北斗迈出第三步

航天 · 2016-11-22 23:40:37

运行控制段是卫星导航系统的重要组成部分，是支持星座卫星运行、导航电文生成、卫星状态监控与预警的重要基础，影响卫星导航系统服务性能与能力的重要因素。因此，在GPS系统星座不断更新、发展的同时，美国实施了GPS系统运行控制段现代化改造计划。　　一、背景GPS系统运行控制段或运行控制段（OCS）由跟踪监测站、数据注入站、时统中心、主控站（或运行控制中心）等组成，主要任务是：全部GPS卫星状态的监测、控制与星座的运行管理、修正模型参数预测、数据注入、时间同步与信息处理等。　　美国GPS系统运行控制段的发展始于20世纪70年代，90年代初全面完成部署，由1个主控站、3个数据注入站和5个跟踪监测站组成。主控站位于美国科罗拉多州的施里弗空军基地；5个跟踪监测站分别位于科罗拉多州的斯普林斯、夏威夷、大西洋的阿森松岛、印度洋的迭戈加西亚岛、北太平洋马绍尔群岛的夸贾林环礁；3个数据注入站分别位于阿森松岛、迭戈加西亚岛和夸贾林环礁，与该地的跟踪监测站部署在同一位置，见图1。<center>

</center>　　主控站：收集、处理本站及各跟踪监测站的跟踪与测量数据，计算卫星轨道和星钟参数，预测卫星星历、钟差、状态数据和大气传播改正参数，生成导航电文，并发送给数据注入站。并负责卫星运行控制与轨道修正、卫星调度、星上时间同步、失效卫星管理，运行控制段、导航电文注入、导航电文监测等。　　跟踪监测站：跟踪、测量卫星的实际轨道与位置数据，接收卫星遥测数据，供运行控制段精密确定与预测卫星轨道与位置，监测与分析星上设备运行状态。跟踪监测站一般配备高精度原子钟系统、测距设备和遥测数据接收设备。　　数据注入站：主要任务是将主控站生成的导航电文上行注入至相应卫星，以保证系统的服务精度；同时将自身的运行状态自动发送给主控站。　　现代化计划的实现使GPS系统空间段发生了重大变化，主要包括三个方面：其一，星座卫星数量增加至30颗以上，以改善星座几何分布，提升服务性能；其二，增加M码军用信号，3个民用信号，详见图2。GPS系统导航信号的发展；其中M码军用信号是美国增强GPS系统导航战能力的重要基础，包括星上信号功率增强、点波束等均需领先M码军用信号实现；其三，增加星上功率可调、高速星间与星地链路、点波束、搜索与救援和被动激光测距能力等，是增强GPS系统自主导航与导航战能力的关键措施。OCS系统能力与GPS系统现代化需求对比见表1。<center>

