下一代卫星导航系统的核心关键是突破坚韧性难题

有没有下一代卫星导航系统？也就是第三代卫星导航系统？回答应该是有。目前，GNSS系统的最大软肋是其脆弱性，那么解决脆弱性就应该成为当务之急和重中之重。所以，近些年来坚韧（强）PNT，或者弹性PNT就成为热点课题。因此，下一代卫星导航系统将突破坚韧性作为核心关键，是顺理成章的事情。这就是说，下一代系统，当务之急不是铺摊子，而是瞄准核心关键，在原有的基础上进行升级换代，而不是重打锣鼓另开张，干狗熊扒棒子的傻事，更不是谈天说地的讲一些不着边际的、完全没有可操作性的天方夜谭。

最近，美国的相关行动值得我们注意和深思。日前，有消息称，美国空军选择哈里斯卫星公司，作为PNT（定位、导航和授时）卫星的主承包商。这里的PNT卫星是下一代导航卫星的试验床，是新一代导航技术卫星（NTS），这就是NTS-3。

图1.地球上方的NTS-3 号＊

　　＊注：本文所有图片均源自美国空军研究实验室（AFRL）空间飞行器局。

美国空军研究实验室（AFRL）和空间与导弹系统中心（SMC）于2018年12月20日选择哈里斯, 并于1月28日公开宣布。哈里斯（Harris）公司已被选定为建造NTS-3的主要承包商，该卫星预计将于2022年发射, 并进行为期一年的实验运作。

1. 进行NTS卫星试验是美国的成功经验

NTS-3是建立在20世纪70年代开始的国防部 (DOD) 卫星导航遗产基础上, 它是现代GPS星座的前身。NTS-1 由海军研究实验室 (NRL) 开发的，于1974年发射, 有两个铷蒸汽原子频率标准，为TIMATION卫星计划演示提供先进的授时和导航精度。NTS–2于1977年发射, 成为第一颗 NAVSTAR GPS第一阶段卫星, 并展示了铯频率标准和全球数据采集网络。此后, 一直没有国防部的卫星导航大型开发项目进行实验研究, 一直到NTS-3。

2. NTS-3是PNT的实验床

作为地球同步静止轨道上的独特试验台, NTS-3 将整合多种先进技术，来展示系统坚韧性（或者说是弹性）和新的运作概念, 包括实验天线、灵活和安全的信号、更高的自动化程度以及地面资产的商业化应用。从 NTS-3 获得的技术成熟化和经验知识有望转移到未来几代全球定位系统及其增强层面, 以实现国家PNT能力。

“国防战略告诉我们,必须发展我们国家的定位、导航和授时能力, 以使其更具坚韧性”。美国AFRL 空间飞行器总监埃里克·费尔特上校作如是说。“NTS-3 都是关于强化坚韧性的, 我对我们的 SMC、AFRL和Harris团队所从事的坚韧性实验感到无比兴奋, 他们将能够使用NTS-3的创新和灵活的硬件、软件和波形进行测试”。

图2.NTS-3卫星的近观（图片源自AFRL空军飞行器局）

　　3. NTS-3的空间试验

2015年空间飞行器局将NTS-3选定为新的重大综合空间实验平台, 它代表了AFRL首次PNT飞行实验, 根据航天企业愿景 (SEV)和航天作战架构 (SWC)要求，目的是在2015年形成更具坚韧性的PNT多层结构原型。

2017年, AFRL重新构建了NTS-3, 以强调特定的目标, 在SEV和SWC所概述的多层空间架构中展示分门别类、具有坚韧性特色的PNT。NTS-3 将为轨道数字波形发生器 (ORDWG) 和大功率/高效率固态放大器等核心技术提供空间认证。除了新的信号外, 机载实验还包括通过传统和高级时钟提高授时精度和完好性, 包括提高长期和短期稳定性的组合。NTS-3 将通过SATNAV系统的所有三个组成部分 (空间、控制和用户) 演示多层PNT的关键战术、技术和方法 (TTP)。

4. 敏捷波形平台

为支持NTS-3，Harris公司计划开发敏捷波形平台, 这是一种可在轨重新编程的数字信号发生器, 使运营商能够快速开发和部署新信号, 以满足战场上快速变化的需求。此外, Harris 的电子可控相阵列天线将支持在地球覆盖和点波束双重配置中同时广播多个波形。

NTS-3 将使用 Northrop Grumman 创新系统的ESPAStar 总线, 该总线建立在2018年4月所射的AGRLEagle 航天器上。

图3.NTS-1、NTS-2和NTS-3的卫星图片（源自AFRL 空间飞行器局）

　　5. 地面控制

布拉克斯顿技术公司于2017年6月就被选中负责NTS-3 卫星导航地面控制, 同时展示了业已成熟的创新技术和能够担负得起卫星导航地面指挥和控制的力, 以确保在有争议和被拒阻环境下的定位、导航和授时。布拉克斯顿专家还将展示卫星地面控制技术, 这些技术最终可用于未来的GPS地面控制系统。他们将使用多任务空间业务中心 (MMSOC) 开放架构标准及空军卫星控制网络 (AFSCN), 与未来的NTS-3 空间有效载荷进行主要的直接和安全通信。

图4.NTS-3卫星在空间（图片源自AFRL 空间飞行器局）

　　地面控制段 (GCS) 的目标包括多个天线指令，使其与传统的地球覆盖波束一起形成高增益区域波束, 并处理后续的相位中心偏差和方向图变化的影响。GCS 还将纳入用于 TT&C（遥感遥测与指令）的商用天线, 并自动执行通用功能, 以降低全球定位系统所需的手动控制水平。GCS 的开发将强调网络安全和与企业地面系统 (EGS) 的兼容性。

值得指出的是，AFRL/RV 正在寻求与产业界、政府机构和大学的合作, 以开发实验概念和参与飞行实验。发动大家总比单打独斗的好。集中大家的智慧和力量，能够取得更多更快更好更省的效果。

还值得指出的是，在下一代卫星导航系统总体设计中，按照中国新时空服务体系的基本概念，北斗新时空升级换代的重大创新是在空间、运控和用户端以外，增加环境段，也就是针对系统工作环境和用户应用环境的智能化技术这样的世界性难题，作为系统坚韧性的重大突破口，这也是多种多样增强技术的关键所在，是系统完好性、可靠性、坚韧性指标保障所在，是关键核心竞争力所在。这也需要真正脚踏实、一步一个脚印地的开展工作。