GPS III

GPS III（舊稱「GPS IIIA」）是由洛克希德·馬丁公司負責設計、製造的首批第三代全球定位系統（GPS）導航衛星，共由10顆衛星組成。第一顆GPS III衛星原定於2014年發射，但實際的發射時間因故推遲至了2018年12月23日，最後一顆GPS III衛星則計劃於2023年的第二季度發射升空。

GPS III是GPS現代化建設的一部分。相較於先前的GPS衛星系列，GPS III上增設了L1C碼作為第四民用測距碼，其導航信號的設計精度提高了三倍，設計抗干擾能力提高了八倍，可靠性和完備性也均有所提升。GPS III衛星的設計使用壽命為15年，較先前最新的GPS衛星提升了約25%。此外，GPS III使用的L1C導航信號還能與伽利略定位系統的E1信號及北斗衛星導航系統的B1C導航信號相兼容，這使得GPS III成為了首批能與其他全球衛星導航系統的信號相兼容的GPS導航衛星。

## 背景

包括GPS III在內，全球定位系統共有七批導航衛星。第一批導航衛星GPS I作為試驗衛星，在GPS系統建設的初期，以論證GPS建設方案的可行性，對GPS系統進行試驗、改進等為目的進行運作。第二批導航衛星GPS II則是首批投入實際運行的GPS工作衛星，其與後一批導航衛星GPS IIA組成了最初的GPS衛星星座。1995年7月17日，由GPS II與GPS IIA組成的GPS衛星星座具備了完全運行能力。此時的GPS導航衛星上僅設有L1和L2兩種載波，且僅有C/A碼一類民用測距碼。自1997年起，美國空軍陸續發射GPS IIR衛星以補充已有的GPS衛星星座，其功能於前兩批GPS導航衛星類似，但性能有所改善且成本更低。

在具備完全運行能力之後，隨著GPS在軍事、民用、商業和科學等領域的應用愈加廣泛，再加受到GLONASS等其他衛星導航系統的挑戰，解除GPS的民用限制、對GPS實施現代化的需求越發迫切。1996－2000年間，時任美國副總統阿爾·戈爾於發表多份公告，宣布開啟GPS現代化的進程，具體的內容包括增設新的頻段上和新的民用導航信號、改善信號結構、廢除選擇可用性（Selective Availability，縮寫：SA）政策、發射新型號的GPS衛星並建設新的地面測控系統等等，以獲得更高的定位精度與授時精度、提升GPS系統的完整性。現代化進程開啟之後的新一批導航衛星GPS IIR-M在2005－2009年間陸續升空，衛星上增設有第二民用測距碼L2C碼和軍用碼M碼。2010－2016年間，增設了L5載波和第三民用測距碼L5C碼的GPS IIF衛星亦陸續投入運行。

## 研發

### 太空部分

2000年，美國國會正式批准了GPS III項目，隨後美國空軍GPS 項目辦公室開始就該項目的需求和架構等方面開展設計，波音公司、洛克希德·馬丁公司和光譜航太公司則作為承包商參與到該研發項目的競標之中。當時的GPS III預計分為三個階段實現：8顆GPS IIIA衛星、8顆GPS IIIB衛星及16顆GPS IIIC衛星，共32顆衛星。2008年5月，洛克希德·馬丁公司擊敗了其他競爭對手，獲得了總價值高達35.68億美元的合約以製造GPS IIIA衛星。該合約共分為六期，每期合同包括2顆衛星的研製工作。其中，首期合同的價值約為14.64億美元，合同涉及的兩顆衛星預計於2014年開始發射。2012－2016年間，美國空軍與洛克希德·馬丁公司又陸續簽訂了剩餘的四期研製合約。2017年末，美國空軍將原GPS III的建設計劃調整為GPS III和GPS IIIF兩個階段，其中GPS III由先前合約中的10顆衛星組成，GPS IIIF由剩餘的22顆衛星組成。2018年9月，洛克希德·馬丁公司簽訂了GPS IIIF的研製合約，總價值約72億美元。

