardetonation detection system, NDS）；
提高区域军事保护（regional militaryprotection, RMP）能力，即导航卫星在飞越预期会受影响的区域（areaof intended effect, AOIE）时，导航卫星能够产生比覆盖其他区域高得多的军用导航信号，图7为提高RMP能力示意图[33]。

时任美国空军部长的希瑟·威尔逊（Heather Wilson）在2018年夏天指出，为美国导弹提供定位、导航、授时（positioning, navigation and time, PNT）的GPS，犹如是在锤子发明之前建造的一个共全世界使用的玻璃屋，在紧急情况下，GPS可能会受到敌方的干扰，而使军队的作战系统陷入瘫痪[34]。

为了确保美国卫星导航技术处于领先地位，而且在战时不受对方的干扰，美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory, AFRL）开始研发导航技术卫星3号（navigationtechnology satellite 3, NTS-3），NTS-3预计在2022年底之前发射入轨[35]。

在NTS-3上，美国将采用很多新技术，包括：

搭载在轨可重编程的PNT载荷；
搭载能够覆盖全球和区域范围的电子扫描天线阵列；
进一步提高导航信号安全性和抗干扰的能力；
搭载具有多种授时来源的守时系统，这样可以提高守时系统的稳定性、提高异常状况的检测能力和减小授时误差[36]。

2030年以后，美国将发射第四代GPS卫星GEN IV，目前还没有资料公布GEN IV卫星的性能。

控制部分的现代化

GPS最初的控制部分（亦称为地面系统）仅能够完成GPS星座的维持、控制命令的发送及卫星导航信号的监视等任务，在运行了22年后，2007年9月13日，美国空军航天司令部用体系结构演化计划（architecture evolution plan，AEP）系统，首次向GPS卫星注入了导航及授时数据[37]，AEP系统的特点为：

采用分布式架构；
增强了信号的强度及监视信号的覆盖范围；
增加了信号的安全性；
提高了信号的精度；
具有发现卫星轨道、异常处理及替换操作（launch, anomaly and disposal operations, LADO）的能力[38]。

到2018年11月16日，AEP已经更新至AEP 7.5版，AEP 7.5版以下的版本，是为GPS IIF以下卫星型号服务的，AEP 8.0则是用来控制GPS III卫星的[39]。在更新AEP系统的同时，美国在2005年2月18日宣布，要开发GPS下一代运行控制系统（next generationoperational control system，OCX），OCX能够完成以下工作[40]：

控制所有现代化的民用信号（L1C、L2C和L5），控制现代化的军事信号（M码信号），发射和操作GPS III卫星，促进未来GPS架构的发展；
能够预防及检测到遭受敌方攻击的情况，在遭受到网络攻击时，能够隔离、遏制攻击信号，并使己方信号能够正常发射；
主控站和备用主控站与星座管理功能结合，通过命令与控制，任务计划，导航和数据分析与发布功能，为每一个移动端用户提供完善的服务；
对监测站和地面天线之间、支持控制系统与航天器之间的数据链路和信号实施远程监控；
开发GPS仿真装置，用于开发、维护和测试主控站（master control station, MCS）软件和远程地面设施；
开发标准太空教练机，为GPS操作员提供专用的培训系统服务。

OCX将其功能集成到“模块（Block）”中，并与GPS III及相应的军事装备的功能保持一致。Block分为3个阶段[41]：

OCXBlock 0。Block 0是发射和控制系统（launch and control system, LCS），用于控制、在轨检验早期发射的所有GPS III卫星，这些GPS III卫星为低轨（lowEarth orbit, LEO）卫星，OCX Block 0为OCXBlock 1的试验产品，其目的是为Block 1的硬件、软件和网络安全提供实验基础数据。

OCXBlock 1。Block 1可以控制GPS所有型号卫星的民用信号（L1 C/A）、军用信号L1 P（Y）及L2 P（Y）、GPS III卫星、现代化的民用信号（L2 C）、航空飞行安全信号（L5）、现代化的军事信号L1 M及L2 M、兼容其他全球卫星导航系统的L1 C信号。Block 1还完全符合信息保证/网络防御的要求。
OCXBlock 2。Block 2具有与Block 1相同的功能，但增加了与现代化信号广播和授时同步的功能。Block 2与Block 1将同时交付给用户。

用户端的现代化

用户端的现代化围绕以下几个方面进行：

进一步减小接收机的尺寸、减轻重量、降低能耗；
提高接收机的安全性；
提高接收机及天线的抗干扰能力；
能够更加快捷地分发加密密钥；
提高接收机的测量精度；
研发GPS接收机通用模块；
提高军用码的访问权限；
提高导航信号的可用性；
增加防篡改防欺骗能力；
增加在干扰环境情况下，获取正确导航信号的能力。

6
结束语

稳健的导航定位授时系统，已经成为一个国家的重要基础设施，作为世界上第一个建成全球卫星导航系统并一直处于技术领先的美国，有许多成功的经验值得我们学习和借鉴。

我国于2020年7月31日建成了北斗三号全球卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3），已经向全世界提供了卫星导航定位服务，成为我国走向世界的一张国家名片，需要借鉴国外的先进经验，持续增加BDS-3卫星上的有效新载荷，增强BDS-3卫星的抗干扰能力，以满足世界各国对卫星定位的新要求。

文章作者：杨子辉，薛彬文章来源：测绘学术资讯，原文标题《美国导航卫星的发展历程及趋势 |杨子辉,薛彬》

更多行业动态资讯