来自美国空军研究实验室的这颗先进的地球同步卫星将使下一代空间星座段、地面运控段和用户设备段技术成熟起来。导航技术卫星（NTS）-3将尝试多种集成技术：可重编程信号发生器、电子扫描天线阵列、灵活与安全的信号、更高的自动化程度，以及商业指挥和物流资产控制的使用。这些将成为未来天基PNT星座的垫脚石。
美国空军为美国国防部（DoD）创建的GPS星座，所提供空前的定位和授时精度。自从GPS诞生以来，它已成为一种全球性实用工具，其民用和商业用途远远超过了军事用途。陆地和空中交通管控、金融银行业务、农业林业、能源矿业、搜索救援，以及蜂窝网络等应用都依赖于不间断的GPS信号覆盖。同时，随着其他卫星导航星座（例如伽利略、北斗和格洛纳斯系统）的加入，空间领域变得越来越拥挤，竞争也越来越激烈。此外，诸如QZSS和NAVIC之类的区域系统也正在部署中。尽管已有许多全球和区域卫星导航星座，但其他一些国家，例如韩国和英国，也表示有兴趣部署自己的卫星导航星座。
为了使GPS保持在卫星导航系统创新的最前沿，并提供未来方案所需的高级功能，以及新技术需要成熟和过渡。考虑到这些需求目标，提出了导航技术卫星3号（NTS-3）作为一项革命性的飞行实验，以催熟和发展可以过渡到美国下一代天基PNT卫星的新技术。NTS-3将推动当今卫星导航技术的发展，以在新的航天和全球竞争环境中应对明天的技术挑战。
革命性技术。NTS-3将演示可重编程的卫星导航整体功能，如何在空间、地面和用户段中发挥作用，并将开发和催熟的技术来满足军事和民用用户的未来需求。在整个相关领域，NTS-3实验将包括一系列革命性技术，例如在轨可重编程PNT有效载荷，提供地球和区域覆盖的电子扫描天线阵列，提高安全性和减轻干扰的敏捷信号，以及具有多种授时来源的守时系统，以提高任务稳定性、异常检测能力和增强的误差缓解技术。NTS-3将进一步试验地面控制系统的自动化程度，最大限度地减少人与人之间的频繁互动，并使用商用天线增加空军资源，以增强空军的指挥和控制能力。近实时的误差检测和缓解是关键功能，新波形（信号）居于实验活动的中心。系统将自动监视基本参数，并设法减少错误，以最少的人工干预来保持完好性和精度，以避免以前在GPS和其他卫星星座中都出现过的长时间服务中断。用户设备将与空间资产无缝协作，以适应新波形的广播，并为军事PNT社区带来软件定义的接收机的灵活性和敏捷性。
史诗般的速度。国防航天企业正在发展，并且在获得太空能力的方式上进行快速变革。认识到空间不再是无可争议的，新的重点是“史诗般的速度”，以满足空间系统的未来需求。为了支持这一新重点，美国太空部队（USSF）确定了三个太空整体能力需求。这些整体需求是：一是增强弹性；二是建筑敏捷性；三是敏捷要求/操作流程概念。NTS-3是展示这些整体性对天基PNT系统需求的关键要素。因此，NTS-3于2019年8月被美国空军指定为先锋计划。
下一代导航卫星信号。1973年至1978年设计的原始GPS信号，在当时是一个奇迹。结合了直序扩频、码分多址（CDMA）和紧凑的数据电文。这些信号已经为军事和民用用户服务了三十年，并且仍被国防部（DoD）的所有用户使用。尽管GPS信号优雅且可靠，1993年首次使用GPS（IOC）后，GPS的应用呈指数增长，但仍存在一些不足。根据总统令，国防部于1996年指示解决这些缺陷，制定了GPS现代化计划。从1997年到2004年，空军开发了四个新的卫星信号，其中军事信号一个和民用信号三个（M，L2C，L1C和L5）。军用的M-Code已部署在21颗卫星上，而地面控制和用户群的交付仍在进行中。尽管M-Code与传统信号相比进行了重大改进，但其复杂性和改进的安全性已减慢了部署速度，尤其是对于用户细分市场。同时，驱动GPS性能和可靠性的挑战以及解决这些挑战的可用解决方案在不断发展，因此有必要催生新技术成熟并投入使用。NTS-3的目的之一是，通过向空间段增加在轨可重编程性，展示对计划外意外事件的敏捷响应。为了跟上新兴技术和天基PNT系统的未来使用，正在开发新的卫星信号以在NTS-3上进行测试。采集辅助、信号认证、敏捷波形和灵活的信道化是计划在NTS-3上测试的一些信号功能。
