从美军PNT体系进展看自主时空战略能力构建的新路径

时间：2020-06-06 21:12:42 来源：职场写作网 本文已影响人

对于依赖全球导航卫星作为惟一定位、导航与授时（PNT）信息源的用户而言，在导航卫星因故障、敌对打击或干扰等原因无法提供服务或所处位置难以接收卫星信号时，将可能面临致命的灾难。美国国防部高级研究计划局（DARPA，Defesnse Advanced Research Projects Agency）新一代PNT系统建设已经取得初步成果，战场上的终端用户将具备高精度自主导航能力，从而摆脱对卫星和网络的依赖。从路径创新出发，重视研究新机理、研制新设备、开发新算法，才能在自主时空战略能力构建中真正擺脱对国外技术的依赖——

美军PNT体系的建设进展

规划国家PNT体系，增强对抗性环境下PNT服务的完备性

美国政府研究认为，GPS系统固有的脆弱性与局限性，使其难以全方位满足国家安全、经济发展、基础设施稳定运行与民众日常生活的PNT需求。为了解决美国高精度PNT服务在可用性、可靠性方面面临的潜在威胁，美国联邦政府相继出台了《联邦无线电导航规划》（国防部、国土安全部与运输部，2005年）、《联合PNT能力文件》（美国战略司令部，2006年）、《国家PNT架构研究》（原国家太空安全办公室，2008年）、《国家PNT体系执行计划》（国防部与运输部，2010年）等文件，提出了国家PNT体系的概念，制定了面向2025年的国家PNT体系建设路线图，明确了国家PNT体系建设的重点，一是物理遮蔽环境下安全、可靠、实时的PNT能力;二是电磁干扰环境下安全、可靠、实时的PNT能力;三是满足更高精度和完好性需求的能力;四是当PNT信号变弱或有误时的预警、报警能力;五是高空或太空定位和定向的能力;六是用户及时接入地理空间信息，进行导航的能力;七是确定遮蔽条件对PNT影响的建模能力。在国家安全空间办公室（NSSO）的主导下，美国国防部与运输部联合发布的《国家PNT体系执行计划》制定了2025年前国家PNT体系建设路线图，并对国防部相关下属机构及运输部、商务部和内政部等共31个联邦机构进行了任务分工。国防部在GPS系统的基础上，以自主导航、通信与PNT融合等为途径，满足未来对抗条件下的军用PNT需求;民用PNT管理机构，在以GPS系统为首选方案并利用天基（WAAS）、地基增强系统提升服务性能的同时，部署和建立“增强型罗兰”（e-LORAN）等GPS备份系统。

PNT关键组件研发投资力度加大，主要项目通过试验室验证

PNT关键组件技术、材料和制造工艺的研发由国防部高级研究计划局（DARPA）的微系统技术办公室（MTO）主导，主要项目有微型定位/导航与授时技术（Micro-PNT）、增强稳定性原子钟（ACES）等。

Micro-PNT于2010年1月启动，主要是利用微机电系统（MEMS）的微型化技术来开发高度小型化、精度更高、稳定性更好的芯片级陀螺仪和时钟，以及充分集成的授时和惯性测量装置，其子项目主要包括授时和惯性测量装置（TIMU）、微型速率积分陀螺仪（MRIG）、活动层的主次校准（PASCAL）、芯片级组合原子导航仪（C-SCAN）。Micro PNT项目主要合作伙伴有Qualtre公司和霍尼韦尔航空航天（Honeywell Aerospace）公司等，2015财年一度停滞，近期随着新增经费的投入，导航级的MEMS陀螺仪已经通过了试验室验证。

增强稳定性原子钟（ACES）于2016年初启动，旨在取得抗精度削弱方面的突破，设计和制造出新一代超低功耗、超高稳定度的原子钟。根据DARPA发布的广泛机构公告（BAA），ACES项目总预算达到5000万美元，计划分三个阶段实施，最终目标是将所有电子组件集成到50cm³的体积内，质量在100g以内，性能则是当前原子钟的1000倍。

PNT系统级预研项目进展顺利，为装备开发和部署奠定基础

PNT系统级预研由国防部DARPA的战略技术办公室（STO）主导，主要项目有自适应导航系统（ANS）、对抗环境下的空间/时间与方向信息（STOIC）、精确鲁棒惯性制导弹药（PRIGM）等。

ANS系统于2011年启动，包括开发冷原子干涉陀螺仪的“精确惯性导航系统”（PINS）项目，寻求校准导航源和开发导航新算法与软件结构的“全源定位与导航”（ASPN）项目，合作伙伴为Leidos公司、SRI公司和佐治亚理工学院等。ANS系统已先后完成了平台演示验证和端对端的演示验证，将能够满足室内、丛林、水下、地下等弱卫星信号环境及强对抗战场环境下的PNT需求。

