从国防预算看GPS系统发展趋势

一、概述

GPS全球定位系统是美国国防部发展的全球导航卫星系统，是美国重要的空间基础设施，能够为美国各军兵种提供实时、全天候和全球性的导航服务，且能够实现情报搜集等军事目的，是美国国防建设以及军事实力的重要构成。GPS系统于1999年1月启动GPS现代化计划，以不断增强其服务范围及服务性能，更好的满足美国国防现代化发展的需要，支持和保障美国军事行动，不断增强美国国防实力。目前GPS现代化进入最后阶段，已发射5颗GPS III卫星,对地面运控系统进行了全面升级改造,大规模推进M码用户机装备的研制使用。

为了对美GPS系统的发展方向和整体趋势进行分析，初步判断美国GPS领域的战略重心和国防实力，可以对GPS经费预算加以研究。预算是经法定程序审核批准的国家年度集中性财政收支计划，反映着整个国家的政策以及政府活动的范围和方向。美国在每年初会公布GPS下一财年的经费预算，预算制定直接反映出GPS的发展重点和建设情况，具有很强的开源情报价值。

本文以五年为一个周期，以2018-2022财年美GPS系统的国防预算为研究对象，一方面从时间发展角度分析各财年GPS系统的预算构成及发展重心；另一方面将GPS系统细分为空间段、地面段、军用客户端及民用项目，分别研究其发展特点、现代化进程及未来走向。

如图1所示，2017-2022财年，美国在GPS领域的国防预算总额呈现逐年递增的趋势，其中2022年拨款已超20亿美金，与2017的9亿美金相比超过一番，GPS预算飞快的增长速度表明美国正积极发展构建GPS系统，不断维护和增强其在导航、定位、授时（PNT）领域的优势，另一方面也说明GPS在太空领域具有强大国防实力，美国在不断增强和确保其太空领域的国防能力。

图1 2017-2022财年GPS领域国防预算总额

二、GPS国防预算年度分析

GPS全球定位系统能为用户提供精确的三维坐标、速度和时间。美政府为保障其在战争中的定位精度优势，启动了GPS现代化升级计划，GPS现代化的主要内容包括：空间段星座布局的优化、导航卫星的退役和增补工作、第三代GPS卫星（GPS III）的研发生产；地面段新一代GPS地面系统（OCX）的开发和部署；信号体制的升级增强，提升系统的应用性能及与其他系统的兼容互操作能力等。目前，GPS现代化进入最后阶段，正致力于发展第三代GPS卫星星座，加强依托GPS系统开展导航战的能力，保障美在卫星导航领域的优势地位。

2018财年，美国GPS预算总额为11.83亿美金，如图2所示，具体构成有以下几项：一是用于地面段OCX的研发，预算为5.11亿美金，占该财年的比例为40%，为最主要支出，2017年OCX Block0研制建设完毕，2018年起，能够对GPS III及以前几代卫星提供指挥控制，具备完整M码广播能力的OCX Block1和Block2投入建设。预算完全反映出了这一趋势。二是军用GPS接收机（MGUE）支出，原国防部提交的MGUE预算需求为2.53亿美金，经参议院审核，在原草案基础上增加9850万美金，用于手持式MGUE增量2，最终预算为3.42亿美金，占比26%，但MGUE增量2任务实际开始于2019年，说明用户段的研制存在较大困难，研制计划落后于原计划。三是空间段预算，包括GPS III卫星的研发和采购两部分，占该财年预算的比例分别为19%、6%，美于2016年2月完成GPSIIF卫星的全部发射，于2017财年开始进行GPS下一代星座系统的研发，自2018财年，不再拨款用于GPSIIF卫星的采购，表明GPS空间段已进入GPS III卫星时代。四是民用项目的预算，共1.1亿美金，用于WAAS广域增强系统的研发升级，以实现GPS系统精度、可用性和完整性等服务性能的不断提升。

