來自美國空軍研究實驗室的這顆先進的地球同步衛星將使下一代空間星座段、地面運控段和用戶設備段技術成熟起來。導航技術衛星（NTS）-3將嘗試多種集成技術：可重編程信號發生器、電子掃描天線陣列、靈活與安全的信號、更高的自動化程度，以及商業指揮和物流資產控制的使用。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、金融銀行業務、農業林業、能源礦業、搜索救援，以及蜂窩網絡等應用都依賴于不間斷的GPS信號覆蓋。同時，隨著其他衛星導航星座（例如伽利略、北斗和格洛納斯系統）的加入，空間領域變得越來越擁擠，競爭也越來越激烈。此外，諸如QZSS和NAVIC之類的區域系統也正在部署中。盡管已有許多全球和區域衛星導航星座，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星導航星座。

　　為了使GPS保持在衛星導航系統創新的最前沿，并提供未來方案所需的高級功能，以及新技術需要成熟和過渡。考慮到這些需求目標，提出了導航技術衛星3號（NTS-3）作為一項革命性的飛行實驗，以催熟和發展可以過渡到美國下一代天基PNT衛星的新技術。NTS-3將推動當今衛星導航技術的發展，以在新的航天和全球競爭環境中應對明天的技術挑戰。

　　革命性技術。NTS-3將演示可重編程的衛星導航整體功能，如何在空間、地面和用戶段中發揮作用，并將開發和催熟的技術來滿足軍事和民用用戶的未來需求。在整個相關領域，NTS-3實驗將包括一系列革命性技術，例如在軌可重編程PNT有效載荷，提供地球和區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，以提高任務穩定性、異常檢測能力和增強的誤差緩解技術。NTS-3將進一步試驗地面控制系統的自動化程度，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鍵功能，新波形（信號）居于實驗活動的中心。系統將自動監視基本參數，并設法減少錯誤，以最少的人工干預來保持完好性和精度，以避免以前在GPS和其他衛星星座中都出現過的長時間服務中斷。用戶設備將與空間資產無縫協作，以適應新波形的廣播，并為軍事PNT社區帶來軟件定義的接收機的靈活性和敏捷性。

　　史詩般的速度。國防航天企業正在發展，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系統需求的關鍵要素。因此，NTS-3于2019年8月被美國空軍指定為先鋒計劃。

　　下一代導航衛星信號。1973年至1978年設計的原始GPS信號，在當時是一個奇跡。結合了直序擴頻、碼分多址（CDMA）和緊湊的數據電文。這些信號已經為軍事和民用用戶服務了三十年，并且仍被國防部（DoD）的所有用戶使用。盡管GPS信號優雅且可靠，1993年首次使用GPS（IOC）后，GPS的應用呈指數增長，但仍存在一些不足。根據總統令，國防部于1996年指示解決這些缺陷，制定了GPS現代化計劃。從1997年到2004年，空軍開發了四個新的衛星信號，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與傳統信號相比進行了重大改進，但其復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，驅動GPS性能和可靠性的挑戰以及解決這些挑戰的可用解決方案在不斷發展，因此有必要催生新技術成熟并投入使用。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。為了跟上新興技術和天基PNT系統的未來使用，正在開發新的衛星信號以在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的軍事輔助GPS服務，但該服務旨在滿足軍事環境的獨特需求。通過提供采集輔助和星座導航數據，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）數據。所有衛星導航系統的兩個最大誤差源是星歷預測和隨時間變化的時鐘性能。通過替代方法提供此數據將使用戶設備能夠在狀態-3（跟蹤但不解調數據）的接收機運行條件下工作更長的時間，并以更低的用戶設備功率實現更高的抗干擾性能。提供此數據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），該方法允許用戶設備對衛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據包大小。通常以每15分鐘間隔的X、Y和Z來考慮衛星軌道。使用更大的數據包可以實現更高的精度，但是必須考慮帶寬和數據存儲要求。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據大小的交易。

　　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。為了應對這一日益嚴峻的挑戰，空軍研究實驗室（AFRL）與多個貢獻者合作開發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信號的導航數據和擴展碼。CHIMERA使用時間綁定，其中擴展代碼被標記打孔，這些標記使用從數字簽名的導航電文派生的密鑰以密碼方式生成。導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，網絡輔助），將提供快速通道。

　　CHIMERA增強功能的基本操作始于GPS發射機對數據進行數字簽名，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字簽名（慢通道）或單獨生成的密鑰（快通道）。用戶設備可以使用GPS公共證書來驗證簽名，從而驗證數據的真實性和信號的時序。圖1概述了CHIMERA的增強功能。

　　用戶設備也是NTS-3的關鍵實驗部分。為了充分利用在軌可重編程性，用戶設備也必須可重編程。NTS-3建立在十年來由聯邦政府資助的衛星導航軟件定義接收機（SDR）開發的基礎上，它將利用MITRE的全球導航衛星系統測試架構（GNSSTA）來實現用戶設備功能。SDR在整體范圍內用于發射機（空間），接收機（用戶）和監視（地面）條件下，是未來衛星導航系統的關鍵賦能技術。用于GNSS的當前固定頻率和調制方式已經（并將繼續提供許多年）提供了出色的PNT服務。但是，在將來，需要更快速地部署功能和增強對威脅的響應能力，這將需要跨所有系統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。調制、功率、多路復用、數據成幀和數據內容都是可配置的。與相控陣天線結合使用時，多個導頻和數據通道將支持在整個行動區域同時執行任務。借助NTS-3，靈活性的構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。精準授時是GNSS的關鍵賦能技術。NTS-3星上原子鐘將受到密切監視，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系統使用。

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

　　地面控制對于任何衛星導航系統的正常運行至關重要。隨著引入了可重編程性，地面控制系統必須不斷發展，以應對增加的復雜性。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，進一步增強衛星地面控制架構。NTS-3地面控制系統必須與整體的地面服務（EGS）體系架構兼容。一旦完全建立，EGS將利用大數據并促進更輕松的數據共享、態勢感知和協作。這允許將舊數據和平臺用于新用途。NTS-3設計用于EGS和傳統地面系統。其中一個重要方面是合并商業指揮和控制地面站點，以增加與衛星的接觸。

　　結論。NTS-3將推動衛星導航技術的前沿，進入一個先進技術的時代，這將使未來的衛星導航架構更加敏捷、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。設計可以快速部署新功能的系統體系架構將是NTS-3在空間、地面控制和用戶段中的關鍵演示。