美军巨资开展GPS现代化改造，仍面临几大核心问题！涉及芯片、M码卡等关键组件！

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GPS现代化计划旨在保持未来30年内美国在卫星导航系统上的优势地位，改进GPS的总体性能，推动美国的国家政策，具体而言其将通过在空间段、地面控制段和用户段进行相应升级，并提供军用M码能力，全面增强GPS系统的信号体制，提升系统的应用性能及与其它系统的兼容互操作能力。

本文将结合2022年5月9日美国问责局的报告《GPS现代化——及时部署军事用户设备需要完整准确的信息和详细的测试计划》，从芯片、M码、接收机以及配属数据库的角度分析GPS现代化的现状、问题以及相关的解决措施。

图1 GAO最新GPS现代化报告

从组件角度看GPS现代化的困境和解决方案

编译：学术plus观察员  李川

本文主要内容及关键词1.背景：美空军太空军巨资开展GPS现代化改造，其核心是开发军用M码

2.总体情况：

①空间段：GPS III

②地面控：制段下一代运行控制系统（OCX）

③用户段：微电子电路芯片（ASIC），一个使用该芯片的卡（M码卡）和一个提供M码卡能力的接收机（M码卡接收机）

3.M码用户设备以及PNT数据库现状和问题

①ASIC是关键增量（美国国防后勤局正批量购买近100万块芯片，陆军在批量购买的基础上采购了大约20万个ASIC芯片），问题如：开发延迟、功率和热量问题

②M码卡和接收机：解码不准确，实验和应用延迟

③PNT数据库：提供系统清单，但在质量、准确性、适配性上存在问题

4.解决途径：整体考虑项目风险并确定应对措施；及时部署和完善M码卡的相关测试和鉴定试验；及时完善PNT数据库

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1.背景

GPS由三个部分组成：空间段、地面控制段和用户段。自2000年以来，空军和太空军花费数十亿美元旨在对GPS的三个部分进行现代化改造，以提供新信号，增强网络安全，并应对已知和新出现的威胁。

GPS现代化的核心是开发军用M码增强当前系统，其将通过使用更强大的信号和更宽的无线电频率范围，帮助军事用户GPS信号的免受干扰；并通过加密信号来增强对虚假GPS信号的保护以应对欺骗问题。

图2 GPS三大组成部分

2.总体情况

总体情况

M码的升级配套工作分别需要在空间段、地面控制段和用户段进行。

2.1 空间段

GPS III以及GPS IIIF卫星将补充并最终取代目前的卫星星座，维持能力并提供新的信号。该星座目前由多代卫星组成。洛克希德·马丁公司是首批10颗GPS III卫星以及随后的22颗GPS IIIF卫星的主承包商。截至2021年6月，太空军接收了5颗GPS III卫星的运行。

图3 GPS IIIF卫星

2.2 地面控制段

下一代运行控制系统（OCX）将取代目前的地面控制系统，升级目前的GPS主控制站以及世界各地的监测站。包括OCX Block 0、OCX Block 1、OCX Block 2。

图4 下一代运行控制系统

OCX Block 0将提供发射和检验系统，并支持GPS III卫星的初始测试，并提供现代网络安全能力，空军于2017年10月接管。

OCX Block 1和OCX Block 2将为前代卫星和GPS III卫星提供指挥和控制，对当前和现代化信号进行监测和控制，以及具备全面M码广播能力。OCX Block 3F将升级OCX能力，以控制和使用GPS IIIF空间段和军用GPS用户设备增量2能力。

2.3 用户段

国防部计划在大约700种不同类型的武器系统上升级M码用户设备，如飞机、地面战车、舰船和其他设备。这些服务将为系统配备现代化的、支持M码的GPS接收机。最终，国防部购买的GPS接收机总数可能接近100万台，覆盖这700种武器系统。

GPS用户设备由三个关键部分组成，包括一个微电子电路芯片（ASIC）、一个使用该芯片的卡（M码卡）和一个提供M码卡能力的接收机（M码卡接收机）。GPS现代化的一个关键因素是开发专用集成电路（ASIC），其可使用户设备能够解码和处理GPS信号。生产GPS接收卡的三家承包商（雷声公司、BAE系统公司和L3哈里斯公司）将芯片集成到M码卡中，将M码和其他GPS信号转换为PNT信息。然后，将M码卡集成到一个接收机中，并提供与主机武器系统的接口，使PNT信息能够及时传递给用户。

