來自美國空軍研究實驗室的這顆先進的地球同步衛(wèi)星將使下一代空間星座段、地面運控段和用戶設(shè)備段技術(shù)成熟起來。導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星（NTS）-3將嘗試多種集成技術(shù)：可重編程信號發(fā)生器、電子掃描天線陣列、靈活與安全的信號、更高的自動化程度，以及商業(yè)指揮和物流資產(chǎn)控制的使用。這些將成為未來天基PNT星座的墊腳石。

美國空軍為美國國防部（DoD）創(chuàng)建的GPS星座，所提供空前的定位和授時精度。自從GPS誕生以來，它已成為一種全球性實用工具，其民用和商業(yè)用途遠遠超過了軍事用途。陸地和空中交通管控、金融銀行業(yè)務(wù)、農(nóng)業(yè)林業(yè)、能源礦業(yè)、搜索救援，以及蜂窩網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用都依賴于不間斷的GPS信號覆蓋。同時，隨著其他衛(wèi)星導(dǎo)航星座（例如伽利略、北斗和格洛納斯系統(tǒng)）的加入，空間領(lǐng)域變得越來越擁擠，競爭也越來越激烈。此外，諸如QZSS和NAVIC之類的區(qū)域系統(tǒng)也正在部署中。盡管已有許多全球和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航星座，但其他一些國家，例如韓國和英國，也表示有興趣部署自己的衛(wèi)星導(dǎo)航星座。

為了使GPS保持在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)創(chuàng)新的最前沿，并提供未來方案所需的高級功能，以及新技術(shù)需要成熟和過渡?？紤]到這些需求目標，提出了導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星3號（NTS-3）作為一項革命性的飛行實驗，以催熟和發(fā)展可以過渡到美國下一代天基PNT衛(wèi)星的新技術(shù)。 NTS-3將推動當今衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，以在新的航天和全球競爭環(huán)境中應(yīng)對明天的技術(shù)挑戰(zhàn)。

革命性技術(shù)。NTS-3將演示可重編程的衛(wèi)星導(dǎo)航整體功能，如何在空間、地面和用戶段中發(fā)揮作用，并將開發(fā)和催熟的技術(shù)來滿足軍事和民用用戶的未來需求。在整個相關(guān)領(lǐng)域，NTS-3實驗將包括一系列革命性技術(shù)，例如在軌可重編程PNT有效載荷，提供地球和區(qū)域覆蓋的電子掃描天線陣列，提高安全性和減輕干擾的敏捷信號，以及具有多種授時來源的守時系統(tǒng)，以提高任務(wù)穩(wěn)定性、異常檢測能力和增強的誤差緩解技術(shù)。NTS-3將進一步試驗地面控制系統(tǒng)的自動化程度，最大限度地減少人與人之間的頻繁互動，并使用商用天線增加空軍資源，以增強空軍的指揮和控制能力。近實時的誤差檢測和緩解是關(guān)鍵功能，新波形（信號）居于實驗活動的中心。系統(tǒng)將自動監(jiān)視基本參數(shù)，并設(shè)法減少錯誤，以最少的人工干預(yù)來保持完好性和精度，以避免以前在GPS和其他衛(wèi)星星座中都出現(xiàn)過的長時間服務(wù)中斷。用戶設(shè)備將與空間資產(chǎn)無縫協(xié)作，以適應(yīng)新波形的廣播，并為軍事PNT社區(qū)帶來軟件定義的接收機的靈活性和敏捷性。

史詩般的速度。國防航天企業(yè)正在發(fā)展，并且在獲得太空能力的方式上進行快速變革。認識到空間不再是無可爭議的，新的重點是“史詩般的速度”，以滿足空間系統(tǒng)的未來需求。為了支持這一新重點，美國太空部隊（USSF）確定了三個太空整體能力需求。這些整體需求是：一是增強彈性；二是建筑敏捷性；三是敏捷要求/操作流程概念。NTS-3是展示這些整體性對天基PNT系統(tǒng)需求的關(guān)鍵要素。因此，NTS-3于2019年8月被美國空軍指定為先鋒計劃。

