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【學(xué)術(shù)plus2021新春大禮包】|2019學(xué)術(shù)大禮包丨加入學(xué)術(shù)plus丨2018學(xué)術(shù)大禮包丨2017不可以錯過的重磅報告?zhèn)?/a> GPS現(xiàn)代化計劃旨在保持未來30年內(nèi)美國在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上的優(yōu)勢地位,，改進(jìn)GPS的總體性能，推動美國的國家政策,，具體而言其將通過在空間段,、地面控制段和用戶段進(jìn)行相應(yīng)升級，并提供軍用M碼能力,，全面增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的信號體制,，提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能及與其它系統(tǒng)的兼容互操作能力。 本文將結(jié)合2022年5月9日美國問責(zé)局的報告《GPS現(xiàn)代化——及時部署軍事用戶設(shè)備需要完整準(zhǔn)確的信息和詳細(xì)的測試計劃》,，從芯片,、M碼、接收機(jī)以及配屬數(shù)據(jù)庫的角度分析GPS現(xiàn)代化的現(xiàn)狀,、問題以及相關(guān)的解決措施,。
圖1 GAO最新GPS現(xiàn)代化報告
編譯：學(xué)術(shù)plus觀察員 李川2.總體情況： ①空間段：GPS III ②地面控：制段下一代運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCX） 3.M碼用戶設(shè)備以及PNT數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀和問題 ①ASIC是關(guān)鍵增量（美國國防后勤局正批量購買近100萬塊芯片,，陸軍在批量購買的基礎(chǔ)上采購了大約20萬個ASIC芯片），問題如：開發(fā)延遲,、功率和熱量問題 ②M碼卡和接收機(jī)：解碼不準(zhǔn)確，實驗和應(yīng)用延遲 4.解決途徑：整體考慮項目風(fēng)險并確定應(yīng)對措施,；及時部署和完善M碼卡的相關(guān)測試和鑒定試驗,；及時完善PNT數(shù)據(jù)庫
美國商業(yè)太空七大領(lǐng)域最新現(xiàn)狀,！技術(shù)能力及市場全解析 美最新'三駕馬車'方案詳解！全球競爭時代下如何增強(qiáng)PNT體系韌性 美國太空司令部發(fā)布《商業(yè)衛(wèi)星整合戰(zhàn)略》 太空軍事化已不可逆轉(zhuǎn),！六類太空域裝備如何影響未來戰(zhàn)爭 GPS由三個部分組成：空間段、地面控制段和用戶段,。自2000年以來,，空軍和太空軍花費數(shù)十億美元旨在對GPS的三個部分進(jìn)行現(xiàn)代化改造，以提供新信號,，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全,，并應(yīng)對已知和新出現(xiàn)的威脅。GPS現(xiàn)代化的核心是開發(fā)軍用M碼增強(qiáng)當(dāng)前系統(tǒng),，其將通過使用更強(qiáng)大的信號和更寬的無線電頻率范圍,，幫助軍事用戶GPS信號的免受干擾；并通過加密信號來增強(qiáng)對虛假GPS信號的保護(hù)以應(yīng)對欺騙問題,。 圖2 GPS三大組成部分 M碼的升級配套工作分別需要在空間段,、地面控制段和用戶段進(jìn)行。 2.1 空間段  圖3 GPS IIIF衛(wèi)星 2.2 地面控制段  OCX Block 0將提供發(fā)射和檢驗系統(tǒng)，并支持GPS III衛(wèi)星的初始測試,，并提供現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全能力,，空軍于2017年10月接管。 OCX Block 1和OCX Block 2將為前代衛(wèi)星和GPS III衛(wèi)星提供指揮和控制,，對當(dāng)前和現(xiàn)代化信號進(jìn)行監(jiān)測和控制,，以及具備全面M碼廣播能力。OCX Block 3F將升級OCX能力,，以控制和使用GPS IIIF空間段和軍用GPS用戶設(shè)備增量2能力,。 