卫星导航系统被视为军用定位、导航与授时(PNT)架构的核心。2022年,各国继续按计划推进卫星导航系统建设。俄乌冲突又一次凸显了现代战争对卫星导航系统的依赖性及其易受干扰的局限性,美军继续开发各类补充PNT解决方案,推动多种PNT技术的融合应用,美欧也在寻求更多种全球导航卫星系统(GNSS)干扰/中断探测技术。在军事需求和全球产业对精确定位授时需求不断增长的驱动下,业界继续探索低轨卫星导航应用、基于移动网络的定位等热点和新型PNT技术研发应用。
特别值得关注的是,2022年,美政府问责局发布了GPS现代化评估报告和GPS替代技术报告,分别对美国GPS系统现代化进展和GPS替代技术的发展情况进行了全面审视,讨论了存在的问题。综合这两个报告看,GPS现代化依然是美军PNT体系建设的核心,但其进展却受制于新一代军用GPS用户设备交付一再延期;为了应对GPS威胁的发展,美国防部正遵循模块化开放系统架构方法实现多源PNT技术集成,加快PNT能力部署,但替代PNT技术发展受到的关注仍相对较少,对整个PNT体系的能力差距缺乏评估和风险分析。
美欧俄按计划推进卫星导航系统建设和性能提升
2022年,美欧俄持续推进和完善其卫星导航系统建设和现代化,在提升民用服务性能和满足高精度应用需求的同时,特别强调提高系统抗干扰和反欺骗能力,不断增强系统韧性。
2022年,美政府发布GPS现代化评估报告,全面审视GPS现代化进展和存在的问题;欧洲伽利略系统性能不断提升,特别是与军事应用相关的改进版公共管制服务(PRS)首次进行了端到端演示验证;俄罗斯在俄乌冲突期间依然发射了两颗新一代GLONASS-K卫星。
此外,日本准天顶卫星系统2021年发射的补网卫星QZS-1R也于2022年通过了功能测试,与QZS-2、3和4(均于2017年发射)一起,支持定位、高精度定位增强和其他卫星服务。QZS-5、6、7卫星也在继续开发中,这些卫星将开发星间测距和跟踪站与卫星之间的双向测距功能,进一步提升服务性能。
韩国则通过租借马来西亚MEASAT-3d通信卫星上的空间于2022年6月发射了其增强卫星系统(KASS)的首颗卫星,其L波段导航载荷搭载在该卫星上,将提高GPS信号的精度和可靠性,增强韩国航空飞行安全。
1.1 美政府发布GPS现代化评估报告,新一代卫星系统建设和用户设备研发持续推进
自2000年以来,美国空军和太空军投入数十亿美元对GPS进行现代化改造,其核心是开发和部署抗干扰能力更强的军用M码信号,加强网络安全,并应对不断出现的威胁。美国空军于2005年发射了第一颗能够广播M码信号的GPS卫星,然而,新一代地面运控段和用户设备发展长期以来却一直受到进度延期的困扰。2022年,美政府发布GPS现代化评估报告,讨论了这一问题。
新一代系统建设方面,2022年,美军并未发射GPS III卫星,但又订购了三颗GPS IIIF卫星;美国防承包商针对美军新一代GPS接收机部署需求,推出了多型先进M码接收机。未来技术验证方面,美军明确了导航技术卫星-3(NTS-3)2023年的发射和试验任务。
(1)美政府问责局发布GPS现代化评估报告:M码用户设备延迟交付限制了美军作战能力部署和导航战功能全面应用
2022年5月9日,美国政府问责局发布《GPS现代化——及时部署军事用户设备需要完整准确的信息和详细的测试计划》报告。该报告审视了GPS系统现代化的进展情况,重点评估了M码用户设备的研发和部署现状。
目前,GPS系统空间段已有24颗卫星具备M码能力,达到广播M码信号完全运行能力的最低需求;控制M码信号的地面运控段将于2023年投入运行;而能够接收M码设备的用户设备研发部署则一再延期,还需数年时间才能实现广泛应用。
该报告指出,GPS系统现代化在用户段、地面运控段和用户段均面临风险,最大的问题则在于M码用户设备的进度延期。
对于空间段,开发GPS IIIF卫星导航载荷——提供GPS信号的任务数据单元面临技术挑战,卫星交付有延期风险。测试计划已经过重新调整,目前计划于2026年初交付首颗GPS IIIF卫星。
对于地面段,下一代运行控制系统(OCX)在测试和集成其任务软件方面取得了进展,但也在经历进度延期和成本增长。自2020年1月以来,系统交付从2021年6月推迟到2022年10月,延期16个月,成本增长总计至少3.79亿美元。按照计划,从交付过渡到运行再到2023年9月通过运行验收,系统要完成软件鉴定测试和系统集成测试,时间并不充裕,仍有延期风险。