图5 GPS M码用户设备示意图

3.PNT数据库

M码用户设备以及PNT数据库现状

3.1 ASIC

ASIC芯片生产是MGUE增量1发展的关键。但其唯一制造商格芯（Global Foundrics）正在逐步淘汰这些芯片，因为更先进的技术正在主导当今微电子商业市场。MGUE增量1的M码卡及其衍生卡需要专门为其设计ASIC。为了满足国防部2028年M码设备集成和部署要求，需要确保有足量的ASIC芯片，美国国防后勤局（DLA）正在批量购买近100万块芯片。而陆军则在批量购买的基础上采购了大约20万个ASIC芯片。

另外，开发新一代ASIC则是MGUE增量2的重点内容。其可与更紧凑的M码卡配对。目前L3哈里斯公司、BAE系统公司和雷声科技公司都在进行MGUE增量2卡的开发，并且2021年完成了对每个承包商的下一代ASIC的初步设计审查。

3.2 M码卡

MGUE增量1将开发两种类型的卡，一是用于地面平台系统，称为陆用M码卡；另一种用于空中和海上平台系统，称为空/海用M码卡。目前由三家公司承担共计五型板卡的设计开发工作。L3哈里斯公司获得了开发陆用M码卡的合同，而BAE系统公司和雷声科技公司获得了开发陆用M码卡和空/海用M码卡的合同。同时每个承包商同时还在开发相关M码卡的衍生卡用于特殊应用，其使用相同的ASIC芯片和大部分相同的软件，而其大小、技术能力和安全架构各不相同。M码卡需要满足相应军种的作战测试才能实现后续应用。

MGUE增量1原本预计第一张陆用M码卡和第一张空/海用M码卡完成陆军、空军、海军和海军陆战队选择的配装武器系统（分别为陆军斯特瑞克装甲车、空军B-2轰炸机、海军阿里博克驱逐舰、海军陆战队联合轻型陆战车）的作战测试后宣告研制成功。然而由于开发延迟、项目成本上升以及承包商M码卡研制战略和生产计划变化，相关研发和试验计划正在大幅度滞后。

图6 相关M码卡及配属应用情况

3.3 M码卡接收机

目前正在采购或开发几种不同型号的基于MGUE增量1的M码接收机，可满足在陆海空等不同作战域系统的不同需求，并可处理M码以及来自其他传感器或设备的PNT信息。武器系统的接收机开发工作依靠太空军提供功能齐全的M码卡，以便进行开发和作战测试。此外，各军种正在确定将其部署在数百个武器系统上的现代化接收机，并进行集成和测试，其将配备GPS现代化接收能力。

在MGUE增量2中的一项重点内容是研制开发一种现代化的手持式GPS接收机，可供所有军事部门使用，开发分为两个阶段。第一阶段包括设计降低风险的原型，第二阶段包括手持接收机的开发。第一阶段于2019年开始，太空军预计第二阶段将于2025年年中开始。

3.4 PNT数据库

国防部首席信息官（CIO）办公室于2015年建立了一个数据库，以跟踪M码的开发和整合，称为PNT数据库。PNT监督委员会使用该数据库来跟踪M码集成和现场部署的进展情况。该数据库还提供了使用GPS的系统的清单，并计划过渡到M码，数据库中的信息为提交给国会国防委员会的各种报告提供了支持。CIO负责维护PNT数据库，而军事部门负责输入数据并确保数据的准确性。各服务级别办公室负责将数据输入数据库。

4.存在问题

目前GPS现代化的总体情况是空间段接近M码广播的全部操作能力，地面控制段预计将在2023年初获得全部M码能力，而用户段M码用户设备进度依然大幅度滞后。因此目前的主要问题主要集中在MGUE设备和M码卡上，下面分四个层面进行分析。

4.1 ASIC

目前，MGUE增量1的开发延迟增加了批量购买增量1的ASIC是否足以支持这些服务的不确定性。批量购买增量1的ASIC的目的是在2028年前满足国防部的需求，或者用于增量2的ASIC可与M码卡集成。但由于ASIC是提早采购，并未考虑M码卡的实际需求以及其是否能准确反映所有系统的要求，并且其跨系统兼容性也有待检验。MGUE增量2方面，目前完成了下一代ASIC的初步设计审查，但是所有的承包商都有一个共性的问题，即功率和热量，这是一个已知的重大风险，将影响后续的进度。