图2 2018财年GPS国防预算构成

2019财年，参议院最终拨款14.25亿美金用于GPS系统。一是用于地面段OCX系统及GPS系统集成研发的预算，占比达34%，预算方案提出国防部应在一年内给出报告，论证现有的地面操作控制系统OCS能否升级实现与OCX同样的性能，其原因为，OCX的研制进程一再延迟之后，美国不得不升级现有OCS系统计划来支持GPS III的发射和测试。二是空间段预算，方案指出，白宫增加了用于GPS III的采购经费，用于GPS系统备份技术的研究，增强GPS系统的弹性。较2018财年，2019财年新增空间组件的采购、备品备件的维修采购以及GPS IIIF卫星的研发三个项目，且用于GPS IIIF卫星的预算高达4.27亿，占比为30%，远高于同年用于GPS III的预算，说明GPS空间段的现代化已经进入GPS IIIF卫星研发阶段。三是军用MGUE支出，预算为2.57亿美金，占比17%，主要用于增量2计划的OEM板卡研发，使军用用户段能够接收欧盟Galileo和日本QZSS卫星系统的信号。用于民用项目WAAS的预算较2018财年有所降低，占比仅6%左右。具体预算构成如图3所示。

图3 2019财年GPS国防预算构成

2020财年，美空军GPS项目总预算为17.13亿美金，同比增长20%，其原因为2019年8月29日，美国太空司令部正式宣告成立，按照美国太空军司令雷蒙德上将的计划，该司令部将在1年内达到“初始作战能力”，具备“导弹预警、卫星操作、太空控制和太空支持”等功能，然后再经过数年形成“全面作战能力”。故2020财年预算增加，以实现美国太空军司令部组织、训练和装备其太空作战力量的需要。如图4所示，该财年，占比最高的为新增的GPS IIIF卫星采购预算，预算金额为3.95亿美金，占比23%。此外，GPS III卫星的采购和研发预算较2019财年有所下降，GPS IIIF卫星的采购和研发总预算大幅增长，表明GPS III卫星系统已经成熟进入组网阶段,GPS IIIF卫星系统迭代成为下一步研发重点。其次是地面段预算，用于OCX的预算为4.48亿美金，占比26%，OCX工作包括对当前OCX主控制站以及全球监测站的升级。美空军于2020年完成了对OCS软件的更新，实现了对GPS III卫星以及特定的M码信号进行作战控制，及在交付OCX之前对M码进行测试的功能。用户段方面，军用MGUE的预算为4.45亿美金，占比19%，用于M码卡升级，预算法案中要求军用GPS终端能够接收来自欧盟Galileo卫星和日本QZSS卫星的可信信号以及非盟军的PNT信号。民用WAAS预算仅4%，占比持续降低，美政府更加注重GPS军事效益的开发。

图4 2020财年GPS国防预算构成

2021财年，美空军旨在部署强健和弹性的太空系统，但GPS预算总额较2020财年增幅较小，所涵盖的各项目与2020财年保持一致。其原因为美国国防部必须在建立太空军和组建人员，当局和项目过渡之间取得平衡，同时还要保护美国太空资产和优势，继续保护和捍卫美国在太空行动的能力。如图5所示，该财年支出占比最大的仍是空间段的部署、测试与研发，主要用于GPS III卫星和GPS IIIF卫星的购买与研发，其预算总额为9.14亿美金，占该财年的比例为51%。其中，GPS IIIF卫星的采购预算为5.98亿美金，用于从洛克希德·马丁公司购买两颗GPS IIIF卫星。其次为地面段预算，共4.82亿美金，占比26%，用于继续开发OCX Block 1和OCX Block 2，以实现为前几代卫星和GPS III卫星提供指挥和控制的能力，并对当前和现代化信号进行监测和控制，使之具备完整的M码广播能力。该财年，OCX计划在测试和集成其任务软件方面取得了进展。用户段部分，军用MGUE预算较两年持续增加，民用WAAS则呈现相反趋势，与美方GPS现代化计划的目标一致，即大力提升GPS在军事作战领域的优势地位。