获得要求。NTS-3将专注于提供与当今民用移动用户相当的军事辅助GPS服务，但该服务旨在满足军事环境的独特需求。通过提供采集辅助和星座导航数据，NTS-3将在干扰方面加快首次定位时间，同时提高军事接收机的抗干扰性能。作为另一项抗干扰性能增强功能，NTS-3将为军事社群提供长期轨道和时钟（LTOC）数据。所有卫星导航系统的两个最大误差源是星历预测和随时间变化的时钟性能。通过替代方法提供此数据将使用户设备能够在状态-3（跟踪但不解调数据）的接收机运行条件下工作更长的时间，并以更低的用户设备功率实现更高的抗干扰性能。提供此数据的一种方法是通过地球同步（GEO）增强层（例如NTS-3正在演示的那样），该方法允许用户设备对卫星的位置和定时偏移保持良好的估计，从而在较长的时间内提高了精度。其他考虑因素是向接收机提供此信息所需的数据包大小。通常以每15分钟间隔的X、Y和Z来考虑卫星轨道。使用更大的数据包可以实现更高的精度，但是必须考虑带宽和数据存储要求。当前，正在探索在使军事社群获得最大利益的同时最小化数据大小的交易。
身份认证方式。对于民用和军用用户而言，GPS信号的身份验证是一个日益严重的问题。为了应对这一日益严峻的挑战，空军研究实验室（AFRL）与多个贡献者合作开发了一种新的身份验证方法，称为芯片电文健壮身份验证（CHIMERA）。CHIMERA是一种GPS信号验证方法，可共同验证L1C信号的导航数据和扩展码。CHIMERA使用时间绑定，其中扩展代码被标记打孔，这些标记使用从数字签名的导航电文派生的密钥以密码方式生成。导航电文和扩展代码是不能独立生成的。比特承诺可确保欺骗者在广播完广播之后才能生成正确的标记。已开发出L1C CHIMERA的两个同时版本：一个是独立用户的缓慢通道，另一个是当其他具有更高带宽的方法可用时（例如，网络辅助），将提供快速通道。
CHIMERA增强功能的基本操作始于GPS发射机对数据进行数字签名，然后生成要作为穿孔插入扩频码中的标记。这些标记可能来自数字签名（慢通道）或单独生成的密钥（快通道）。用户设备可以使用GPS公共证书来验证签名，从而验证数据的真实性和信号的时序。图1概述了CHIMERA的增强功能。
用户设备也是NTS-3的关键实验部分。为了充分利用在轨可重编程性，用户设备也必须可重编程。NTS-3建立在十年来由联邦政府资助的卫星导航软件定义接收机（SDR）开发的基础上，它将利用MITRE的全球导航卫星系统测试架构（GNSSTA）来实现用户设备功能。SDR在整体范围内用于发射机（空间），接收机（用户）和监视（地面）条件下，是未来卫星导航系统的关键赋能技术。用于GNSS的当前固定频率和调制方式已经（并将继续提供许多年）提供了出色的PNT服务。但是，在将来，需要更快速地部署功能和增强对威胁的响应能力，这将需要跨所有系统段的灵活性和敏捷性。
NTS-3将利用SDR引入各种各样的灵活功能。调制、功率、多路复用、数据成帧和数据内容都是可配置的。与相控阵天线结合使用时，多个导频和数据通道将支持在整个行动区域同时执行任务。借助NTS-3，灵活性的构建基块将使人们可以尝试使用新的操作概念和策略来减轻负面影响。
其他技术。精准授时是GNSS的关键赋能技术。NTS-3星上原子钟将受到密切监视，以提高授时精度和空间时钟行为的表征。此外，还将研究单事件异常、异常检测和星载集成。计划进行测试新方法实验以提高可靠性和弹性，供将来的天基PNT系统使用。
将电子扫描阵列（ESA）作为NTS-3的基本要素。尽管ESA技术不是太空新技术，但卫星导航系统实施ESA会引入复杂性，由于相位中心和群时延可变，必须解决这些复杂性。NTS-3将调查影响并探索ESA的增强功能，以及同一天线广播信号的全球和区域覆盖。
地面控制对于任何卫星导航系统的正常运行至关重要。随着引入了可重编程性，地面控制系统必须不断发展，以应对增加的复杂性。NTS-3将通过增加对自动化和自治的使用以及赋能诸如可重新编程性之类的高级功能，进一步增强卫星地面控制架构。NTS-3地面控制系统必须与整体的地面服务（EGS）体系架构兼容。一旦完全建立，EGS将利用大数据并促进更轻松的数据共享、态势感知和协作。这允许将旧数据和平台用于新用途。NTS-3设计用于EGS和传统地面系统。其中一个重要方面是合并商业指挥和控制地面站点，以增加与卫星的接触。
结论。NTS-3将推动卫星导航技术的前沿，进入一个先进技术的时代，这将使未来的卫星导航架构更加敏捷、灵活、健壮和具有弹性。具有高级PNT信号的可重编程有效负载是NTS-3实验的核心。设计可以快速部署新功能的系统体系架构将是NTS-3在空间、地面控制和用户段中的关键演示。
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