GPS现代化

**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延期至了 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，其導航訊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 導航訊號還能與伽利略定位系統的 E1 訊號及北斗衛星導航系統的 B1C 導航訊號相容，這使得 GPS III 成為了首批能與其他全球衛星導航系統的訊號相容的 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 則是首批投入實際執行的 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執行能力。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，但效能有所改善且成本更低。

在具備完全執行能力之後，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 現代化的行程，具體的內容包括增設新的頻段上和新的民用導航訊號、改善訊號結構、廢除選擇可用性（英語：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。現代化行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 衛星亦陸續投入執行。

## 研發

### 太空部分

2000 年，美國國會正式批准了 GPS III 計畫，隨後美國空軍 GPS 計畫辦公室開始就該計畫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計畫的競標之中。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 執行控制系統（英語：Operational Control System，縮寫：OCX）是與 GPS III 空間部分的建設並列的建設計劃，旨在取代原有的 GPS 執行控制段（英語：Operational Control Segment，縮寫：OCS），為 GPS 的現代化功能，如 L1C 和 M 碼等新導航訊號的使用提供支援。OCX 由主控站、監測站、地面控制站、訊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 的營運合同展開競爭，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，但在計畫的研發過程中出現了嚴重的經費超支問題，使計畫進度一再拖延。2016 年 6 月，美國空軍正式告知美國國會，OCX 計畫的預期成本超過 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「計畫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，美國國防部這一該計畫進行了重新認證，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 計畫延期的主要原因。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酬載、網路通信元件、載荷承載元件、天線、衛星平台等多部分組成。

### 導航酬載

GPS III 衛星的導航酬載（英語：Navigation Payload Element，縮寫：NPE）包含有任務資料單元（英語：Mission Data Unit，縮寫：MDU）、載波發射器、原子頻率基準（英語：Atomic Frequency Standards，縮寫：AFSs）、訊號組合器以及訊號濾波器等部分。MDU 整合了波形發生器的功能，另外還可傳送儲存在星上的衛星星曆、生成導航電文。三台銣原子鐘為衛星鐘和導航訊號提供頻率基準。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（英語：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（英語：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（英語：Hosted Payload Element，縮寫：HPE）則用於承載裝置。

### 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（英語：Attitude Control System，縮寫：ACS）的主要功能是取得衛星的姿態資訊，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 由一系列的感測器和操作元件構成，具體包括太陽感測器、地球感測器、慣性測量單元（英語：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，而磁扭杆則用於解除安裝動量。

#### 供配電系統和熱控系統

供配電系統（英語：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（英語：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（英語：Telemetry Tracking and Command，縮寫：TT&C）系統，由星載的匯流排機、上行 / 下行鏈路組成。這些單元則用於與遠端介面、裝置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引擎、5 lbf 推進器和 0.2 lbf 推進器組成，遠地點引擎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（英語：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延期。

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 公司開始就延期後的 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（英語：Evolved Expendable Launch Vehicle，縮寫：EELV）計畫的驗證，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三角洲 - 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 計畫中，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 GPS-III SV01，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 衛星的發射有再次延期的風險。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延期。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三角洲 - 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

### 衛星訊號

GPS 衛星放送的衛星訊號包含載波、測距碼與導航電文三個部分。相較於現代化行程開始前的 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送民用導航電文（英語：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（英語：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（英語：Military Navigation，縮寫：MNAV）。

#### 載波與測距碼

GPS 衛星訊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 衛星增載入波數量的最初目的，是利用電離層的色散效應所產生的大氣延遲與訊號頻率相關的特性，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 年開始播送；而 L5 載波最早是於 2009 年在一顆寬域擴增系統的衛星上進行了播送測試，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：

GPS III 是首批具有 L1C 碼播送能力的 GPS 導航衛星，L1C 導航訊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 導航訊號 、以及中國的北斗衛星導航系統的 B1C 導航訊號）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訊號。相較於其他民用導航訊號，L1C 導航訊號使用碼分多址的方式分配兩個訊號分量：作為導波的 L1CP 碼與傳遞資料的 L1CD 碼。兩個訊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訊號的跟蹤效果。此外，L1C 導航訊號的播送功率整體上較 C/A 碼提升了 1.5 dB，資料碼上搭載第二代民用導航電文 CNAV-2，導航訊號的資料傳輸能力和測距精度較先前的民用導航訊號均有所提升。

#### 民用導航電文

民用導航電文是設計播送在 L2C、L5 與 L1C 三類導航訊號上的導航電文，與先前播送在 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訊號的資料分量上，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；
* 民用導航電文具有正向錯誤校正功能，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 訊號與 L5 訊號上進行播送測試，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執行的狀態。其中，L2C 訊號上的電文的健康狀態位被設定為「健康」，而 L5 導航訊號上的相應狀態位被設定為「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訊號又被稱為「點波束（英語：spot beam）」。點波束訊號的覆蓋範圍約為數百公里，區域內的訊號強度可提升約 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送訊號也會帶來一些副作用：對於被點波束訊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執行。

## 運控系統

GPS 現有的執行控制段（英語：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訊號、實現點波束增強播送、衛星雷射測距、應急執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 執行控制系統（英語：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 執行控制系統

OCX 的建設分為三個模組進行，每一模組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 的三個模組將被分為 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（英語：Launch and Control System，縮寫：LCS），為 GPS III 衛星的發射及早期軌道（英語：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 具備了初始執行能力，能夠同時對 GPS III 及更早批次的 GPS 衛星實施控制，並具有播送各類傳統的民用與軍用導航訊號的能力。而對於新的導航訊號，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（英語：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，需要有新的執行控制系統來實現 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執行。

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（英語：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 投入執行以後，對 GPS 的軍用裝置進行測試。

## 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執行狀態。

## 參見

* GPS 衛星
  * GPS 衛星列表
  * GPS IIF
  * GPS IIIF
* GPS 訊號
* 準天頂衛星系統 - 日本設計和發射的新衛星，旨在加強日本國內的 GPS。
* 北斗三號

## 參考文獻

### 參考

* 曹沖。前六代俱往矣 GPSⅢ 開啟現代化新行程 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. 國際太空. 2019 (12): 16-21.
* 趙欣。從 OCX 看 GPS 系統未來發展 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. 衛星應用，2017 (7): 13-18.
* Kaplan, E. D., C. J. Hegarty. _Undestanding GPS/GNSS: principles and applications （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）_ . Artech House Publisher, 2017. ISBN 978-1-63081-058-0.

### 參照

## 外部連結

* GPS 政府網站 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美式英語）
* GPS 空間訊號介面規範 IS-GPS-200K （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美式英語），2019 年 5 月發布，定義與 L1 和 L2 訊號相關的要求
* GPS 空間訊號介面規範 IS-GPS-705F （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美式英語），2019 年 5 月發布，定義與 L5 訊號相關的要求
* GPS 空間訊號介面規範 IS-GPS-800F （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美式英語），2019 年 5 月發布，定義與 L1C 訊號相關的要求
* GPS 介面控制檔案 ICD-GPS-240C （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美式英語），2019 年 5 月發布，定義 GPS 控制段在 OCS/AEP 時期與使用者間的資料傳輸要求
* GPS 介面控制檔案 ICD-GPS-870C （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（美式英語），2019 年 5 月發布，定義 OCX 與使用者間的資料傳輸要求