4.2 M码卡

MGUE增量1于2021年完成了陆用M码卡的测试，并在确定和解决空/海用M码卡的缺陷方面取得了进展。相关进展如下：

• 在陆用M码卡方面，2021年9月，海军陆战队完成了对联合轻型陆战车的现场用户评估，一旦测试结果被认定通过，将尽快进行部署。

• 在空/海用M码卡方面，解决了之前发现的一半以上的缺陷，并截至2021年11月前验证了其84%的技术要求。雷声公司在2021年11月交付了更新的软件，有望满足剩余技术要求，确保在B-2和阿里博克驱逐舰平台上初步集成。

尽管在解决空/海用M码卡的缺陷方面取得了进展，但该卡最终测试将比最初计划延迟3年以上完成。这是因为重大技术挑战导致的，并由此增加了1.64亿美元的费用。其中一个重大问题是发现在B-2和阿里博克驱逐舰平台上，接收机不能正确解析M码的授时信号。另外在空海平台上部署足够数量的M码用户设备并形成能力仍然尚需时日。

MGUE增量2的M码卡由于太空军增加了技术要求，并将审查推迟了6到9个月，使项目目前仅仅完成了功能审查，正处于初步设计审查的阶段，但新加的技术要求可能会使承包商面临返工的威胁。

4.3 M码卡接收机

M码卡研制和测试的延误，使得各军种的M码接收机的试验和应用相应推迟。

陆军选择为地面车辆、士兵和弹药开发一些不同的M码接收机，其采用多PNT接收机，使用M码衍生卡，包括车辆可靠定位导航授时系统（MAPS）、单兵定位导航授时系统（DAPS）。另外，陆军预计将在2022年财政年度结束时完成M码装备的精确制导弹药的开发测试。另外其正计划使用各种衍生卡，为其他弹药和发射器提供M码能力。

空/海用M码卡的延迟影响了两个军种接收机的研发、试验和应用过程。空军小型机载GPS接收机2000-现代化（MagR-2K-M）接收机的研制计划已经推迟了近4年。海军的基于GPS的定位、导航和授时服务（GPNTS）也将使用空/海用M码卡，但其预计将于该卡通过相关鉴定试验后再集成使用。预计这两个军种形成M码能力尚需时日。

4.4 PNT数据库

当前PNT数据库中基于M码现代化的信息是不完整的、且质量和准确性也存在问题，包括目前配试使用的四个武器系统平台的信息。该数据库包括各种系统将使用的GPS接收机的类型和数量；按财政年度划分的预计预算请求；以及采购、集成和部署的预计日期等字段。然而，数据库中的许多字段都是空白的，截至2021年12月几乎所有优先武器系统都至少有一些空白的预算信息，40%没有关于所需接收机类型的信息，25%没有集成日期。而数据库中数据不完整的主要原因是MGUE增量1的延迟。另外对于数据库中信息的完整性和质量或准确性的关切源于缺乏正式和全面的数据验证。

5.解决途径

5.1 整体考虑项目风险并确定应对措施

太空军系统司令部正在解决M码交付的风险，其将GPS采购作为一个整体来考虑，而不是仅在空间段、地面控制段和用户段的单个采购计划层面解决风险。这种战略级的风险方法确认需要跨项目进行协调，以向作战人员提供M码能力。具体应对措施包括：一是推进风险管理流程；二是健全评估标准化指标应对进度风险；三是促进GPS采购项目之间协调的组织结构。

5.2 及时部署和完善M码卡的相关测试和鉴定试验

完成M码卡作战测试计划需要提前部署和计划，国防部的作战试验政策规定，武器系统项目的主要试验机构应在试验开始前至少180天向国防部提供有关早期作战试验计划的简报，而未经联邦民用航空官员批准，就无法测试GPS用户设备的抗干扰和反欺骗能力；另外武器作战平台的规划和应用也相当复杂。相关测试若想顺利举行需要提早规划，这个过程可能达到几个月的时间。

5.3 及时完善PNT数据库

国防部和陆、海、空等军种应保持足额开支支持数据库完整性，以保障后续作战试验数据的保存和可追溯性，也可为其他军种和平台共享，以加快其作战试验和能力形成的过程。

结 语

GPS现代化的核心是对M码用户设备进行了设计和改造，但受制于M码能力研制和部署的滞后，其形成能力尚需时日。解决问题的核心是尽快确定ASIC的需求和M码卡的技术要求，合理开展M码卡的相关集成和作战试验，并推动M码接收机集成武器系统的相关鉴定试验，并完善相关PNT数据库，这样才能最终实现GPS现代化的愿景。

（全文完）

参考链接：https://www.gao.gov/assets/gao-22-105086.pdf

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