对于用户段,美军通过军用GPS用户设备(MGUE)项目开发部署新一代M码用户设备,相关研发和试验计划正在大幅滞后。MGUE分为两个阶段:增量1和增量2。其中,增量1开发两种类型的M码卡,一种是陆用M码卡,用于地面系统;另一种是航空/海事M码卡,用于空中和海上系统。
目前,增量1已完成了陆用M码卡测试,并在确定和解决航空/海用M码卡的缺陷方面取得了进展。尽管如此,由于存在技术挑战,航空/海事M码卡的最终测试仍将比最初计划推迟3年以上完成,并且成本增加了1.64亿美元。其中一个挑战是空军B-2轰炸机和海军DDG 51阿利伯克级驱逐舰上的GPS接收机不能解码M码卡提供的授时信号。解决这一问题造成的延迟可能进一步推迟航空/海事M码卡开发和最终测试的完成。
美空军微型机载GPS接收机2000-现代化(MAGR-2K-M)项目和嵌入式GPS/惯性导航系统现代化(EGI-M)项目都依赖增量1航空/海事卡,前者进度已推迟近4年,后者已延期近两年。美海军用于水面舰艇的主要M码接收机——基于GPS的定位、导航和授时服务(GPNTS)也将使用航空/海事卡。GPNTS接收机已经完全开发出来,但目前使用非M码GPS卡。M卡的延期意味着这两个军种在未来几年内尚不能获得完全可用的M码能力。
增量1M卡延期还迫使美陆军为其地面车辆、士兵和弹药采购不使用MGUE项目增量1 M卡、而是使用其衍生卡(与母卡使用相同的ASIC和大部分相同的软件,但尺寸、技术能力、安全架构等根据特定接收机类型需求的不同而不同)的多源PNT接收机,如,车载有保证PNT系统(MAPS)、徒步有保证PNT系统(DAPS),两者都使用了BAE公司的M码卡衍生型号。美国海军陆战队也正考虑为地面车辆选择MAPS。
M码用户设备进度滞后使美各军种难以制定全面的M码作战能力测试计划,而作战测试延迟又会造成部署延迟,美军面临无法及时向高优先级武器系统提供M码能力以满足未来作战需求的风险。另外,设备在最终生产和部署时,相关组件或设备可能就已经过时。M码卡进度延迟还造成美国防部用于跟踪M码开发和集成进度的PNT数据库信息不完整不准确,因为各军种无法完整填入将使用的M码GPS接收机的类型、数量、预算和时间框架等信息,这让美国会国防委员会无法跟踪M码进展并支持国防部做出相关决策。
M码信号部署与应用是GPS现代化军事部分的核心内容,对实现美军未来导航战构想至关重要,美军要实现其导航战功能的全面应用尚需时日。
(2)美太空军再订购三颗GPS IIIF卫星
2022年,美军2021年发射的第五颗GPS III卫星达到初始运行能力,美太空军又订购了三颗GPS III后续卫星GPS IIIF,至此,GPS IIIF的订购数量达到10颗。
GPS III是美军GPS系统空间段现代化的重点,计划部署10颗,后续升级至GPS IIIF。目前,第6~8颗GPS III已做好发射准备,正等待发射窗口。第9颗正在进行系统级测试,第10颗正在交付系统组件。
GPS IIIF是最新版本的GPS卫星,它基于GPS III的强大能力,增加了搜索和救援有效载荷、用于精确测距的激光后向反射器阵列、全数字化导航载荷和区域军事保护能力,将为在电磁对抗环境下作战提供高达60倍的抗干扰能力。
(3)业界助力M码军用设备研发和应用
美业界已认识到向美军提供M码接收机的重要性和美军的迫切需求。2022年,美国柯林斯宇航公司和BAE系统公司都推出了具有M码能力的接收机。
2022年6月,柯林斯公司在2022年法国巴黎国防军警防务展览会上,推出了其首个面向国际市场的车载导航系统NavHub™-200M。该产品兼容M码接收机,并提供有保证PNT(APNT)能力,可有效提高对现有和新型GNSS系统威胁的抗干扰和反欺骗能力。NavHub-200M还包括GNSS升级路径所需的开放接口标准和传感器融合功能,可与欧洲伽利略系统、惯性测量单元(IMU)和里程表等关键车辆传感器接口。
BAE系统公司则在2022年ION联合导航会议上推出了战略抗干扰波束形成M码接收机(SABR-M),该接收机能提供精确的目标位置、速度、高度数据以及授时信息,针对GPS干扰和欺骗信号具有强大的防护能力。这是首款可用于武器系统的集成式M码接收机,可支持无人机、精确制导弹药和导弹在对抗环境下实现精确打击能力。