</center>　　GPS系统运行控制段现代化以OCS系统为基础，采取分阶段的方式实施，逐步提升运行控制段的能力与性能，满足GPS系统现代化的需求，目标是：　　1）满足多达32颗卫星组成的GPS星座的运行控制与管理需求，满足GPS发射、异常处置与退役卫星的控制与管理需求；　　2）满足新增信号与功能或能力的运行控制与管理需求，提升GPS系统定位、导航与授时服务性能，增强自主导航、抗干扰与导航战能力；　　3）提供更好的服务性能，以及更好可用性、连续性与稳健性，保持美国在天基定位、导航与授时领域的主导地位。　　二、GPS运行控制段现代化改造　　为降低风险，保证GPS系统的正常运行，运行控制现代化改造采取循序渐进、稳步提升的发展策略，分三个阶段进行；每一阶段又划分为多个改进增量，并确定了一旦改进出现问题，立即退回到上一改进成功状态的原则。GPS系统运行控制现代化改造的三个阶段分别为：第一阶段称为原OCS系统精度改善项目（Legacy-Accuracy Improvement Initiative，L-AII）；第二阶段称为体系结构演进计划（Architecture Evolution Plan，AEP）；第三阶段称为新一代运行控制系统（Next Generation Operational Control System，OCX）。　　（一）OCS系统精度改进项目　　OCS系统精度改进项目，也称为遗产精度改进活动是GPS系统运行控制段现代化改造的第一步，目标是：1）与改造前相比，经卡尔曼滤波的星历轨道预报精度提高50%；2）空间信号用户测距误差改善10%；3）任意时间，每颗在轨运行的GPS卫星至少在处在3个地面跟踪监测站的监测范围内。　　1、环境模型与卡尔曼滤波器的改进　　2004年5月1日至2005年4月30日，美国空军对OCS使用的各种观测量、环境模型等进行了长达一年测量与记录，建立了实施L-AII项目前的OCS系统基线，为改进结果评估奠定了基础。　　2005年6月8日，L-AII软件包安装到了OCS系统。2005年6月至12月，改进后的星历表与滤波模型相继投入使用，详见表2；OCS系统主控站卡尔曼滤波器开始接收来自于NGA监测站的数据。　　环境模型与卡尔曼滤波器的改进有效地提升了GPS系统对相关误差源的修正精度，优化了零数据龄数据，提高了轨道和星历的预报精度，从而改善了GPS系统用户服务性能。L-AII项目前后卡尔曼滤波器用户测距误差见表3。<center>[attach][/attach]

</center>　　2、引入NGA监测站　　NGA监测站的引入是分步实施的。2005年8月19日到9月9日，首先完成了6个NGA监测站的引入，建立了与上述跟踪监测站GPS运行控制段建立了专用通信链路。　　从2006年9月开始，陆续引入了位于新西兰、南非、韩国、阿拉斯加费尔班克斯和塔希提岛的5个NGA监测站。至此，成功地将11个NGA的GPS系统运行控制段网络，使GPS系统可用跟踪监测站的数量达到17个，极大地改善了运行控制段GPS卫星的跟踪与监测能力。　　选择NGA跟踪监测站的重要原则是改善跟踪监测站对GPS卫星的覆盖，即增加在同一时间、可跟踪、监测同一颗GPS卫星的跟踪监测站的数量，改善GPS卫星及导航信号的监测能力。这对于改善GPS系统的运行、控制，以及提升服务性能非常重要。NGA跟踪监测站的引入改善了GPS卫星的跟踪监测能力、星历精度，提高了GPS系统性能。2006年11月至2007年6月，美国空军对L-AII项目的效果进行了评估。　　结果表明：　　1）每颗GPS卫星至少处于3个跟踪监测站可见范围内的时间超过99%，详见图2；　　2）零数据龄（ZAOD）用户测距误差从46cm减小为27cm；　　3）空间信号用户测距误差从1.25m减小为1.05m，详见表5、表6。<center>

</center>　　L-AII项目于2008年全部完成，主要解决了整合美国GPS系统跟踪监测资源与能力，引入隶属于NGA的GPS跟踪监测站，并通过改进运行控制段模型、算法和卡尔曼滤波器的性能，改善了GPS系统的用户服务服务性能，空间信号（SIS）用户测距误差（URE）从2001年的1.6m，减小到2008年的1.0m，并为GPS系统运行控制段AEP阶段的实施奠定了基础。　　（二）体系结构演进计划（AEP）　　AEP是GPS系统运行控制段现代化计划中承上启下的重要阶段，是从OCS向OCX演进的过渡阶段，其最重要的变化是从大型主控计算机控制结构向分布式IT网络控制结构的转变，这种控制结构的转变构成了未来OCX阶段建设与发展的基础。AEP计划的主承包商为波音公司，总投入约11亿美元。　　AEP计划的目标是：满足运行、管理多达32颗GPS卫星（包括GPS-2F卫星）的要求；实现由中央主控计算机控制结构转变为分布式IT网络控制结构的转变，建设备份主控站与主控站网络控制中心，提升运行控制段的安全性、可靠性与灵活性；引入美国空军卫星控制网地面天线，增强了数据传输能力。　　由大型主控计算机控制结构向分布式IT网络控制结构的转变是AEP计划的核心，且这种转变必须在保证GPS系统与服务正常运行的条件下完成，是AEP计划中风险最大的阶段。因此，美国空军与主承包商波音公司制订了详细的测试、检查与评审程序，以保证在转换前最大限度地发现问题，将转换的风险降至最低，见图3。在完成、并通过全部测试与审查后，AEP的转换于2007年9月10日启动。<center>