下一代導(dǎo)航衛(wèi)星信號。1973年至1978年設(shè)計的原始GPS信號，在當時是一個奇跡。結(jié)合了直序擴頻、碼分多址（CDMA）和緊湊的數(shù)據(jù)電文。這些信號已經(jīng)為軍事和民用用戶服務(wù)了三十年，并且仍被國防部（DoD）的所有用戶使用。盡管GPS信號優(yōu)雅且可靠，1993年首次使用GPS（IOC）后，GPS的應(yīng)用呈指數(shù)增長，但仍存在一些不足。根據(jù)總統(tǒng)令，國防部于1996年指示解決這些缺陷，制定了GPS現(xiàn)代化計劃。從1997年到2004年，空軍開發(fā)了四個新的衛(wèi)星信號，其中軍事信號一個和民用信號三個（M，L2C，L1C和L5）。軍用的M-Code已部署在21顆衛(wèi)星上，而地面控制和用戶群的交付仍在進行中。盡管M-Code與傳統(tǒng)信號相比進行了重大改進，但其復(fù)雜性和改進的安全性已減慢了部署速度，尤其是對于用戶細分市場。同時，驅(qū)動GPS性能和可靠性的挑戰(zhàn)以及解決這些挑戰(zhàn)的可用解決方案在不斷發(fā)展，因此有必要催生新技術(shù)成熟并投入使用。NTS-3的目的之一是，通過向空間段增加在軌可重編程性，展示對計劃外意外事件的敏捷響應(yīng)。為了跟上新興技術(shù)和天基PNT系統(tǒng)的未來使用，正在開發(fā)新的衛(wèi)星信號以在NTS-3上進行測試。采集輔助、信號認證、敏捷波形和靈活的信道化是計劃在NTS-3上測試的一些信號功能。

獲得要求。NTS-3將專注于提供與當今民用移動用戶相當?shù)能娛螺o助GPS服務(wù)，但該服務(wù)旨在滿足軍事環(huán)境的獨特需求。通過提供采集輔助和星座導(dǎo)航數(shù)據(jù)，NTS-3將在干擾方面加快首次定位時間，同時提高軍事接收機的抗干擾性能。作為另一項抗干擾性能增強功能，NTS-3將為軍事社群提供長期軌道和時鐘（LTOC）數(shù)據(jù)。所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個最大誤差源是星歷預(yù)測和隨時間變化的時鐘性能。通過替代方法提供此數(shù)據(jù)將使用戶設(shè)備能夠在狀態(tài)—3（跟蹤但不解調(diào)數(shù)據(jù)）的接收機運行條件下工作更長的時間，并以更低的用戶設(shè)備功率實現(xiàn)更高的抗干擾性能。提供此數(shù)據(jù)的一種方法是通過地球同步（GEO）增強層（例如NTS-3正在演示的那樣），該方法允許用戶設(shè)備對衛(wèi)星的位置和定時偏移保持良好的估計，從而在較長的時間內(nèi)提高了精度。其他考慮因素是向接收機提供此信息所需的數(shù)據(jù)包大小。通常以每15分鐘間隔的X、Y和Z來考慮衛(wèi)星軌道。使用更大的數(shù)據(jù)包可以實現(xiàn)更高的精度，但是必須考慮帶寬和數(shù)據(jù)存儲要求。當前，正在探索在使軍事社群獲得最大利益的同時最小化數(shù)據(jù)大小的交易。

身份認證方式。對于民用和軍用用戶而言，GPS信號的身份驗證是一個日益嚴重的問題。為了應(yīng)對這一日益嚴峻的挑戰(zhàn)，空軍研究實驗室（AFRL）與多個貢獻者合作開發(fā)了一種新的身份驗證方法，稱為芯片電文健壯身份驗證（CHIMERA）。CHIMERA是一種GPS信號驗證方法，可共同驗證L1C信號的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和擴展碼。CHIMERA使用時間綁定，其中擴展代碼被標記打孔，這些標記使用從數(shù)字簽名的導(dǎo)航電文派生的密鑰以密碼方式生成。導(dǎo)航電文和擴展代碼是不能獨立生成的。比特承諾可確保欺騙者在廣播完廣播之后才能生成正確的標記。已開發(fā)出L1C CHIMERA的兩個同時版本：一個是獨立用戶的緩慢通道，另一個是當其他具有更高帶寬的方法可用時（例如，網(wǎng)絡(luò)輔助），將提供快速通道。