2.3 用戶段 國防部計劃在大約700種不同類型的武器系統(tǒng)上升級M碼用戶設(shè)備，如飛機(jī),、地面戰(zhàn)車,、艦船和其他設(shè)備。這些服務(wù)將為系統(tǒng)配備現(xiàn)代化的、支持M碼的GPS接收機(jī),。最終,，國防部購買的GPS接收機(jī)總數(shù)可能接近100萬臺，覆蓋這700種武器系統(tǒng),。 GPS用戶設(shè)備由三個關(guān)鍵部分組成,，包括一個微電子電路芯片（ASIC）、一個使用該芯片的卡（M碼卡）和一個提供M碼卡能力的接收機(jī)（M碼卡接收機(jī)）,。GPS現(xiàn)代化的一個關(guān)鍵因素是開發(fā)專用集成電路（ASIC）,，其可使用戶設(shè)備能夠解碼和處理GPS信號。生產(chǎn)GPS接收卡的三家承包商（雷聲公司,、BAE系統(tǒng)公司和L3哈里斯公司）將芯片集成到M碼卡中,，將M碼和其他GPS信號轉(zhuǎn)換為PNT信息。然后,，將M碼卡集成到一個接收機(jī)中,，并提供與主機(jī)武器系統(tǒng)的接口，使PNT信息能夠及時傳遞給用戶,。  M碼用戶設(shè)備以及PNT數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀 3.1 ASIC ASIC芯片生產(chǎn)是MGUE增量1發(fā)展的關(guān)鍵,。但其唯一制造商格芯（Global Foundrics）正在逐步淘汰這些芯片，因為更先進(jìn)的技術(shù)正在主導(dǎo)當(dāng)今微電子商業(yè)市場,。MGUE增量1的M碼卡及其衍生卡需要專門為其設(shè)計ASIC,。為了滿足國防部2028年M碼設(shè)備集成和部署要求，需要確保有足量的ASIC芯片,，美國國防后勤局（DLA）正在批量購買近100萬塊芯片,。而陸軍則在批量購買的基礎(chǔ)上采購了大約20萬個ASIC芯片。 另外,，開發(fā)新一代ASIC則是MGUE增量2的重點內(nèi)容。其可與更緊湊的M碼卡配對,。目前L3哈里斯公司,、BAE系統(tǒng)公司和雷聲科技公司都在進(jìn)行MGUE增量2卡的開發(fā)，并且2021年完成了對每個承包商的下一代ASIC的初步設(shè)計審查,。 3.2 M碼卡 MGUE增量1將開發(fā)兩種類型的卡,，一是用于地面平臺系統(tǒng)，稱為陸用M碼卡,；另一種用于空中和海上平臺系統(tǒng),，稱為空/海用M碼卡。目前由三家公司承擔(dān)共計五型板卡的設(shè)計開發(fā)工作,。L3哈里斯公司獲得了開發(fā)陸用M碼卡的合同,，而BAE系統(tǒng)公司和雷聲科技公司獲得了開發(fā)陸用M碼卡和空/海用M碼卡的合同。同時每個承包商同時還在開發(fā)相關(guān)M碼卡的衍生卡用于特殊應(yīng)用，其使用相同的ASIC芯片和大部分相同的軟件,，而其大小,、技術(shù)能力和安全架構(gòu)各不相同。M碼卡需要滿足相應(yīng)軍種的作戰(zhàn)測試才能實現(xiàn)后續(xù)應(yīng)用,。 MGUE增量1原本預(yù)計第一張陸用M碼卡和第一張空/海用M碼卡完成陸軍,、空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊選擇的配裝武器系統(tǒng)（分別為陸軍斯特瑞克裝甲車,、空軍B-2轟炸機(jī),、海軍阿里博克驅(qū)逐艦、海軍陸戰(zhàn)隊聯(lián)合輕型陸戰(zhàn)車）的作戰(zhàn)測試后宣告研制成功,。然而由于開發(fā)延遲,、項目成本上升以及承包商M碼卡研制戰(zhàn)略和生產(chǎn)計劃變化，相關(guān)研發(fā)和試驗計劃正在大幅度滯后,。  3.3 M碼卡接收機(jī) 目前正在采購或開發(fā)幾種不同型號的基于MGUE增量1的M碼接收機(jī),，可滿足在陸海空等不同作戰(zhàn)域系統(tǒng)的不同需求,，并可處理M碼以及來自其他傳感器或設(shè)備的PNT信息,。武器系統(tǒng)的接收機(jī)開發(fā)工作依靠太空軍提供功能齊全的M碼卡，以便進(jìn)行開發(fā)和作戰(zhàn)測試,。此外,，各軍種正在確定將其部署在數(shù)百個武器系統(tǒng)上的現(xiàn)代化接收機(jī)，并進(jìn)行集成和測試,，其將配備GPS現(xiàn)代化接收能力,。 在MGUE增量2中的一項重點內(nèi)容是研制開發(fā)一種現(xiàn)代化的手持式GPS接收機(jī)，可供所有軍事部門使用,，開發(fā)分為兩個階段,。