BAE公司还推出了用于固定翼、旋翼和无人机载平台的新型机载数字式GPS接收机(DIGAR)。该技术将多个美国Trimble公司接收机与DIGAR接收机配套使用,利用Trimble公司接收机为目标回波波束赋形,以此大大提高了机载DIGAR接收机的抗干扰能力。DIGAR兼容M码,为作战人员提供更高安全性。2022年9月,BAE公司发布公告称已获得美国空军1300万美元合同,为F-15E战斗机换装DIGAR,以确保其军用GPS系统在严酷信号环境中运行的可靠性。
(4)美空军明确NTS-3发射和试验任务
导航技术卫星3(NTS-3)将展示下一代PNT系统,对完善和构建美军未来PNT架构有重要意义。在2022年4月举行的太空研讨会上,美国空军研究实验室(AFRL)表示,计划于2023年3月发射NTS-3,并进行100多项实验,寻求如何在对抗环境下满足作战人员需求。
实验项目主要包括:一是能够接收多个信号并满足军事需求的新型GPS接收机的关键技术;二是指挥控制站和软件无线电等地面设备和终端;三是具备在轨可重编程能力的新型数字信号发生器;四是探索天线配置,以多种频率和信号码提供地球覆盖和可控区域波束。NTS-3卫星将配备110根天线,以帮助对抗GPS干扰。
NTS-3卫星将位于地球同步轨道,将证明来自多个轨道卫星的信号是否可以为地面用户提供补充和改进能力。这一问题对于正考虑如何将NTS-3能力整合到其现有架构中的美太空系统司令部而言至关重要。
1.2 伽利略系统性能进一步提升,改进版公共管制服务(PRS)首次通过端到端演示验证
2022年,受俄乌冲突影响,伽利略卫星发射计划被取消,2021年底发射的两颗卫星经过全面测试后开始服役;二代导航卫星系统概念成功通过了初步设计评审;改进版的公共管制服务(PRS)首次进行了端到端演示验证。
(1)一代星发射计划延期
2022年,在俄乌冲突背景下,一直依靠俄罗斯联盟号火箭提供发射服务的伽利略系统卫星发射也受到影响。原定于2022年4月的伽利略卫星发射被取消,目前还有10颗一代伽利略卫星已经完成测试并做好发射准备,但伽利略系统部署现在只能依赖还在进行测试的欧空局阿丽亚娜6型运载火箭。该火箭预计到2023年才能执行首次发射任务,伽利略一代卫星预计2025年部署完毕。目前系统有28颗卫星在轨,24颗处于运行状态,性能表现良好,提供优于1米的定位精度,增加的卫星将提供服务韧性。
(2)2021年发射的两颗一代星开始服役,进一步提升了系统定位性能和鲁棒性
据GNSS内参2022年9月7日报道,2021年底发射的两颗伽利略一代星在经过全面测试后开始服役。这两颗卫星是第一批广播改进导航信息的卫星,为伽利略公共开放服务用户带来了三项关键改进:更快的导航数据捕获,用户可在16秒内接收到首次定位,比原来快了一倍;在挑战性环境下,如城区中心,具有更高的稳定性;更容易访问导航电文中的授时信息。为了测试和广播这一新的导航电文,业界和欧空局开发了导航信号生成单元的新软件,并上传到两颗卫星上。后续,新软件将上传到每颗在轨伽利略卫星。
(3)二代导航卫星系统概念成功通过初步设计评审
2022年3月,伽利略二代导航卫星系统概念成功通过了初步设计评审。目前,二代系统的关键要素正在欧空局实验室进行评估,包括用于同步卫星授时和定轨的关键算法,以及测试版本的GNSS接收机和紧急信标。二代卫星与目前的星座后向兼容,将首次采用电推进,并安装增强型导航天线,其全数字化载荷易于在轨道上重新配置,使系统能够通过新信号和新服务积极响应用户需求的不断变化。现在有12颗第二代伽利略卫星正在开发中,计划采购多达24颗。
(4)改进版公共管制服务(PRS)首次开展端到端测试验证
Antwerp航天公司PRS测试接收机
PRS被视为最安全、最鲁棒的伽利略系统服务。这是一种为政府授权用户和敏感应用提供的加密导航和授时服务,即使在其他伽利略服务可能降级或受干扰的情况下,也能保持可用。
根据GPS世界网2022年9月14日的报道,欧空局在伽利略系统端到端测试中首次演示了改进版公共管制服务(PRS)信号的捕获。
目前,PRS信号的初始版本已经由在轨伽利略卫星播发。从2023年开始,这些信号将发展为增强版本,即“完全运行能力PRS”(FOC PRS)。实现FOC PRS能力需要扩展伽利略地面任务段,将对位于法国圣日耳曼昂莱和西班牙马德里的伽利略安全监控中心(GSMC)进行重要升级,这两个站点监督PRS的提供并监控其性能。