來自美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的這顆先進(jìn)的地球同步衛(wèi)星將使下一代空間星座段、地面運(yùn)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(hào)發(fā)生器、電子掃描天線陣列、靈活與安全的信號(hào)、更高的自動(dòng)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(guó)空軍為美國(guó)國(guó)防部（DoD）創(chuàng)建的GPS星座，所提供空前的定位和授時(shí)精度。自從GPS誕生以來，它已成為一種全球性實(shí)用工具，其民用和商業(yè)用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(hào)覆蓋。同時(shí)，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(jìng)爭(zhēng)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(guó)家，例如韓國(guó)和英國(guó)，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(jí)功能，以及新技術(shù)需要成熟和過渡?？紤]到這些需求目標(biāo)，提出了導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星3號(hào)（NTS-3）作為一項(xiàng)革命性的飛行實(shí)驗(yàn)，以催熟和發(fā)展可以過渡到美國(guó)下一代天基PNT衛(wèi)星的新技術(shù)。 NTS-3將推動(dòng)當(dāng)今衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，以在新的航天和全球競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中應(yīng)對(duì)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(gè)相關(guān)領(lǐng)域，NTS-3實(shí)驗(yàn)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(hào)，以及具有多種授時(shí)來源的守時(shí)系統(tǒng)，以提高任務(wù)穩(wěn)定性、異常檢測(cè)能力和增強(qiáng)的誤差緩解技術(shù)。NTS-3將進(jìn)一步試驗(yàn)地面控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，最大限度地減少人與人之間的頻繁互動(dòng)，并使用商用天線增加空軍資源，以增強(qiáng)空軍的指揮和控制能力。近實(shí)時(shí)的誤差檢測(cè)和緩解是關(guān)鍵功能，新波形（信號(hào)）居于實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的中心。系統(tǒng)將自動(dòng)監(jiān)視基本參數(shù)，并設(shè)法減少錯(cuò)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(zhǎng)時(shí)間服務(wù)中斷。用戶設(shè)備將與空間資產(chǎn)無(wú)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(jī)的靈活性和敏捷性。

史詩(shī)般的速度。國(guó)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(jìn)行快速變革。認(rèn)識(shí)到空間不再是無(wú)可爭(zhēng)議的，新的重點(diǎn)是“史詩(shī)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(diǎn)，美國(guó)太空部隊(duì)（USSF）確定了三個(gè)太空整體能力需求。這些整體需求是：一是增強(qiáng)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(duì)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(guó)空軍指定為先鋒計(jì)劃。

下一代導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。1973年至1978年設(shè)計(jì)的原始GPS信號(hào)，在當(dāng)時(shí)是一個(gè)奇跡。結(jié)合了直序擴(kuò)頻、碼分多址（CDMA）和緊湊的數(shù)據(jù)電文。這些信號(hào)已經(jīng)為軍事和民用用戶服務(wù)了三十年，并且仍被國(guó)防部（DoD）的所有用戶使用。盡管GPS信號(hào)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(zhǎng)，但仍存在一些不足。根據(jù)總統(tǒng)令，國(guó)防部于1996年指示解決這些缺陷，制定了GPS現(xiàn)代化計(jì)劃。從1997年到2004年，空軍開發(fā)了四個(gè)新的衛(wèi)星信號(hào)，其中軍事信號(hào)一個(gè)和民用信號(hào)三個(gè)（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(jìn)行中。盡管M-Code與傳統(tǒng)信號(hào)相比進(jìn)行了重大改進(jìn)，但其復(fù)雜性和改進(jìn)的安全性已減慢了部署速度，尤其是對(duì)于用戶細(xì)分市場(chǎng)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(duì)計(jì)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(hào)以在NTS-3上進(jìn)行測(cè)試。采集輔助、信號(hào)認(rèn)證、敏捷波形和靈活的信道化是計(jì)劃在NTS-3上測(cè)試的一些信號(hào)功能。