CHIMERA增強功能的基本操作始于GPS發(fā)射機對數(shù)據(jù)進行數(shù)字簽名，然后生成要作為穿孔插入擴頻碼中的標記。這些標記可能來自數(shù)字簽名（慢通道）或單獨生成的密鑰（快通道）。用戶設(shè)備可以使用GPS公共證書來驗證簽名，從而驗證數(shù)據(jù)的真實性和信號的時序。圖1概述了CHIMERA的增強功能。

  用戶設(shè)備也是NTS-3的關(guān)鍵實驗部分。為了充分利用在軌可重編程性，用戶設(shè)備也必須可重編程。NTS-3建立在十年來由聯(lián)邦政府資助的衛(wèi)星導(dǎo)航軟件定義接收機（SDR）開發(fā)的基礎(chǔ)上，它將利用MITRE的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測試架構(gòu)（GNSSTA）來實現(xiàn)用戶設(shè)備功能。SDR在整體范圍內(nèi)用于發(fā)射機（空間），接收機（用戶）和監(jiān)視（地面）條件下，是未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵賦能技術(shù)。用于GNSS的當前固定頻率和調(diào)制方式已經(jīng)（并將繼續(xù)提供許多年）提供了出色的PNT服務(wù)。但是，在將來，需要更快速地部署功能和增強對威脅的響應(yīng)能力，這將需要跨所有系統(tǒng)段的靈活性和敏捷性。

NTS-3將利用SDR引入各種各樣的靈活功能。調(diào)制、功率、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)成幀和數(shù)據(jù)內(nèi)容都是可配置的。與相控陣天線結(jié)合使用時，多個導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)通道將支持在整個行動區(qū)域同時執(zhí)行任務(wù)。借助NTS-3，靈活性的構(gòu)建基塊將使人們可以嘗試使用新的操作概念和策略來減輕負面影響。

  其他技術(shù)。精準授時是GNSS的關(guān)鍵賦能技術(shù)。NTS-3星上原子鐘將受到密切監(jiān)視，以提高授時精度和空間時鐘行為的表征。此外，還將研究單事件異常、異常檢測和星載集成。計劃進行測試新方法實驗以提高可靠性和彈性，供將來的天基PNT系統(tǒng)使用。

將電子掃描陣列（ESA）作為NTS-3的基本要素。盡管ESA技術(shù)不是太空新技術(shù)，但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實施ESA會引入復(fù)雜性，由于相位中心和群時延可變，必須解決這些復(fù)雜性。NTS-3將調(diào)查影響并探索ESA的增強功能，以及同一天線廣播信號的全球和區(qū)域覆蓋。

地面控制對于任何衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。隨著引入了可重編程性，地面控制系統(tǒng)必須不斷發(fā)展，以應(yīng)對增加的復(fù)雜性。NTS-3將通過增加對自動化和自治的使用以及賦能諸如可重新編程性之類的高級功能，進一步增強衛(wèi)星地面控制架構(gòu)。NTS-3地面控制系統(tǒng)必須與整體的地面服務(wù)（EGS）體系架構(gòu)兼容。一旦完全建立，EGS將利用大數(shù)據(jù)并促進更輕松的數(shù)據(jù)共享、態(tài)勢感知和協(xié)作。這允許將舊數(shù)據(jù)和平臺用于新用途。NTS-3設(shè)計用于EGS和傳統(tǒng)地面系統(tǒng)。其中一個重要方面是合并商業(yè)指揮和控制地面站點，以增加與衛(wèi)星的接觸。

結(jié)論。NTS-3將推動衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的前沿，進入一個先進技術(shù)的時代，這將使未來的衛(wèi)星導(dǎo)航架構(gòu)更加敏捷、靈活、健壯和具有彈性。具有高級PNT信號的可重編程有效負載是NTS-3實驗的核心。設(shè)計可以快速部署新功能的系統(tǒng)體系架構(gòu)將是NTS-3在空間、地面控制和用戶段中的關(guān)鍵演示。