軍事科技

美國GPS的更新與能力
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2023.03.02
作者
周若敏
中共政軍與作戰概念研究所 周若敏 政策分析員

關鍵字:GPS、下一代操作控制系統
(本評析內容及建議,屬作者意見,不代表財團法人國防安全研究院立場)


美國洛克希德馬丁公司上周交付了第10顆GPS III衛星,在建造的10顆衛星中,有6顆已經發射、4顆等待中,GPS III提升現有系統的「定位、導航、定時」(PNT)能力,使用期限也比前代長,是美國太空軍目前使用的最新款。[1]原本預計今年4月雷神公司要交付GPS控制段新的「下一代操作控制系統」(Next Generation Operational Control System, OCX),因「技術問題」而延遲。目前承接此項工程的雷神公司跟GPS營運的太空軍並未詳細說明問題的細節,不過已確定延遲交付會導致成本超支以及部署期程延誤。目前各國快速發展太空能力,美國持續更新GPS系統以滿足國家安全需求,現在新舊衛星一起使用,雖然部分系統的延遲對美國整體太空能力影響不大,但可能會影響美國的國家太空安全,為了長期的安全目標,太空軍需加速GPS III的發射及部署,以及補足系統延遲的問題。[2]

GPS III及GPS IIIF是美軍的新太空工具


全球定位系統(Global Positioning System, GPS)是美國國防部所研發,為軍事和民用用戶提供導航服務,目前由美國太空軍營運維護。依照GPS.gov網站的資料,截至2022年6月26日為止,GPS共有26顆運行衛星(不包括退役在軌備用衛星),整個GPS系統分為太空段、控制段及用戶段,太空段是新舊衛星的混合體,包括Block IIA、Block IIR、Block IIR-M、Block IIF、GPS III和GPS IIIF(見圖1)。[3] GPS III衛星的電磁波分為L1(1575.42兆赫)及L2(1227.60兆赫)兩種,並有兩種測距碼,第一種是P碼(Precise Code,軍用),第二種是C∕A碼(Coarse/Acquisition Code,民用),第三種是其中L1C信號與歐洲的伽利略定位系統相互使用,提升民用的兼容性,另外有尚未開放給民間使用的L5信號技術,這些新功能可增強美國的軍事衛星通訊及天基PNT能力,提升三倍精度及八倍的抗干擾能力,延長使用壽命15年是舊款衛星的兩倍期限,提供使用者能有更準確的位置資訊。 [4]

除了GPS III之外,美軍與洛克希德馬丁也正在合作,進行GPS IIIF(GPS III Follow On)計劃,未來GPS IIIF衛星預計將具有區域軍事保護能力,在戰區中有高達60倍的抗干擾能力,以確保美國和盟軍在敵對環境中能使用GPS不被中斷。從現在的發射及未來規劃可看出,美國軍方要改造GPS現代化的原因,是因為太空競爭已更加激烈,加上中國與俄羅斯進行反衛星測試,威脅到美國的太空國家安全,促使美國從現有的GPS基礎上不斷發展新的技術與系統。

圖、GPS各代簡介


資料來源:Current and Future Satellite Generations, https://www.gps.gov/systems/gps/space/。

美國太空軍逐步強化太空基環境監測的能力保持作戰優勢


除了GPS太空段的衛星升級外,美軍也需要將地面控制站軍事升級,而更新版「下一代操作控制系統」指揮所有新舊不同代的GPS衛星,管理民用和軍用導航信號,系統設備包含:一個主控站和備用主控站、專用監測站、地面天線、GPS系統模擬器、標準化太空訓練器。 [5] 系統從Block 0到Block 3F發展不同的增量階段:Block 0是發射和控制系統(Launch and Control System, LCS),功能是控制發射早期軌道(Launch and Early Orbit, LEO)操作以及所有GPS III衛星的在軌檢查,Block 0是Block 1的子集,為Block 1提供硬體、軟體和網路安全基礎。Block 1控制所有傳統衛星和民用信號(L1 C/A)、軍用信號(L1P(Y)、L2P(Y)),並具備操作GPS III衛星和現代化民用信號(L2C)的能力,以及航空飛行安全信號(L5),此外,Block 1還能部署控制現代化軍事信號(L1M 和 L2M(M代碼))和全球兼容信號(L1C)的基本作戰能力,完全滿足訊息及網路防禦要求。Block 2有先進的作戰能力,可控制現代化軍事信號(L1M及L2M(M代碼))。Block 3F是OCX新功能升級,與GPS IIIF太空段和軍用GPS用戶設備(MGUE)增量功能同步,OCX Block 3F需要發射和操作指揮和控制GPS IIIF太空飛行器。[6]

由於系統編程和需求修改的複雜性高,「下一代操作控制系統」一再被推遲。此外,成本增加也造成問題。在2012年的成本估算為37億美元,原本預計應在2016年使用,2018年暴增到62億美元,導致在高度複雜的新款系統可用之前,新的抗干擾軍事信號將無法使用。為補足延誤的進度,此為太空軍今年優先處理的項目。

對美國而言,烏俄戰爭凸顯了美國與盟友需要建立太空合作的關係,GPS III擁有更高的準確性、抗干擾能力以及盟軍民用連接的使用機會,而後續的GPSIIIF 衛星將繼續改進防禦性抗干擾能力。美國需要繼續進行在軌開發和試驗,才能抵抗更多威脅,並確保這些太空資產在執行任務時發揮作用。

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