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美国空军的NTS-3试验将为下一代GPS指明方向

来源:  作者:  发布时间::2019-03-25 11:03:48

美国空军部长希瑟·威尔逊去年夏天在被问及美国太空部署中的脆弱点时指出,GPS全球定位系统是一个众所周知的玻璃房子,人们越来越担心GPS卫星可能在未来的战争中成为敌人的目标,五角大楼和情报机构警告称,中国和俄罗斯已开发出先进的电子武器,可以用来干扰GPS卫星和GPS信号。然而军事行动在很大程度上依赖于获得有保障的定位、导航和定时PNT(Positioning,Navigation and Timing )服务,为了增强GPS抗干扰和欺骗干扰能力,美国空军已经开始部署更先进的GPS卫星,名为GPS 3系列卫星。目前美国空军仍在使用31颗GPS 2卫星,而且刚刚开始部署GPS 3星座。第一颗GSP3卫星于2018年12月23日在卡纳维拉尔角发射场由猎鹰9号运载火箭发射升空,根据2008年和2018年的合同,洛克希德·马丁公司将建造多达32颗GPS 3卫星。这些卫星的设计寿命至少为15年,美国空军预计在2034年之前发射这一系列卫星中的最后一颗。

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GPS3卫星概念图

与此同时美国空军也在寻找别的方法来加固GPS的PNT能力。美国空军认为,在地球同步轨道上增加一层小型卫星,以补充中地球轨道GPS星座是一种可行的方法。为了验证这一方法,美国空军研究实验室AFRL将于2022年发射一颗名为NTS-3 (Navigation TechnologySatellite-3)的试验PNT卫星,简称导航技术卫星3。作为地球静止轨道上一个独特的试验平台,NTS-3验证多种综合先进技术和新的概念操作。这些试验和操作包括试验型天线,灵活和安全的信号,提高自动化程度,以及商业地面资产的使用。从NTS-3中获得的成熟技术和知识预计将过渡到下一代GPS,增强到美国定位、导航和定时PNT能力。

NTS历次任务

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NTS-1(左上)、NTS-2(右上)和NTS-3(下)三代概念图

NTS-3在2015年被美国空军指定为AFRL空间飞行器理事会的下一个主要空间实验。NTS任务可以追溯到20世纪70年代,当时由海军研究实验室领导。NTS-1于1974年发射,采用两种铷钟频率标准,提高了早期TIMATION卫星的定时和导航精度。NTS-2于1977年作为第一颗导航星GPS第一阶段卫星发射,演示了铯频率标准和全球数据采集网络。从那时起,直到NTS-3,美国国防部再没有主要的卫星导航试验发展计划。2017年,美国空军研究实验室对NTS -3进行了重组,强调任务目标,NTS-3将为在轨数字信号可编程性和固态放大器等核心技术提供太空验证,除了新型信号,试验还包括提高定时精度和完整性的集成,NTS-3将通过卫星导航系统的空间、控制和用户三个部分来演示分层PNT的关键策略、技术和程序。

NTS-3综合试验包括一个空间有效载荷和一个地面控制部分的技术验证,共同增加整个GPS体系结构的弹性和抗毁性。

空间有效载荷

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NTS-3卫星概念图

美国空军研究实验室AFRL和太空与导弹系统中心SMC于2018年12月20日选择哈里斯公司(HarrisCorporation)为建造NTS-3卫星的主承包商。将使用诺斯罗普·格鲁曼公司的ESPAStar卫星平台建造NTS-3,2018年4月14日发射的增强地球静止实验室实验卫星EAGLE就采用此平台。与GPS 3有效载荷不同,NTS-3有效载荷是完全可在轨道上重新编程的,哈里斯公司计划开发敏捷波形平台,这是一种数字信号发生器,可以在轨道上重新编程,这使操作员能够快速开发和部署新的信号,以满足战场上快速发展的需求。这颗卫星还将配备先进的固态放大器和电子操控的相控阵天线。哈里斯公司正在为NTS-3研制的可控相控阵天线是导航载荷的关键部件,相比之下,GPS 3的相控阵天线只是卫星平台的一部分,不能主动操纵,而可操控相控阵天线将支持在地球覆盖和点波束配置下同时广播多种波形。哈里斯公司空间与智能系统总裁Bill Gattle说,该天线将使运营商能够“控制波束,把更多的能量放在你想要的地方”。

地面控制部分

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NTS-3地面控制部分

NTS-3试验的另一个目标是地面控制部分的技术验证。AFRL在2017年就授予Braxton Technologies公司一份创新研究合同,用于开发NTS-3地面控制系统,使美国卫星导航系统能够在未来军事冲突中预期出现的电子干扰、欺骗干扰和网络攻击中可靠地运行。NTS-3项目地面控制系统将研究在遭受攻击时如何重建地面控制部分;试验自动化和系统关闭操作;如何通过商用地面天线系统完成对航天器的指挥和控制; 测试企业地面系统(EGS)标准和联合空间行动中心(JSpOC)任务系统(JMS)的兼容性;研究管理网络风险的现代流程。

Braxton Technologies公司的专家将演示卫星地面控制技术,为未来的GPS地面控制系统提供信息。他们将使用多任务空间作战中心MMSOC (Multi-Mission Space Operations Center)开放体系结构标准,以及空军卫星控制网络(AFSCN)与未来的NTS-3空间有效载荷进行直接和安全的通信。地面控制段GCS的目标还包括指挥多个天线与传统的地面覆盖波束相结合形成高增益区域波束,并处理后续对相位中心偏置和模式变化的影响。GCS还将利用用于测控的商用天线,以及通用功能的自动化,试验降低GPS所需的手动控制水平。

AFRL的太空飞行器理事会NTS-3项目经理Arlen Biersgreen强调“NTS-3将是空间、地面控制和用户部分的端到端演示,而不仅仅是一次简单的太空实验”。如果任务达到预期,从NTS-3获得的经验和技术将为讨论“向下一代GPS的过渡和GPS星座的潜在扩展”提供技术支持。


                          

本文转自 星TU瞭望

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