在“量子辅助感知与读取”等项目研究成果的基础上，STOIC系统于2015年春季启动，主要包括开发漂移小于1纳秒/月的新型光学时钟和实现在不同战术数据链间的精确时间转换等。STOIC项目的合作伙伴包括Argon ST公司、Leidos公司、Draper试验室以及佛罗里达大学等，现已完成了第一阶段的概念设计、建模、仿真和用于概念验证的数据收集等工作，即将转入第二阶段，进行详细设计并开发样机系统。

PRIGM项目于2016财年启动，主要由诺斯罗普·格鲁曼公司承担，计划投入1630万美元，将应用到MicroPNT项目的研发成果，其中导航级惯性测量装置，即在武器系统中应用导航级微机电系统，实现在GPS拒止环境下的弹药制导功能;先进惯性微型传感器，旨在计划实现光子技术和微电磁系统的-集成，实现弹药在发射和飞行阶段的导航功能。

A-PNT系统开发由陆军主导，距实战化部署仅一步之遥

PNT是陆军大量信息系统的关键支撑，固定频率的GPS系统受威胁和战争环境的影响，难以保证作战人员访问的完整性，仅用GPS無法满足地面战场上信息系统对PNT可靠性的要求。为此，美军参联会负责统筹军事需求的联合需求监督委员会（JROC）于2010年4月5日发布了“批准可靠PNT（A-PNT）初始能力文件”的第049-10号备忘录，同时指定陆军作为A PNT能力开发的主导军种，在GPS系统受限制或无法访问的情况下，为部队提供可靠的PNT信息。2014年7月，陆军需求评审委员会（AROC）批准了A-PNT初始能力开发文件，该项目正式进入装备采办的技术开发阶段。2015年初，美陆军成立了直接向采办、后勤和技术（ASA/ALT）副部长负责的PNT项目办公室，推动从传统GPS能力向A-PNT能力的转型。2016年8月，美国陆军成立快速能力办公室（Rco），将A-PNT列为其三项重点任务之一。A-PNT共包含4个子项目：（1）利用地面无线电导航提供类似GPS服务的伪卫星项目;（2）为固定位置与车辆平台提供PNT服务的乘车PNT项目;（3）为士兵提供PNT项目;（4）在威胁环境下保护GPS信号和增强PNT可靠性的抗干扰项目。

2017年6月，陆军快速能力办公室负责人威尔逊·肖夫纳少将称，继电子战系统项目完成作战试验与鉴定，进入生产与部署阶段后，首个A-PNT项目将在2018年初的“网络集成鉴定”（NIE）演习中接受作战评估，距实战化部署仅一步之遥。

PNT建设的影响与挑战

采用开放式体系架构，增强复杂环境适应性

针对GPS的广泛应用，美国制定了开放式PNT体系架构的“较大公分母策略”，其核心思想是通过外部提供的、公共可用的方案，满足众多用户的核心需求，而不是采用大量用户定制的系统;鼓励发展多机理技术，尽量采取可交换方案，以保证PNT的稳健性和对多样化资源的利用率;追求PNT与新兴通信技术的融合;促进跨机构协同和提升信息共享水平。

作为国防部长办公室“PNT开放系统架构倡议”的重要组成部分，美国陆军通信电子研发与工程中心（CEPODEC）新兴技术办公室正在与空军理工学院（AFIT）联合开发以“蝎子”（Scorpion）软件为核心的“即插即用”传感器开放式架构，在GPS无法提供服务的环境下，灵活地选择相应传感器所提供的位置与导航信息，将显著增强对复杂电磁环境和物理屏蔽环境的适应性。

摆脱对GNNS的依赖，将形成非对称信息优势

全球卫星导航系统国际委员会（ICG）认为电磁环境已成为制约GNSS（GNSS的全称是全球导航卫星系统，它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Gallieo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS广域增强系统、欧洲的EGNOS静地导航重叠系统和日本的MSAS多功能运输卫星增强系统等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统——编者注）实现其预定功能和性能的关键因素。针对GNNS接收系统的低成本、低功耗干扰性能，使得这种关键信息优势所面临的风险不断增加。功率仅4W的GPS干扰机就能对145km外的机载GPS接收机造成干扰。据美国《基督教科学箴言报》披露，2011年12月4日，美国空军投入阿富汗战场不久的一架RQ170“哨兵”无人机就是因遭到通信干扰和GPS信号欺骗，被伊朗军方成功捕获的。研发GPS干扰对抗设备的美国Exelis公司负责人称，在网上只需花25美元就可购买到能够屏蔽一辆汽车周围GPS信号的干扰机。2017年7月，黑海事件中约20艘舰船据称受俄罗斯设备干扰，偏离预定位置25海里。

当前，欧盟、俄罗斯、日本和印度等国都在积极研发各自全球或区域卫星导航系统，我国北斗三号全球组网卫星也已进入密集发射阶段，在定位精度和短报文服务方面甚至呈现后来居上的态势。

