堅韌性是GPS新考驗的關鍵

         堅韌性（或曰堅強性）是相對于脆弱性而言的，這是一對意涵相反的詞組。在過去的一年間，在美國空軍的空間社區(qū)討論最多的主題一直是“堅韌性”問題。這實際上意味著大家希望弄清楚什么是堅韌性？美國空軍如何增強太空能力的堅韌性？美國GPS董事局總裁史蒂文惠特尼上校，對于這些問題談了他們的想法。

        GPS董事局對于定位、導航和授時服務的堅韌性問題進行了認真和很長時間的思考，可以很高興地報告說，在過去的一年里已經(jīng)取得了重大進展，業(yè)已將新一代PNT技術接近變?yōu)楝F(xiàn)實。更重要的是，給空間、地面和用戶設備研發(fā)投資者帶來了實實在在的好處，也為全世界提供了更具堅韌性的PNT服務。同時還破解了提供現(xiàn)代化的軍民兩用GPS信號的關鍵難題。著眼于更遠的將來，美國空軍已經(jīng)在探索潛在的新技術，并有能力進一步推進GPS產(chǎn)業(yè)的魯棒性，其愿景是希望GPS永遠保持在全球PNT領域中的“黃金標準”地位。

        堅韌性從信號開始。現(xiàn)代化的GPS信號將會是堅韌PNT整體解決方案第一難題。GNSS業(yè)界早就預料并盼望多GNSS時代的到來。GPS董事局已經(jīng)利用新的L1C信號設計來應對接受了這一未來，并且會通過GNSS的兼容互操作開展全面合作。這一新的信號設計將大大改善在城市和其他挑戰(zhàn)性環(huán)境下的GPS信號接收性能。另一個重要的GPS信號是由GPS IIF衛(wèi)星開始引入的L5信號，它是專門設計為了滿足生命安全的交通運輸和其它高性能應用的苛刻要求。該信號廣播所在的無線電頻段，是專門為航空安全服務保留的，以確保它具有最佳的頻譜保護。以上所說的這兩個新增信號在一起，能夠更大地改進全球民用用戶的PNT堅韌性。改進堅韌性的其他措施已經(jīng)集成到現(xiàn)有信號之中并加以實施。例如，L2C信號，在雙頻接收機將它與L1 C / A結合在一起，從而啟用電離層誤差修正，以改善定位和授時精度。對于軍用，GPS董事局一直專注于引入軍碼（M碼）進行運作。該M碼信號性能特性具有先進的防干擾堵塞、防電子欺騙和加密功能，將為美國及其盟友提供確保堅韌性和可靠性的PNT解決方案。為推出這一可操作的M碼能力，實際上涉及到GPS系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)的各個細分部分，會影響到未來的很長時間，2017年GPS董事局終于在這方面取得了重大進展。

        空間星座段的堅韌性。GPS空間段下一步將邁向更有堅韌性的PNT整體架構。GPS星座保持其魯棒性和健康狀態(tài)（有的衛(wèi)星業(yè)已老化，但是仍然健康），擁有31顆可用衛(wèi)星提供全球覆蓋服務。GPSIII衛(wèi)星將帶來額外的魯棒性，與前幾代衛(wèi)星相比增加的功率和精度。2018年將發(fā)射第一顆GPS III衛(wèi)星，標志著GPS空間段向前邁進了一大步。同樣重要的是，其余十顆衛(wèi)星的生產(chǎn)也正在全面展開中。最為重要的是GPS IIIF的提出，它是GPSIII進一步走向未來的后續(xù)計劃。GPS董事局正在做這方面的準備部署工作。美國空軍將增加新的堅韌性功能作為重要考慮要素，建議通過加入可編程數(shù)字有效載荷增強信號的靈活性，通過利用區(qū)域的軍用保護能力增強抗干擾和防攻擊性能支持。在未來幾年間，隨著后續(xù)的GPSIII衛(wèi)星加入星座，和L1C，L2C，L5和M碼信號互補充操作，將會給GNSS帶來革命性的變革。

