美太空军下一代运行控制系统发展分析
全球导航系统（GPS）是一种分布式天基定位、导航与授时（PNT）系统,由太空和地面控制段组成。GPS地面控制段称为运行控制系统（OCS），用于监视、控制和校正GPS卫星星座，为GPS卫星提供指挥控制功能。从20世纪90年代末开始发射GPS卫星起，OCS历经多次升级，以保持对新发射卫星的控制能力。但由于OCS缺乏赛博安全防护能力，2007年2月，美军开始为GPS星座开发增强型地面控制段——下一代运行控制系统（OCX），以取代OCS。OCX预计将于2023年下半年实现初始运行能力，将使GPS定位、导航和授时信号的准确性提高一倍，显著改进抵御赛博攻击的安全性，并增加可控制的卫星数量。
(资料图片仅供参考)
1研发背景
美军现行GPS地面控制段OCS缺少现代化的赛博安全防护能力，不能指挥和控制最新的两代GPS在轨卫星，也无法控制包括军码，即M码和其他新型民用信号在内的卫星信号。自2000年以来，美空军开始开展GPS系统现代化工作，投入数十亿美元以提供新信号操控能力、增强赛博安全性并应对各种威胁，全面提升GPS系统的整体性能。2005年，美空军发射了第一颗军用M码信号GPS卫星。M码信号由于其抗干扰能力强的优势，已成为未来军用GPS基础设施的核心，但由于用户设备不支持，目前M码尚未实现广泛作战使用。为改进GPS卫星的赛博安全防护能力，实现对GPS III等新型卫星及M码信号的指挥控制能力，美军于2007年2月启动了OCX的研发工作，主承包商为雷神公司。
2022年4月，根据美太空军发布的GPS战略路线图，地面控制段的现代化工作主要就是OCX的升级工作。太空段的现代化工作包括GPS III卫星和GPS IIIF卫星的部署工作，用户段的工作主要是M码用户设备研制、部署和试验。
图1 OCX构想图
2OCX组成及功能
2.1 主要功能
作为一种现代化的卫星指挥控制系统，OCX能够指挥控制GPS IIR、GPS IIR-M、GPS IIF和GPS III卫星。OCX采用灵活、开放式架构，能够便捷集成未来新技术，支持大多数现代军用和民用信号，包括M码信号的全球覆盖，具备内在稳健的信息保障能力，通过分层的安全机制来应对突发的赛博威胁，显著提升GPS性能。
图2 OCX系统
OCX系统在设计上采用了网络访问防火墙与入侵检测措施、公共关键信息加密、安全操作系统、跨域防护和安全代码5层防御体系，能够应对来自内外的赛博攻击和威胁。
表1 OCX五层防御体系的构成及其作用
2.2 项目组成
OCX项目以一系列Block的形式开发，目前共分4个Block，即Block 0、Block 1、Block 2和Block 3F。Block 0至Block 2共耗资66亿美金，Block 3F预计将耗资2.23亿美金。
2.2.1 主要Block
（1）Block 0
Block 0又称为发射和检测系统（LCS），支持GPS III卫星的发射与检测，同时提供现代化的赛博安全能力。
（2）Block 1和Block 2
Block 1和Block 2将提供指挥和控制之前所有卫星及GPS III卫星的能力，监视并控制现有信号以及所有M码广播信号。Block 1和Block 2的能力将同时交付，具体而言：
Block 1将实现对现有卫星（GPS IIR、IIR-M、IIF）以及现有信号（L1C/A、L1P(Y)和L2P(Y)）的控制。Block 1还增加了指挥与控制GPS III卫星及现代民用信号L2C和L5的操作能力。
Block 2增加了对新型国际开放/民用L1C信号的控制能力，同时还能够控制M码的L1M和L2M信号。
（3）Block 3F（F代表follow up，是Block 2的后继项目）