### 地面部分

新一代GPS運行控制系統（Operational Control System，縮寫：OCX）是與GPS III空間部分的建設並行的建設計劃，旨在取代原有的GPS運行控制段（Operational Control Segment，縮寫：OCS），為GPS的現代化功能，如L1C和M碼等新導航信號的使用提供支持。OCX由主控站、監測站、地面控制站、信號模擬器等部分組成，並分為OCX Block 0、OCX Block 1和OCX Block 2三個階段實現。2007年，諾斯羅普·格魯曼公司與雷神公司就OCX的運營合同展開競爭，最終雷神公司在2010年2月獲得了OCX Block 1與OCX Block 2的研發合同，總價值8.86億美元，而後OCX Block 0亦被添加到了該合同的修正案中。

最初，OCX Block 0與OCX Block 1分別預期在2014年和2016年交付使用，但在項目的研發過程中出現了嚴重的經費超支問題，使項目進度一再拖延。2016年6月，美國空軍正式告知美國國會，OCX項目的預期成本超過42.5億美元，相較於在2012年預估的34億美元超出了25%，原因包括「項目啟動時的系統工程建設不充分」「OCX對網路安全提出的要求過於複雜」等等。2016年10月，美國國防部這一該項目進行了重新認證，保證在其嚴重違約之後仍可繼續推進。

據美國政府問責署於2016年11月的報告，OCX Block 1是GPS III項目延期的主要原因。2017年3月，雷神公司決定調整OCX Block 1的交付時間，使其在OCX Block 2建設完成後一同交付。而在2017年7月，雷神公司將OCX的交付時間再次延後至2022年4月。

OCX Block 0已於2017年11月交與美國空軍，並在2018年4月和5月分別通過了兩次網路安全測試。同年6月，美國空間對該系統進行了第三次GPS III綜合發射演練。2018年9月，OCX Block 1完成了最後一次關鍵設計評審，其軟體部分的開發也計劃於2019年的第二季度完成。但OCX Block 1的軟體部分在完成之後，還需接受為期2.5年的系統測試。OCX Block 1和OCX Block 2預計於2021年交付，屆時可提供OCX的全部功能。

## 結構

GPS III衛星長97英寸，寬70英寸，高134英寸，分別約合2.5米、1.8米和3.4米，其搭載的衛星平台是由洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠生產線生產的洛克希德 A2100，平台為衛星提供通信、廣播等方面的服務，並裝配有姿態控制系統、供配電系統、熱控系統、測控系統、推進系統與機械系統。原Orbit ATK公司（現為諾斯羅普·格魯曼公司創新系統分部）為GPS III提供了推進劑和增壓貯箱。此外，每顆GPS III衛星還裝配有由諾斯羅普·格魯曼公司航宇系統分部製造的8條JIB可展天線，可用於組成射頻天線陣列。衛星的總體結構由導航有效載荷、網路通信元件、載荷承載元件、天線、衛星平台等多部分組成。

### 導航有效載荷

GPS III衛星的導航有效載荷（Navigation Payload Element，縮寫：NPE）包含有任務數據單元（Mission Data Unit，縮寫：MDU）、載波發射器、原子頻率基準（Atomic Frequency Standards，縮寫：AFSs）、信號組合器以及信號濾波器等部分。MDU整合了波形發生器的功能，另外還可傳送存儲在星上的衛星星曆、生成導航電文。三台銣原子鐘為衛星鐘和導航信號提供頻率基準。除此之外，星上還為一些新型的或實驗性質的頻率基準留有第四槽位，如氫-微波激射器（Microwave Amlification by Stimulated Emission of Radiation，縮寫：MASER）等。

### 網路通信元件和載荷承載元件

網路通信元件（Network Communications Element，縮寫：NCE）為導航衛星提供通信能力，其由應答器子系統、通信單元以及S波段通信盒構成。載荷承載元件（Hosted Payload Element，縮寫：HPE）則用於承載設備。

### 天線系統

GPS III衛星有三類天線：用於全球廣播的L波段天線面板、S波段的通信天線，以及特高頻通信天線。

### 衛星平台及其子系統

#### 姿態控制系統

姿態控制系統（Attitude Control System，縮寫：ACS）的主要功能是獲取衛星的姿態資訊，並維持衛星姿態，如L波段天線面板和太陽能電池陣列的指向，以及推進器的噴射方向等。ACS由一系列的傳感器和操作元件構成，具體包括太陽傳感器、地球傳感器、慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，縮寫：IMU）、反作用輪和磁扭杆等。其中，反作用輪用於精細的姿態控制，而磁扭杆則用於卸載動量。