图5 2021财年GPS国防预算构成

2022财年，GPS系统总预算为20.28亿美金，美太空部队将发展具有M码能力的全球定位系统，进行GPS系统的再一次重大升级，以确保GPS系统能够跟上军事科技的发展，提高协同作战的能力，满足新的作战需求。如图6所示，该财年支出占比最大的仍是空间段。空间段总预算为11.91亿美金，法案指出该财年的主要目标是提高商业卫星通信能力，以实现弹性、安全的卫星通信网络，且必须能够利用多频段和多轨道架构，以响应美海军舰艇和其他没有地面网络接入点的区域对高速互联网日益增长的需求。其次为军用MGUE的升级，美太空军将21%左右的预算，约4.34亿美金用于MGUE的开发、测试和部署，不断促进MGUE现代化。地面段预算占比较2021财年下降约7个百分点，总额4.03亿美金，用于OCX的现代化升级，美政府计划于2022年10月同时进行Block 1和Block 2的交付，使OCX具有完整的M码广播能力。民用项目除WAAS预算外，新增三项其他可替代导航相关的民用项目，虽占比仅1%左右，但体现了美政府向不完全依赖GPS，增强太空弹性的发展趋势。《2022财年国防授权法案》体现了美国国会对太空领域是新的作战领域的认可，美政府将全力支持太空领域的发展，加强太空能力的建设，为下一代弹性太空能力奠定基础。

图6 2022财年GPS国防预算构成

三、GPS国防预算项目分析

GPS系统由空间段、地面段及用户段构成，其中用户段又分为军用和民用。对其预算变化分别进行分析，可了解GPS系统各组成部分的发展进程，研判其未来发展趋势。

如图7所示，美政府用于GPS空间段的总预算支出呈现逐年递增的趋势，其中，2019财年新增GPS IIIF卫星研发经费，2020财年新增GPS IIIF卫星采购经费，且用于GPS IIIF卫星的总预算逐年递增，而GPSIII卫星采购经费和研发经费在逐年递减，表明GPS III卫星系统在2020年已经相对成熟和完善，进入发射组网阶段，美政府开始进行GPS IIIF卫星研发工作。2022年GPSIII卫星采购经费有所增加，说明后续发射计划较为密集。而自2021财年，GPS IIIF研发也在逐年递减，说明GPS IIIF的研发趋于成熟，2026年交付第一颗GPS IIIF卫星的目标应该可以实现。综上所述，GPS空间段卫星在研发期间预算投入最多，采购期间投入较少，组网期间最少。从预算看，GPS IIIF正逐渐取代GPS III，占据空间段预算支出的大部分份额，是未来发展的重点。

图7 2018-2022财年GPS空间段国防预算总额及构成

OCX是美空军为控制军用卫星，委托雷声公司研制的能够长期使用的下一代GPS作战控制地面系统，是GPS现代化计划的核心组成部分之一，采用开放式体系架构，具有较高的灵活性，能够兼容其他导航系统信号，增强系统的网络攻击防御能力和安全信息共享能力，有效延长系统的预期寿命。美空军计划在GPS III发射入轨计划的同时，继续开发GPS III下一代地面运行控制系统OCX，2018年4月～5月，先期交付给美空军的GPS OCX Block 0完成了两轮网络安全测试，测试结果显示系统运行符合设计要求，是安全的。故美政府计划将2019财年43%的预算，超5亿美元用于OCX及GPS系统集成的开发，为该财年最主要支出。OCX的研发虽严重拖延并有经费超支现象，但每财年仍有20%及以上的GPS系统预算用于地面段的升级改造，如图8所示，美空军用于开发OCX的预算始终超4亿美金，其原因为OCX对新一代卫星系统的运行管理具有不可替代的支撑作用，美军正持续升级OCX系统，以增强对新一代卫星GPS III和GPS IIIF的操控能力。