Block 3F是Block 1和Block 2的升级版，具有指挥和控制GPS IIIF卫星（GPS III的后继卫星项目）的能力。Block 3F与GPS IIIF卫星项目共同保证了卫星状况中心（SSC）能够为后继的卫星提供GPS定位、导航和授时能力。Block 3F支持的GPS IIIF能力包括：搜救、激光回射阵列、核爆炸探测系统载荷、为美军及联盟提供区域性高性能军事信号以增强GPS弹性的地区军事保护（RMP）能力、创建时敏作战效应的快速重配置GPS IIIF卫星的能力。
除了支持美国防部最新的赛博安全标准与实践外，Block 3F还支持一系列先进的赛博能力，包括：增强与扩展的监控站网络以提供改进的赛博安全能力和抗干扰能力；增强的操作能力，实现对现代化军用信号的控制；支持对GPS III M码的操控能力；对与欧洲伽利略导航卫星系统兼容的信号以及生命攸关信号的监控。
2021年4月，美太空军授予雷声公司OCX Block 3F的开发合同。OCX 3F计划将于2027年第三季度运行验收。
2.2.2 补丁项目
由于需求及程序设计复杂、部件供应商更换等原因，OCX的交付已经延期超过5年，美空军不得不于2016和2017年与洛克希德·马丁公司合作启动了“应急运行系统”（COps）和“M码早期使用”（MCEU）两个额外的新项目，以便改进GPS地面系统，使其能够控制GPS III卫星并提供有限的M码广播能力。这两个新增加的项目填补了OCX延期交付期间的能力空白，使GPS操作员能够监控并控制在轨卫星的M码信号广播。
（1）“应急运行系统”（COps）
COps是对运行控制系统（OCS）的软件更新，主要增加了对GPS III卫星及其广播信号的控制，OCS同时继续控制GPS II卫星及其信号。COps耗资1亿6千5百万美金，系统已于2020年3月交付美空军。
（2）“M码早期使用”（MCEU）
MCEU是COps的后续项目，能够提供某些M码广播信号的操作能力，但缺少OCX的赛博安全等能力。2020年8月6日，美国太空军宣布完成对GPS地面段的M码升级，随后MCEU进行了为期约3个月的试运行，于2020年11月18日完成运行验收。
3OCX发展历程
2007年2月，美空军启动了OCX项目；2013年，雷神公司开展了Block 0的关键设计评审，评估显示Block 0的设计及软件架构满足需求。2017年6月，由于技术研发问题，空军宣布Block 1和Block 2的交付期将延至2022年4月。
2017年10月，Block 0研制完成，能够支持GPS III卫星初始测试的发射和检验能力以及现代网络安全能力。2018年11月，OCX完成了赛博安全漏洞测试，宣称已经100%实施了美国国防部的信息保障标准。2018年12月和2019年8月，Block 0分别成功支持了第一颗和第二颗GPS III卫星的发射。2019年8月，Block 1和Block 2完成了软件开发工作。2019年10月3日，据空军技术网站报道，OCX进入系统集成和测试阶段。2021年4月，美太空军授予雷神公司OCX Block 3F的开发合同。2021年7月，OCX完成所有17个监测站的部署，开始进行系统集成和验证工作。
2022年11月，OCX Block 1和Block 2完成出厂集成，将为前几代卫星和GPSIII卫星提供指控，并将提供完全的M码广播能力。OCX预计将于2023年下半年实现初始运行能力。
4结语
在未来战争中，太空已经成为大国之间新的战略边疆，直接关系到一国的安全与发展。随着竞争加剧，卫星已成为赛博攻击的重点对象。为维护卫星安全，美军认为其卫星地面控制系统必须加强对赛博攻击的防御能力并支持抗干扰能力更强的M码信号，OCX的建设工作集中体现了这一发展思路，是美军太空域特别是GPS卫星现代化工作的重要组成部分，预计其在达成初始运行能力后将在美军全域作战中发挥越来越重要的作用。