#### 供配電系統和熱控系統

供配電系統（Electrical Power Sytem，縮寫：EPS）為衛星提供穩定的電力供應，其由太陽能電池陣列、鎳氫氣（NiH2）電池和功率調節單元組成。熱控系統（Thermal Control Sytem，縮寫：TCS）則負責將衛星中各部件的溫度維持在安全範圍之內，其由隔熱材料、反射材料、加熱器、散熱器、熱管和熱敏電阻組成。

#### 測控系統

測控系統全稱遙測、跟蹤與指揮（Telemetry Tracking and Command，縮寫：TT&C）系統，由星載的總線機、上行/下行鏈路組成。這些單元則用於與遠程接口、設備控制單元以及事件探測器等單位進行通信。

#### 推進系統和機械系統

推進系統用於改變衛星的位置與姿態，提供推進能力，機械系統則是衛星的基本構件。推進系統由液體遠地點發動機、5 lbf推進器和0.2 lbf推進器組成，遠地點發動機用於將衛星送入預定軌道，5 lbf推進器用於大幅的軌道調整，0.2 lbf推進器則用於調整衛星姿態以及保持運動狀態。機械系統具體包括衛星的基礎結構、鉸鏈以及可展元件。

## 發射

發射GPS III衛星需有OCX發射與控制系統（Launch and Control System，縮寫：LCS）的配合，該部分系統在OCX的部署計劃中分屬於OCX Block 0，負責衛星的發射、衛星進入早期軌道後的運作和衛星的在軌狀態檢測等內容。但由於OCX研發的進度緩慢，以及GPS III衛星在測試過程中發現的問題，原定於2014年發射的首顆GPS III衛星的發射時間被一再推遲。

自2012年起，由洛克希德·馬丁公司和波音公司合資組建的聯合發射聯盟與SpaceX公司開始就推遲後的GPS III衛星發射計劃展開競標。但由於當時SpaceX旗下的獵鷹九號運載火箭尚未通過經過美國演進型不可重複使用運載火箭（Evolved Expendable Launch Vehicle，縮寫：EELV）項目的驗證，美國空軍拒絕了SpaceX的此次投標。聯合發射同盟獲得了首顆GPS III衛星的發射合約，其使用的運載火箭為德爾塔-4運載火箭。

2015年5月，美國空軍宣布獵鷹九號火箭獲得了美國的國家安全太空發射認證，可參與入EELV項目中，打破了聯合發射聯盟對美國空軍機密荷載發射任務的壟斷地位。同年11月，聯合發射聯盟宣布拒絕與SpaceX繼續就GPS III衛星的發射展開競標，部分原因是為避免與SpaceX陷入對發射成本的惡性競爭之中。2016年4月，美國空軍授予了SpaceX價值約8270萬美元的發射合同，用以發射第二顆GPS III衛星，其報價相較於先前聯合發射聯盟的合約降低了40%。隨後在2017－2020年間，SpaceX又先後獲得了第三至第六顆GPS III衛星的發射合同。這些發射任務的執行地點包括美國佛羅里達州的霍桑、卡納維拉爾角空軍基地和德克薩斯州的麥格雷戈三地。

2016年12月，美國空軍全球定位系統局主任宣布，首顆GPS III衛星將於2018年春發射升空。2017年春，美國空軍將聯合發射聯盟與SpaceX持有的前兩顆GPS III衛星的發射合同互換，使SpaceX得以發射首顆GPS III衛星USA-289，但合同的價格保持不變。2017年3月，美國審計總署表示，由於GPS III衛星與OCX Block 0的LCS 系統以及衛星的導航載荷等出現技術問題，首顆GPS III衛星的發射有再次推遲的風險。此後，又由於SpaceX公司需要對獵鷹九號火箭進行額外測試，衛星發射的時間又被進一步推遲。最終，首顆GPS III衛星於2018年12月23日成功發射。第二顆GPS III衛星也於2019年8月22日搭載聯合發射聯盟的德爾塔-4 運載火箭順利升空。

