坚韧性是GPS新考验的关键

原创 2018-01-02 曹冲

坚韧性（或曰坚强性）是相对于脆弱性而言的，这是一对意涵相反的词组。在过去的一年间，在美国空军的空间社区讨论最多的主题一直是“坚韧性”问题。这实际上意味着大家希望弄清楚什么是坚韧性？美国空军如何增强太空能力的坚韧性？美国GPS董事局总裁史蒂文惠特尼上校，对于这些问题谈了他们的想法。

GPS董事局对于定位、导航和授时服务的坚韧性问题进行了认真和很长时间的思考，可以很高兴地报告说，在过去的一年里已经取得了重大进展，业已将新一代PNT技术接近变为现实。更重要的是，给空间、地面和用户设备研发投资者带来了实实在在的好处，也为全世界提供了更具坚韧性的PNT服务。同时还破解了提供现代化的军民两用GPS信号的关键难题。着眼于更远的将来，美国空军已经在探索潜在的新技术，并有能力进一步推进GPS产业的鲁棒性，其愿景是希望GPS永远保持在全球PNT领域中的“黄金标准”地位。

坚韧性从信号开始。现代化的GPS信号将会是坚韧PNT整体解决方案第一难题。GNSS业界早就预料并盼望多GNSS时代的到来。GPS董事局已经利用新的L1C信号设计来应对接受了这一未来，并且会通过GNSS的兼容互操作开展全面合作。这一新的信号设计将大大改善在城市和其他挑战性环境下的GPS信号接收性能。另一个重要的GPS信号是由GPS IIF卫星开始引入的L5信号，它是专门设计为了满足生命安全的交通运输和其它高性能应用的苛刻要求。该信号广播所在的无线电频段，是专门为航空安全服务保留的，以确保它具有最佳的频谱保护。以上所说的这两个新增信号在一起，能够更大地改进全球民用用户的PNT坚韧性。改进坚韧性的其他措施已经集成到现有信号之中并加以实施。例如，L2C信号，在双频接收机将它与L1 C / A结合在一起，从而启用电离层误差修正，以改善定位和授时精度。对于军用，GPS董事局一直专注于引入军码（M码）进行运作。该M码信号性能特性具有先进的防干扰堵塞、防电子欺骗和加密功能，将为美国及其盟友提供确保坚韧性和可靠性的PNT解决方案。为推出这一可操作的M码能力，实际上涉及到GPS系统和产业的各个细分部分，会影响到未来的很长时间，2017年GPS董事局终于在这方面取得了重大进展。

空间星座段的坚韧性。GPS空间段下一步将迈向更有坚韧性的PNT整体架构。GPS星座保持其鲁棒性和健康状态（有的卫星业已老化，但是仍然健康），拥有31颗可用卫星提供全球覆盖服务。GPSIII卫星将带来额外的鲁棒性，与前几代卫星相比增加的功率和精度。2018年将发射第一颗GPS III卫星，标志着GPS空间段向前迈进了一大步。同样重要的是，其余十颗卫星的生产也正在全面展开中。最为重要的是GPS IIIF的提出，它是GPSIII进一步走向未来的后续计划。GPS董事局正在做这方面的准备部署工作。美国空军将增加新的坚韧性功能作为重要考虑要素，建议通过加入可编程数字有效载荷增强信号的灵活性，通过利用区域的军用保护能力增强抗干扰和防攻击性能支持。在未来几年间，随着后续的GPSIII卫星加入星座，和L1C，L2C，L5和M码信号互补充操作，将会给GNSS带来革命性的变革。

地面运控段的坚韧性。GPS运控段的坚韧性与卫星星座同样重要，运控段也是GPS系统的整体坚韧性不可或缺的组成部分。提高网络安全和保证真实可信度不可能等到新一代的运控系统（OCX）的交付使用。为此目的，GPS董事局的重点落在高效益地更新现有的操作系统。例如，通过监视台站技术改进和能力（MSTIC）接收机计划项目，采购并部署基于软件的GPS监视台接收机，取代现有的趋于老龄化的监测台站接收机。MSTIC接收机设计将方便添加更多的功能，如M码信号监测，甚至还有民用的L1C、L2C和L5信号监控。GPS董事局还部署了新的网络安全监控套件，以提高网络安全防御能力。这个新套件目前正运行在GPS 主控站（MCS）上。除了改善网络保护，美国空军也走出了几个OCX 跳跃步，以支持发射和GPS III卫星的操作，并进一步降低了OCX延迟带来的风险。应急行动（COPS）程序修改了现有的运控系统（OCS），允许第一个GPS III卫星加入运作星座。空军也发起了一个同伴程序，进一步更新OCS提供有限的M码操作，实现M码早期使用（MCEU）。以上两个程序一起，可提供一系列关键性临时措施，实现具有更强坚韧性的星座。OCX程序提供最终的网络保护和GPS系统所需的确保性。在今年程序重新认证后事实表明，该方案重点已经集中在改进的软件系统工程，并拥抱软件行业最好的实践，如采用开发操作（DevOps）和更大的软件自动化。该程序甚至还利用亚马逊网络服务（Web Services）的政府云（Gov’t Cloud）功能，提供更加快速的研发和测试环境。虽然程序还有很长的路要走，政府和总承包商（雷神公司）都致力于确保交付一个强大和安全的地面基础设施。

用户设备段的坚韧性。这是坚韧性最后一个难题，主要还是对于军事用户设备而言。GPS董事局在推进第一批现代化接收机板卡方面做了巨大努力，旨在服务于军用GPS用户设备（MGUE）增量-1计划。这些高级板卡将启用跨美国国防部融合平台，利用新的M码信号，在强化抗干扰和防欺骗能力方面提供了巨大的推动力。它们也将提供最新的密码学技术以确保美国及其盟友安全和鲁棒性保护。同时在进行的还有，美国国防部正在评估MGUE增量-2计划的额外能力和平台形式。目前设想解决精确制导弹药、空间接收机和现代化的手持设备单元，增量-2方案将正在制定明年的一项采购计划，要进一步推动M码信号在整个军事部门与系统中的应用。对用户设备未来的考虑是，探索多GNSS信号处理方法。至今没有做出决定，GNSS可以提供机会甚至额外的坚韧性。

坚韧性研究结论。对GPS事业来说，目前是个激动人心的时刻。我们站在新一代能力发展的风口浪尖上，将迎来PNT坚韧性和鲁棒性大大增加的发展期。在世界各地召开的许多GNSS和PNT会议上，人们会惊讶地发现科研工作质量有明显的提升，既兴奋又谦卑地看到GNSS业界，以不断创新的方式提高精度、完好性、可用性和连续性性能。同样，人们在承诺并找到新的、创新的方法，提供具有鲁棒性和坚韧性PNT服务全球应用。