</center>　　美国空军实施AEP转换的原则是：“安全、快捷”。为此，美国空军与波音公司共同制订了“增强分阶段运行转换”（EPOT）计划，以保证转换活动的顺利完成。EPOT计划将从OCS到AEP的转换分为4个阶段，分别为阶段0至阶段3。<center>

</center>　　AEP转换后，GPS系统运行控制段已经具有运行、管理32颗在轨卫星的能力，但当GPS系统在轨运行卫星达到或超过30颗时，则很难满足卫星发射与入轨、异常情况处置、备份及卫星退役管理等方面的要求。为此，在实施AEP计划的同时，美国空军还实施了一项名为“发射、入轨、异常情况处理与运行处置”（LADO）的计划，旨在提升GPS系统运行控制段的综合能力。LADO项目投资约1亿美元，于2007年10月引入GPS系统运行控制段。　　在完成了OCS向AEP＋LADO的转换后，美国空军与波音公司对AEP＋LADO系统进行了多次软件、硬件的升级，其中重要节点见表9。<center>

</center>　　2012年底，AEP计划全部完成，并通过了美国空军组织的验收，AEP计划完成后的GPS系统运行控制段见图4。AEP计划完成后的GPS系统运行控制段的卫星运行控制与管理能力变化见表10。<center>

</center>　　三、新一代运行控制段（OCX）　　OCX是GPS系统运行控制段现代化改造的最后阶段，其目标是全面满足现代化的GPS系统空间段的运行、控制与管理要求，实现GPS系统运行控制段能力与性能的全面提升。2007年11月美国空军将两个合同OCX分别授予了诺斯罗普格鲁曼和雷声公司，每个合同价值1.6亿美元，开展为期18个月的系统设计与审查，以及现代化能力工程模型的研究与开发，以最终确定OCX系统方案。OCX系统的核心需求与能力详见表11。<center>

</center>　　（一）OCX计划　　为降低OCX系统的研发风险，OCX计划采取循序渐进的策略，分四个阶段实施，将任务、目标分解至各个阶段，最终实现OCX计划的目标，详见图5。如何解读OCX各阶段的任务与目标的选择，以及OCX各阶段将给GPS系统运行控制段带来的能力变化，分析如下。　　1、OCX Block 1（以下简称OCX 1）　　首先，AEP系统是OCX 1发展的基础，拥有AEP系统的全部能力是必然的选择。　　第二，按计划，首颗GPS-3A卫星将2014年发射，但AEP系统并不具备GPS-3A卫星发射与运行控制与管理的能力。因此，必须尽早完成OCX 1的转换，满足GPS-3A卫星的发射与运行管理的需求。　　第三，OCX系统体系结构建设的任务是支持导航战能力的全球网络操作中心的要求。<center>

</center>　　2、OCX Block 2（以下简称OCX 2）　　OCX 2阶段选择支持L1C、L5民用信号和M码军用信号的监测与控制，并支持其投入使用原因包括；1）在OCX 1的支持下，M码军用信号的测试基本完成，且具有播发M码信号的在轨卫星数量基本达到要求，尽早发挥M码军用信号的效能；2）虽然具有播发L1C和L5（增强民用航空导航安全的信号，GPS-2F卫星开始拥有）信号能力的卫星数量仍不足，但可尽早发挥L1C和L5信号的效能。　　3、OCX Block 3（以下简称OCX 3）　　OCX 3以OCX 2为基础，除具有OCX 2的全部能力外，新增加的能力用于支持GPS-3B卫星及其新增功能，包括Ka频段的星间与星地链路、新的高速上下行链路。　　4、OCX Block 4（以下简称OCX 4）　　OCX 4以OCX 3为基础，除具有OCX 3的全部能力外，新增加的能力用于支持GPS-3C卫星及其新增功能，包括点波束增强和GPS导航信号的完好性监测。　　现代化计划完成后，GPS系统（GPS-3卫星＋OCX）的用户定位精度将达到0.5m，授时精度达到1.2ns。现代化后GPS系统空间段与运行控制段（GPS-3卫星＋OCX）见图6。<center>