2020年6月30日，第三顆GPS III衛星搭載SpaceX的獵鷹九號運載火箭由佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。第四顆GPS III衛星於2020年11月5日發射。

## 技術狀態

### 衛星信號

GPS衛星放送的衛星信號包含載波、測距碼與導航電文三個部分。相較於現代化進程開始前的GPS衛星，GPS III將載波數量從一個提升至了三個，在原有的L1載波的基礎上新增了L2載波和L5載波；民用測距碼的數量從一個提升至了四個，除最初調製在L1載波上的C/A碼外，陸續新增了調製在L2載波上的L2C碼、調製在L5載波上的L5碼和調製在L1載波上的L1C碼；軍用測距碼也在原有的P(Y)碼的基礎上，新增了一種保密的M碼；此外，GPS III還準備在各新增的民用測距碼上播發民用導航電文（Civil NAVigation，縮寫：CNAV），其結構、內容與精度和調製在C/A碼及P(Y)碼上的傳統導航電文（Legacy Navigation，縮寫：LNAV）有所不同，而M碼上亦調製有專門的軍用導航電文（Military Navigation，縮寫：MNAV）。

#### 載波與測距碼

GPS衛星信號在傳播的過程中經過大氣層，會受到大氣層的影響而使傳播速度發生變化，傳播路徑偏離直線，根據測距碼測定的偽距不再是衛星與接收機之間的直線距離，兩者之間的差值即為大氣延遲。GPS衛星增加載波數量的最初目的，是利用電離層的色散效應所產生的大氣延遲與信號頻率相關的特性，對觀測值進行線性組合觀測，以消除該部分大氣延遲對測距結果的影響。若不進行消除，其造成的測距結果的偏移最高可達40米。L1、L2和L5載波的中心頻率分別為1575.42 MHz、1227.60 MHz和1176.45 MHz。其中，L2載波最早增設在GPS IIR-M衛星上，於2005年開始播發；而L5載波最早是於2009年在一顆廣域增強系統的衛星上進行了播發測試，並於2010年隨GPS IIF衛星的升空投入使用。各載波及調製在各載波上的測距碼的技術特性如下表所示：

載波｜測距碼｜長度/bit｜速率/Mcps｜功率/dBW｜帶寬/MHz｜導航電文

L1｜C/A｜1023｜1.023｜-158.5｜2.046｜LNAV

P(Y)｜15345000｜10.23｜-161.5｜20.46｜LNAV

L1C｜L1CD｜10230｜1.023｜1.023｜-157.0｜4.092｜CNAV-2

L1CP｜10230、1800｜1.023｜無

M｜保密｜5.115｜-158.0｜30.69｜MNAV

L2｜L2C｜L2CM｜10230｜0.5115｜1.023｜-158.5｜2.046｜CNAV

L2CL｜767250｜0.5115｜無

P(Y)｜15345000｜10.23｜-161.5｜20.46｜LNAV

M｜保密｜5.115｜-158.0｜30.69｜MNAV

L5｜L5｜I5｜10230、10｜10.23｜10.23｜-157.0｜20.46｜CNAV

Q5｜10230、20｜10.23｜無

GPS III是首批具有L1C碼播發能力的GPS導航衛星，L1C導航信號與其他的衛星導航系統（例如日本的准天頂衛星定位系統、歐洲的伽利略定位系統的E1導航信號、以及中國的北斗衛星導航系統的B1C導航信號）具有互操作性，使用者可使用同一台接收機來接收此類導航信號。相較於其他民用導航信號，L1C導航信號使用碼分多址的方式分配兩個信號分量：作為導波的L1CP碼與傳遞數據的L1CD碼。兩個信號分量的功率不再平均分配，而是將75%的功率都分配到導波分量上，以便提升接收機對該信號的跟蹤效果。此外，L1C導航信號的播發功率整體上較C/A碼提升了1.5 dB，數據碼上搭載第二代民用導航電文CNAV-2，導航信號的數據傳輸能力和測距精度較先前的民用導航信號均有所提升。