        地面運控段的堅韌性。GPS運控段的堅韌性與衛(wèi)星星座同樣重要，運控段也是GPS系統(tǒng)的整體堅韌性不可或缺的組成部分。提高網(wǎng)絡安全和保證真實可信度不可能等到新一代的運控系統(tǒng)（OCX）的交付使用。為此目的，GPS董事局的重點落在高效益地更新現(xiàn)有的操作系統(tǒng)。例如，通過監(jiān)視臺站技術改進和能力（MSTIC）接收機計劃項目，采購并部署基于軟件的GPS監(jiān)視臺接收機，取代現(xiàn)有的趨于老齡化的監(jiān)測臺站接收機。MSTIC接收機設計將方便添加更多的功能，如M碼信號監(jiān)測，甚至還有民用的L1C、L2C和L5信號監(jiān)控。GPS董事局還部署了新的網(wǎng)絡安全監(jiān)控套件，以提高網(wǎng)絡安全防御能力。這個新套件目前正運行在GPS 主控站（MCS）上。除了改善網(wǎng)絡保護，美國空軍也走出了幾個OCX 跳躍步，以支持發(fā)射和GPS III衛(wèi)星的操作，并進一步降低了OCX延遲帶來的風險。應急行動（COPS）程序修改了現(xiàn)有的運控系統(tǒng)（OCS），允許第一個GPS III衛(wèi)星加入運作星座?？哲娨舶l(fā)起了一個同伴程序，進一步更新OCS提供有限的M碼操作，實現(xiàn)M碼早期使用（MCEU）。以上兩個程序一起，可提供一系列關鍵性臨時措施，實現(xiàn)具有更強堅韌性的星座。OCX程序提供最終的網(wǎng)絡保護和GPS系統(tǒng)所需的確保性。在今年程序重新認證后事實表明，該方案重點已經(jīng)集中在改進的軟件系統(tǒng)工程，并擁抱軟件行業(yè)最好的實踐，如采用開發(fā)操作（DevOps）和更大的軟件自動化。該程序甚至還利用亞馬遜網(wǎng)絡服務（Web Services）的政府云（Gov't Cloud）功能，提供更加快速的研發(fā)和測試環(huán)境。雖然程序還有很長的路要走，政府和總承包商（雷神公司）都致力于確保交付一個強大和安全的地面基礎設施。

        用戶設備段的堅韌性。這是堅韌性最后一個難題，主要還是對于軍事用戶設備而言。GPS董事局在推進第一批現(xiàn)代化接收機板卡方面做了巨大努力，旨在服務于軍用GPS用戶設備（MGUE）增量-1計劃。這些高級板卡將啟用跨美國國防部融合平臺，利用新的M碼信號，在強化抗干擾和防欺騙能力方面提供了巨大的推動力。它們也將提供最新的密碼學技術以確保美國及其盟友安全和魯棒性保護。同時在進行的還有，美國國防部正在評估MGUE增量-2計劃的額外能力和平臺形式。目前設想解決精確制導彈藥、空間接收機和現(xiàn)代化的手持設備單元，增量-2方案將正在制定明年的一項采購計劃，要進一步推動M碼信號在整個軍事部門與系統(tǒng)中的應用。對用戶設備未來的考慮是，探索多GNSS信號處理方法。至今沒有做出決定，GNSS可以提供機會甚至額外的堅韌性。

        堅韌性研究結論。對GPS事業(yè)來說，目前是個激動人心的時刻。我們站在新一代能力發(fā)展的風口浪尖上，將迎來PNT堅韌性和魯棒性大大增加的發(fā)展期。在世界各地召開的許多GNSS和PNT會議上，人們會驚訝地發(fā)現(xiàn)科研工作質量有明顯的提升，既興奮又謙卑地看到GNSS業(yè)界，以不斷創(chuàng)新的方式提高精度、完好性、可用性和連續(xù)性性能。同樣，人們在承諾并找到新的、創(chuàng)新的方法，提供具有魯棒性和堅韌性PNT服務全球應用。