图8 2018-2022财年GPS地面段国防预算总额

MGUE是一项联合服务计划，目的是发展现代军用GPS接收机，以确保在常规接收机离线或受干扰时，也能提供精确和可靠的定位、导航和时间。美空军表示，在GPSIII发展阶段，将实施推进MGUE增量计划1和MGUE增量计划2。如图9所示，军用用户段的预算呈现稳中有升的趋势，2022财年预算有显著增加,其原因为MGUE的Ｍ码地面卡即将投入现场测试，通过现场测试后，陆军和海军陆战队可能会开始研发和使用MGUE地面设备。总体而言，随着新一代卫星星座的研发升级，MGUE也在进行同步升级优化。

图9 2018-2022财年GPS军用用户段国防预算总额

2018财年-2020财年，美空军用于GPS民用项目的预算逐年减少，2020财年-2022财年，预算逐年增加。但较军用用户段而言，各财年民用项目预算均远低于军用用户段预算支出，表明美政府更加注重GPS系统军事效益的开发。如图10所示，民用项目的预算主要用于GPS的广域增强系统（WAAS）的升级优化，WAAS是美国联邦航空局（FAA）及美国交通部开发建立的用于提高飞机的飞行定位精度的空中导航系统，其原理是通过解决广域差分GPS的数据通信问题，从而进一步提高GPS系统的精度、可用性和完整性。

2022财年，GPS民用项目预算支出新增三个项目。一是GPS备份PNT技术研究，其预算占民用项总预算的比例为13.14%，旨在提高PNT冗余度，备份PNT信息。二是第13905号行政命令《通过负责任地使用定位、导航与授时服务来增强国家弹性》，占比3.07%，其目的是为了确保定位、导航和授时服务（PNT）服务的中断或操纵不会破坏其关键基础设施的可靠性和有效运行。三是全球导航卫星系统GNSS性能监视和干扰检测能力，占比3.07%，GNSS是PNT的另一主要信息源，在GPS受阻时，可将GNSS射频信号和其他卫星通信源（非射频源）集成到PNT产品和用户设备，通过多频和多样性源来对抗GPS干扰，为用户提供可替代导航能力。新增三项民用项目预算的目的都是为了在GPS受限情况下，依旧存在有效的PNT信息源，确保能够满足用户及国家各项任务的需求，提高太空PNT有效载荷的弹性能力，增强国家基础设施的安全性。美军希望即使在未来复杂的导航战作战环境下，其PNT装备能够适应不断变化的作战环境，能够抵御服务中断，并迅速恢复。可替代导航技术或将成为未来PNT技术发展的重要方向。

图10 2018-2022财年GPS民用项目国防预算图

四、结论

通过对GPS系统的国防预算进行年度分析和项目分析，能够准确了解GPS现代化的发展历程以及空间段、地面段和用户段的发展趋势。空间段部分，GPS IIF卫星于2017年组网完成，美方宣布于2028年左右完成GPS IIIF卫星的采购，可以推算出一代卫星的更新时间约为10年，预计未来五年，美政府将投入大量预算致力于GPS IIIF卫星的研发采购。

地面段部分，预计未来五年，美财年仍将支出GPS预算的20%左右用于OCX的建设和升级，以保障GPS III和GPS IIIF卫星的各项服务性能，增强对抗条件下军用导航服务能力。

用户段部分，预计未来五年，军用用户段的预算将主要用于MGUE增量计划2的研发采购，使各军兵种具备现代化的GPS接收能力和抗干扰能力，不断提高作战能力。民用项目则将继续增加对可替代导航技术的预算投入，避免用户对GPS系统的过度依赖。

· 《卫星与网络》创始人：刘雨菲

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