#### 民用導航電文

民用導航電文是設計播發在L2C、L5與L1C三類導航信號上的導航電文，與先前播發在C/A碼及P(Y)碼上的傳統導航電文有較大區別，主要表現在以下幾個方面：

- 民用導航電文僅被調製在新信號的數據分量上，而另一分量即導頻分量上不載有導航電文。
- 民用導航電文具有更靈活的資訊傳遞方式，不同類型的資訊的傳遞順序不再固定。
- 民用導航電文具有前向糾錯功能，在探測出錯誤以後還可對錯誤進行修復。

從2014年4月起，民用導航電文開始在L2C信號與L5信號上進行播發測試，但要到同年12月31日，美國空軍才開始每日將資訊上載到民用導航電文中。在OCX Block 1投入使用之前，民用導航電文將保持預運行的狀態。其中，L2C信號上的電文的健康狀態位被設置為「健康」，而L5導航信號上的相應狀態位被設置為「不健康」。

#### 點波束增強功能

相較於先前的GPS衛星，GPS III配備了高增益的定向天線，可實現軍用M碼的點波束增強功能，由該天線發出的導航信號又被稱為「點波束（spot beam）」。點波束信號的覆蓋範圍約為數百公里，區域內的信號強度可提升約20 dB，功率達到了原來的100倍。但在同一顆衛星上使用兩組天線播發信號也會帶來一些副作用：對於被點波束信號覆蓋的接收機來說，兩組天線產生了兩顆衛星出現在同一位置上的假象。點波束增強功能預計要在OCX Block 2投入使用之後才能正式運行。

## 運控系統

GPS現有的運行控制段（Operational Control Segment，縮寫：OCS）由衛星控制中心、地面天線和監測站等部分組成。GPS在現代化的過程中，不僅需要增加衛星星座的數量，還需增加新的民用和軍用信號、實現點波束增強播送、衛星雷射測距、應急運行和抗干擾等一系列新的功能，並且對GPS 的網路安全提出了更高的要求，而原有的OCS無法滿足這些的需要。因此，美國空軍於2010年宣布開始新一代GPS運行控制系統（Operational Control System，縮寫：OCX）的建設計劃，用於取代原有的OCS。OCX完全遵行了美國國防部制定的資訊保證標準，在美國國防部旗下的空間系統中具備最高的網路安全保護水平。

### 新一代GPS運行控制系統

OCX的建設分為三個模塊進行，每一模塊都在先前的基礎上添加了新的功能。在整個OCX建設完畢並投入使用之前，OCS將繼續作為GPS的地面控制系統工作。在2017年交付計劃調整後，OCX的三個模塊將被分為OCX Block 0與OCX Block 1& 2兩期交付。

#### OCX Block 0

OCX Block 0是OCX的發射與控制系統（Launch and Control System，縮寫：LCS），為GPS III衛星的發射及早期軌道（Launch and Early Orbit，縮寫：LEO）操作提供服務。同時，OCX Block 0還為OCX Block 1提供了硬體、軟體和網路安全方面的基礎功能。OCX Block 0並不具有控制GPS III衛星的能力，因此在OCX Block 1投入使用之前，Cops系統將作為應急狀態下的管理系統對衛星進行管理。

#### OCX Block 1 & 2

OCX Block 1使OCX具備了初始運行能力，能夠同時對GPS III及更早批次的GPS衛星實施控制，並具有播發各類傳統的民用與軍用導航信號的能力。而對於新的導航信號，如民用L1C碼和軍用M碼，OCX Block 1也提供了基本的操作能力。除此之外，OCX Block 1還滿足了OCX對於資訊保證和網路安全的要求。OCX Block 2則提供了更先進的M碼操控能力。

### 應急行動系統

GPS III的應急行動系統（Contingency Operations，縮寫：COps）是GPS對現有OCS的一次更新，更新後的OCS能為GPS III提供與GPS IIF相當的定位、導航與授時功能。在OCX完全投入使用之前，需要有新的運行控制系統來實現GPS III的部分功能，填補這段空窗期。現有的Cops系統依賴於OCX Block 0的發射與測控功能，但其能使GPS III衛星在OCX Block 1投入使用之前，在有限的條件下投入運行。