</center>　　（二）OCX计划进展情况　　2010年2月，美国空军将OCX第1与第2阶段（Block 1、Block 2）的研发合同授予了雷声公司，合同金额8.86亿美元，加上其它选项，则合同总额超过15.3亿美元。　　赢得OCX 1与OCX 2阶段的合同后，雷声公司即在其开展的OCX系统需求定义与风险降低等研究成果的基础上，全面开展了OCX系统的研发工作。截至2013年9月，OCX 1阶段已经取得了重要进展[16],[17],[18],[19],[20],[21] （详见表12），特别是按计划需进行5次的GPS-3A卫星＋OCX 1发射演练已成功完成3次，标志着OCX 1的发展已接近成熟。<center>

</center>　　OCX 1系统采用面向服务的模块化体系结构（SOA），控制段软件全部重新开发，不使用AEP的相关软件、代码；但在发射、入轨、检查、异常解决方案和最终处置等方面部分采用原LADO的软件与代码。OCX 1系统软件采用C＋＋和JAVA语言编写，在增加众多控制与管理功能的前提下，软件语句数量大幅度降低。OCX 1系统软件采取模块化设计的方法和商用软件成熟的最佳迭代开发程序，每个模块可以进行单独的调试与测试，可提前发现软件设计中的问题，降低软件与系统集成的风险。同时，OCX 1系统软件开发分为7个步骤（或称为7次迭代），逐步增加软件的控制功能，以进一步降低软件开发与集成的风险。　　美国空军计划于2016年中期完成GPS系统运行控制段从OCS向OCX 1的转换，并增加M码军用的运行控制能力。然而，美国国会问责署（GAO）2015年3月12日发布的“国防采购——武器项目选择性评估”（DEFENSE ACQUISITIONS – Assessments of Selected Weapon Program）报告却对GPS-III与OCX计划的发展持悲观的态度，GAO认为：新的拖延将伴随GPS-III与OCX的发展，并将进一步导致成本的增加。　　GAO认为：与原计划相比，OCX的研发拖延已经超过了2年，且在2014年7月完成目标基线时，研发费用也增加了近一倍。GAO已经将OCX 1投入初始运行的时间推迟至2018年11月，将OCX 2投入初始运行的时间则推迟到了2019年11月。　　GAO的评估报告称：按照空军与雷神公司观点，OCX计划拖延和成本增长的主要原因包括：在OCX的发展初期，对OCX系统的信息保障能力和赛博安全保护没有一个全面、完整的定义，而在实际研发过程中，其程度和复杂性远高于最初的认识。　　四、结束语　　根据美国GPS系统运行控制段现代化改造的进程与目前的进展情况，我们可以看出：运行控制段性能与能力的提升对于提高、改善卫星导航系统的服务性能与能力具有重要作用；同时，运行控制段的改进具有风险大、技术难度高、投入大等特点。因此，随着卫星导航系统的发展，其运行控制段的改造是必须进行，但又必须谨慎、稳妥的推进。2014年4月，俄罗斯GLONASS系统运行控制段软件升级曾导致GLONASS系统服务中断超过11小时，就是对卫星导航系统运行控制段改造风险问题的很好诠释。　　随着北斗系统的发展，以及运行控制经验的积累，北斗系统运行控制段的改造不可避免。这即是北斗系统发展的需要，也是提升北斗系统服务性能与能力，提升北斗系统运行管理水平与全球卫星导航市场竞争能力的必然结果。美国GPS系统运行控制段现代化计划及其实施进程可为北斗系统运行控制段的建设与未来发展提供有益的借鉴与参考。

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