第一階段包括設(shè)計降低風(fēng)險的原型，第二階段包括手持接收機(jī)的開發(fā),。第一階段于2019年開始,，太空軍預(yù)計第二階段將于2025年年中開始。 3.4 PNT數(shù)據(jù)庫 國防部首席信息官（CIO）辦公室于2015年建立了一個數(shù)據(jù)庫,，以跟蹤M碼的開發(fā)和整合,，稱為PNT數(shù)據(jù)庫。PNT監(jiān)督委員會使用該數(shù)據(jù)庫來跟蹤M碼集成和現(xiàn)場部署的進(jìn)展情況,。該數(shù)據(jù)庫還提供了使用GPS的系統(tǒng)的清單,，并計劃過渡到M碼，數(shù)據(jù)庫中的信息為提交給國會國防委員會的各種報告提供了支持,。CIO負(fù)責(zé)維護(hù)PNT數(shù)據(jù)庫,，而軍事部門負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。各服務(wù)級別辦公室負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫。
盡管在解決空/海用M碼卡的缺陷方面取得了進(jìn)展，但該卡最終測試將比最初計劃延遲3年以上完成,。這是因為重大技術(shù)挑戰(zhàn)導(dǎo)致的,，并由此增加了1.64億美元的費用。其中一個重大問題是發(fā)現(xiàn)在B-2和阿里博克驅(qū)逐艦平臺上,，接收機(jī)不能正確解析M碼的授時信號,。另外在空海平臺上部署足夠數(shù)量的M碼用戶設(shè)備并形成能力仍然尚需時日,。 MGUE增量2的M碼卡由于太空軍增加了技術(shù)要求，并將審查推遲了6到9個月,，使項目目前僅僅完成了功能審查,，正處于初步設(shè)計審查的階段，但新加的技術(shù)要求可能會使承包商面臨返工的威脅,。 5.1 整體考慮項目風(fēng)險并確定應(yīng)對措施 太空軍系統(tǒng)司令部正在解決M碼交付的風(fēng)險,，其將GPS采購作為一個整體來考慮，而不是僅在空間段,、地面控制段和用戶段的單個采購計劃層面解決風(fēng)險,。這種戰(zhàn)略級的風(fēng)險方法確認(rèn)需要跨項目進(jìn)行協(xié)調(diào)，以向作戰(zhàn)人員提供M碼能力,。具體應(yīng)對措施包括：一是推進(jìn)風(fēng)險管理流程,；二是健全評估標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)應(yīng)對進(jìn)度風(fēng)險；三是促進(jìn)GPS采購項目之間協(xié)調(diào)的組織結(jié)構(gòu),。 5.2 及時部署和完善M碼卡的相關(guān)測試和鑒定試驗 完成M碼卡作戰(zhàn)測試計劃需要提前部署和計劃,，國防部的作戰(zhàn)試驗政策規(guī)定，武器系統(tǒng)項目的主要試驗機(jī)構(gòu)應(yīng)在試驗開始前至少180天向國防部提供有關(guān)早期作戰(zhàn)試驗計劃的簡報,，而未經(jīng)聯(lián)邦民用航空官員批準(zhǔn),，就無法測試GPS用戶設(shè)備的抗干擾和反欺騙能力；另外武器作戰(zhàn)平臺的規(guī)劃和應(yīng)用也相當(dāng)復(fù)雜,。相關(guān)測試若想順利舉行需要提早規(guī)劃,，這個過程可能達(dá)到幾個月的時間。 5.3 及時完善PNT數(shù)據(jù)庫 國防部和陸,、海,、空等軍種應(yīng)保持足額開支支持?jǐn)?shù)據(jù)庫完整性，以保障后續(xù)作戰(zhàn)試驗數(shù)據(jù)的保存和可追溯性,，也可為其他軍種和平臺共享,，以加快其作戰(zhàn)試驗和能力形成的過程。 GPS現(xiàn)代化的核心是對M碼用戶設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計和改造,，但受制于M碼能力研制和部署的滯后,，其形成能力尚需時日。解決問題的核心是盡快確定ASIC的需求和M碼卡的技術(shù)要求,，合理開展M碼卡的相關(guān)集成和作戰(zhàn)試驗,，并推動M碼接收機(jī)集成武器系統(tǒng)的相關(guān)鑒定試驗，并完善相關(guān)PNT數(shù)據(jù)庫,，這樣才能最終實現(xiàn)GPS現(xiàn)代化的愿景,。 參考鏈接：https://www./assets/gao-22-105086.pdf |
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