Cops系統由洛克·馬丁公司負責開發。2016年2月，美國空軍以9600萬美元的價格將Cops系統的研發合同授予了洛克·馬丁公司。洛克·馬丁公司則於2019年5月完成了系統的軟體測試與驗證工作，並在同年6月完成了最終測試，將Cops系統交與美國空軍。2019年10月，Cops系統進入試用階段。2020年3月，美國空軍批准了Cops系統的驗收工作。

### M碼早期應用

M碼早期應用（M-Code Early Use，縮寫：MCEU）在OCX Block 1投入使用前，向GPS的軍事使用者提供軍用M碼的核心功能，以免其受到GPS反電子欺騙政策的干擾。軍事使用者可以在MCEU投入運行以後，對GPS的軍用設備進行測試。

## 部署計劃

目前，10顆GPS III衛星已有五顆衛星發射升空並進入運行狀態。

衛星｜發射時間 (UTC)｜運載火箭｜發射場地｜編號｜SVN｜PRN｜軌道位置｜運行狀態｜參考

USA-289（韋斯普奇）｜23 December 201813:51｜獵鷹九號 5型｜卡納維拉爾角, SLC-40｜IIIA01｜74｜04｜A6｜運行中

USA-293（麥哲倫）｜22 August 201913:06｜德爾塔-4 M+(4,2)｜卡納維拉爾角, SLC-37B｜IIIA02｜75｜18｜D6｜運行中

USA-304（馬修·漢森）｜30 June 202020:10｜獵鷹九號 5型｜卡納維拉爾角, SLC-40｜IIIA03｜76｜23｜E4｜運行中

GPS III-04｜5 November 202023:24｜獵鷹九號 5型｜卡納維拉爾角, SLC-40｜IIIA04｜77｜14｜B6｜運行中

GPS III-05｜17 June 202116:09｜獵鷹九號 5型｜卡納維拉爾角, SLC-40｜IIIA05｜78｜11｜D5｜運行中

## 參考文獻

### 參考

- 曹沖. 前六代俱往矣 GPSⅢ開啟現代化新進程 . 衛星與網路, 2019 (4): 10.
- 李振東, 康成斌, 尹卿, 等. GPSⅢ發展現狀及趨勢 . 第十一屆中國衛星導航年會論文集——S02 導航與位置服務, 2020.
- 趙超,劉春保. 美國GPS系統未來發展淺析 . 國際太空. 2019 (12): 16-21.
- 趙欣. 從OCX看GPS系統未來發展 . 衛星應用, 2017 (7): 13-18.
- Kaplan, E. D., C. J. Hegarty. Undestanding GPS/GNSS: principles and applications . Artech House Publisher, 2017. ISBN 978-1-63081-058-0.

## 外部連結

- GPS政府網站
- GPS空間信號接口規範 IS-GPS-200K，2019年5月發布，定義與L1和L2信號相關的要求
- GPS空間信號接口規範 IS-GPS-705F，2019年5月發布，定義與L5信號相關的要求
- GPS空間信號接口規範 IS-GPS-800F，2019年5月發布，定義與L1C信號相關的要求
- GPS接口控制文件 ICD-GPS-240C，2019年5月發布，定義GPS控制段在OCS/AEP時期與使用者間的數據傳輸要求
- GPS接口控制文件 ICD-GPS-870C，2019年5月發布，定義OCX與使用者間的數據傳輸要求

## 基本資料

- 日語原文：GPS Block III
- 說明：GPS III的藝術想像圖
- 應用：導航衛星
- 國家：美國
- 營運：美國空軍
- 設計壽命：15年
- 軌道：MEO 太陽同步軌道
- 衛星平台：洛克希德 A2100
- 製造商：洛克希德·馬丁
- 發射重量：8115lb
- 淨重：4764lb
- 尺寸：長97in、寬70in、高134in
- 電池：鎳氫氣電池
- 能源：4480 W（任務結束時）
- 狀態：建設中
- 已建造：4
- 已訂購：10
- 已發射：5
- 運行中：4
- 首次發射：2018年12月23日
- 末次發射：2021年6月17日
- 前任：GPS Block IIF
- 後續條約：GPS IIIF