美国军方在推动保护（Protect）、强化（Toughen）和增强（Augment）GNNS计划（即PTA计划）的同时，汇聚多家国防部机构与联邦政府部门、顶级大学和军工企业的力量，启动新一代PNT计划，积极寻找GNNS替代方案，谋求保证在GPS卫星出现故障、遭敌打击或干扰等情况下，依旧能提供稳健、可靠、高精度的PNT服务，将形成新的军事信息系统非对称优势。

开辟PNT的新路径，将有效牵引颠覆性基础研究

面对武器系统在对抗环境下，向自主长航时高精度方向不断发展的需求，开辟不依赖GNSS的PNT新路径进一步对量子信息技术等颠覆性基础研究形成有效牵引。随着电子技术、光学技术、小型化低成本技术的发展，光纤和激光陀螺仪逐渐替代传统的机电陀螺仪，微惯性导航技术、量子导航技术、脉冲星导航技术、自适应导航技术等不依赖GNSS的导航技术逐步成熟。基于量子探测技术的冷原子传感器在替换传统陀螺仪后，使不依赖卫星的导航精度至少提高100倍，从而满足深海持续航行等方面的需求。基于量子信息科学的时准设备，如美国国家标准与技术研究院的量子逻辑钟是全球最准确的时准设备之一。美国国防部2013～2017年科技发展“五年计划”已将量子信息与控制技术列为未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一，重点投资精密导航、精确授时和安全量子网络等在国家安全领域的应用。2016年7月，美国国家科技委科学委员会和国土与国家安全委员会联合发布报告《推进量子信息科学发展：国家的挑战与机遇》，也把探测与计量列为量子信息科学影响最大的领域之首。

推进我军自主时空战略能力构建的对策建议

强化卫星导航系统抗干扰能力，确保北斗系统PNT服务的可用性

毋庸置疑，在当前和未来相当长的时期内，卫星导航系统仍将是精度最高的PNT方案，而北斗导航系统则是我国自主时空战略能力构建的基石，必须从强化卫星信号、提高接收机抗干扰能力和推进基础芯片自主可控等方面入手，为全球用户提供连续、稳定、可靠的PNT服务。一是持续维护和完善北斗系统，及时采用新的卫星信号设计方法，如新型导航信号体制、星问链路、高精度卫星钟、导航信息认证等关键技术，进一步增强北斗系统星座稳健性，为系统服务向全球拓展奠定坚实基础。二是加速攻关自适应抗干扰天线、欺骗干扰识别与信号认证、更稳健的接收信号捕获与跟踪等技术，在铁路、电力、交通、金融、海事等国家关键基础设施领域推广应用抗干扰接收机。三是加强北斗产品检验、检测与认证，打破北斗基础芯片从原材料、算法到制造工艺对国外的依赖，突破芯片设计瓶颈，实现北斗基础产业从芯片、器件、天线、模块到终端的全自主产业链。

推进国家综合PNT体系构建工程，实现“多元智能化”的PNT服务模式

以北斗系统PNT服务为核心，融合其他GNSS、伪卫星、量子导航、微型原子钟以及各类低轨卫星、水下声纳、天文定位等基于不同背景、不同原理的多元化PNT信息源，打造基准统一、抗干扰、防欺骗、稳健可靠、连续可用的全时空PNT服务体系。一是推进多元化PNT系统信息的深度融合。采用中国2000坐标基准和北斗时间标准，实现多源PNT系统观测信息函数模型的统一表达，建立深度PNT信息融合的基础。建立合理优化的随机模型和计算方法，确保融合后的PNT不仅可用性和连续性得到提升，稳健性和可靠性也得到显著增强。二是实现PNT服务终端的芯片化集成。发展微机电传感器的深度集成技术，实现无线电导航、惯性导航组件和微型原子钟组件等微型装置在综合PNT服务终端的芯片化集成、零系统间偏差与自适应切换，满足多源信息感知的敏感性、抗干扰性、稳定性要求，为各类空、地机动平台提供微纳级、低功耗、长航时、自适应的智能化PNT服务終端。

聚力攻关基于量子效应的精密测量，抢占未来PNT产业的技术制高点

一是加大对能量循环型量子弱测量、激光冷却和陷俘原子技术等量子精密测量领域的基础研究，突破经典量子测量精度的极限。二是大力推进自旋磁共振操控技术、微光机电加工技术的发展，进一步提高核磁共振陀螺仪、热原子干涉陀螺仪等原子陀螺仪的精度与集成度，满足智能弹药等在高动态、高过载环境下对高精度PNT服务的需求。三是逐步开展大众定位导航市场应用，在微小体积、低成本条件下不断提高定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域自适应导航新能力。

编辑/刘兰芳