獲得要求。NTS-3將專注于提供與當(dāng)今民用移動(dòng)用戶相當(dāng)?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(dú)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(shí)間，同時(shí)提高軍事接收機(jī)的抗干擾性能。作為另一項(xiàng)抗干擾性能增強(qiáng)功能，NTS-3將為軍事社群提供長(zhǎng)期軌道和時(shí)鐘（LTOC）數(shù)據(jù)。所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個(gè)最大誤差源是星歷預(yù)測(cè)和隨時(shí)間變化的時(shí)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(jī)運(yùn)行條件下工作更長(zhǎng)的時(shí)間，并以更低的用戶設(shè)備功率實(shí)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(qiáng)層（例如NTS-3正在演示的那樣），該方法允許用戶設(shè)備對(duì)衛(wèi)星的位置和定時(shí)偏移保持良好的估計(jì)，從而在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)提高了精度。其他考慮因素是向接收機(jī)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(shí)現(xiàn)更高的精度，但是必須考慮帶寬和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。當(dāng)前，正在探索在使軍事社群獲得最大利益的同時(shí)最小化數(shù)據(jù)大小的交易。

身份認(rèn)證方式。對(duì)于民用和軍用用戶而言，GPS信號(hào)的身份驗(yàn)證是一個(gè)日益嚴(yán)重的問題。為了應(yīng)對(duì)這一日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與多個(gè)貢獻(xiàn)者合作開發(fā)了一種新的身份驗(yàn)證方法，稱為芯片電文健壯身份驗(yàn)證（CHIMERA）。CHIMERA是一種GPS信號(hào)驗(yàn)證方法，可共同驗(yàn)證L1C信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和擴(kuò)展碼。CHIMERA使用時(shí)間綁定，其中擴(kuò)展代碼被標(biāo)記打孔，這些標(biāo)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(kuò)展代碼是不能獨(dú)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(biāo)記。已開發(fā)出L1C CHIMERA的兩個(gè)同時(shí)版本：一個(gè)是獨(dú)立用戶的緩慢通道，另一個(gè)是當(dāng)其他具有更高帶寬的方法可用時(shí)（例如，網(wǎng)絡(luò)輔助），將提供快速通道。

CHIMERA增強(qiáng)功能的基本操作始于GPS發(fā)射機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名，然后生成要作為穿孔插入擴(kuò)頻碼中的標(biāo)記。這些標(biāo)記可能來自數(shù)字簽名（慢通道）或單獨(dú)生成的密鑰（快通道）。用戶設(shè)備可以使用GPS公共證書來驗(yàn)證簽名，從而驗(yàn)證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和信號(hào)的時(shí)序。圖1概述了CHIMERA的增強(qiáng)功能。

  用戶設(shè)備也是NTS-3的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)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(jī)（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(cè)試架構(gòu)（GNSSTA）來實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備功能。SDR在整體范圍內(nèi)用于發(fā)射機(jī)（空間），接收機(jī)（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(dāng)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(qiáng)對(duì)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(shí)，多個(gè)導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)通道將支持在整個(gè)行動(dòng)區(qū)域同時(shí)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(fù)面影響。

  其他技術(shù)。精準(zhǔn)授時(shí)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(shí)精度和空間時(shí)鐘行為的表征。此外，還將研究單事件異常、異常檢測(cè)和星載集成。計(jì)劃進(jìn)行測(cè)試新方法實(shí)驗(yàn)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(shí)施ESA會(huì)引入復(fù)雜性，由于相位中心和群時(shí)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(qiáng)功能，以及同一天線廣播信號(hào)的全球和區(qū)域覆蓋。

地面控制對(duì)于任何衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)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(duì)增加的復(fù)雜性。NTS-3將通過增加對(duì)自動(dòng)化和自治的使用以及賦能諸如可重新編程性之類的高級(jí)功能，進(jìn)一步增強(qiáng)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(jìn)更輕松的數(shù)據(jù)共享、態(tài)勢(shì)感知和協(xié)作。這允許將舊數(shù)據(jù)和平臺(tái)用于新用途。NTS-3設(shè)計(jì)用于EGS和傳統(tǒng)地面系統(tǒng)。其中一個(gè)重要方面是合并商業(yè)指揮和控制地面站點(diǎn)，以增加與衛(wèi)星的接觸。

結(jié)論。NTS-3將推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的前沿，進(jìn)入一個(gè)先進(jìn)技術(shù)的時(shí)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(jí)PNT信號(hào)的可重編程有效負(fù)載是NTS-3實(shí)驗(yàn)的核心。設(shè)計(jì)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。