美軍定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力發(fā)展分析

武珺 張宇彤 麻鐵昌 仵博

（1 北京空間科技信息研究所，2 中國空間技術(shù)研究院，3 航天科工空間工程發(fā)展有限公司，4 戰(zhàn)略支援部隊(duì)航天系統(tǒng)部）

近年來，美國致力于通過全球定位系統(tǒng)（GPS）現(xiàn)代化升級、發(fā)展GPS 補(bǔ)充備份技術(shù)等途徑提升其在復(fù)雜環(huán)境中獲取PNT 服務(wù)的能力，謀求定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）領(lǐng)域的不對稱優(yōu)勢，在這一過程中，其軍事PNT 體系不斷發(fā)展、完善。本文圍繞美國國防部聚焦發(fā)展GPS 系統(tǒng)，尋求發(fā)展數(shù)項(xiàng)GPS 補(bǔ)充備份技術(shù)，以及美國國防部不同種類PNT 技術(shù)的集成與能力的整合展開分析，對相關(guān)導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)、項(xiàng)目進(jìn)展、技術(shù)前沿動(dòng)態(tài)進(jìn)行介紹，給出對美軍PNT 體系架構(gòu)、系統(tǒng)建設(shè)、技術(shù)發(fā)展的理解與認(rèn)識。

1 美軍PNT 能力建設(shè)進(jìn)展

美軍致力于確保其GPS 系統(tǒng)優(yōu)勢地位，并結(jié)合其他PNT 信息源，進(jìn)一步提升獲取PNT 服務(wù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

應(yīng)對潛在威脅，持續(xù)推進(jìn)GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化工作

為應(yīng)對針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及服務(wù)的干擾、欺騙、賽博攻擊等能力的發(fā)展，降低衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)降級或拒止的風(fēng)險(xiǎn)與概率，美國積極推進(jìn)GPS 現(xiàn)代化計(jì)劃。

空間段方面，GPS 星座逐步用新型第三代GPS衛(wèi)星替代老舊型號衛(wèi)星。GPS-3 衛(wèi)星與之前的型號相比，其創(chuàng)新與能力變化的主要包括：①新的L1C 信號為互操作信號，與載波頻率為1575.42MHz 的其他系統(tǒng)開放服務(wù)信號實(shí)現(xiàn)了兼容與互操作；②衛(wèi)星有效載荷的數(shù)字化率達(dá)到70%；③原子鐘性能進(jìn)一步提升，衛(wèi)星搭載1 部脈沖光抽運(yùn)銫束鐘、3 部改進(jìn)型磁選態(tài)銣原子鐘，頻穩(wěn)可達(dá)10量級，定位精度提高3 倍，空間信號測距誤差小于1m；④GPS-3 衛(wèi)星導(dǎo)航信號抗干擾能力是原先的8 倍；⑤衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命增加至15 年。

GPS-3 衛(wèi)星

GPS-3 衛(wèi)星發(fā)射及入役時(shí)間

地面段方面，美軍持續(xù)推進(jìn)“新一代運(yùn)控系統(tǒng)”（GPS OCX）的研發(fā)與部署，支持M 碼能力逐步增強(qiáng)，為了支持星座未來發(fā)展，授出新合同以強(qiáng)化對星座的運(yùn)控能力?！靶乱淮\(yùn)控系統(tǒng)”的目標(biāo)是全面滿足現(xiàn)代化GPS 系統(tǒng)空間段的運(yùn)行、控制與管理要求，保證GPS 系統(tǒng)的運(yùn)行安全。近年來，美軍GPS 地面運(yùn)行控制系統(tǒng)的能力取得了以下重要進(jìn)展：

2020 年7 月，美國太空與導(dǎo)彈中心（SMC）完成了GPS 主控站和備用主控站GPS 運(yùn)行控制系統(tǒng)M 碼早期使用模塊的軟硬件改造，于11 月驗(yàn)收并交付美軍，這使得運(yùn)控系統(tǒng)在OCX Block 1/2 交付前，能夠支持GPS 星座執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，接收和監(jiān)控M 碼，支持現(xiàn)代化用戶設(shè)備進(jìn)行測試。

司。美國天軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心于2021 年4 月30日將價(jià)值2.28 億美元的GPS“新一代運(yùn)控系統(tǒng)”后續(xù)合同OCX 3F 授予雷聲情報(bào)與航天公司（RI&S），該合同的內(nèi)容是對OCX Block 1 和2 系統(tǒng)再升級。OCX 3F 旨在具備支持美國國防部最新的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全性和抗干擾能力的提升、運(yùn)行控制現(xiàn)代化軍事信號能力的增強(qiáng)、對第三代GPS 衛(wèi)星新的全球覆蓋的軍碼（M 碼）信號的支持、可監(jiān)測新的“伽利略”兼容和生命安全信號等功能；合同預(yù)計(jì)交付日期為2025 年7 月。

美軍除明確規(guī)定未來軍用接收機(jī)不僅能夠支持GPS 系統(tǒng)新功能、支持相關(guān)增強(qiáng)系統(tǒng)、兼容其他各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)外，正積極推進(jìn)新的支持M 碼的硬件設(shè)備的生產(chǎn)、測試與交付?？垢蓴_能力更強(qiáng)的軍用導(dǎo)航信號——M碼是美軍GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵一招。通過開發(fā)支持M 碼的設(shè)備，美軍進(jìn)一步將其集成到專用的GPS 接收機(jī)中，通過接收和使用GPS 衛(wèi)星播發(fā)的M 碼信號，服務(wù)美國軍機(jī)、艦船、作戰(zhàn)車輛及其他武器系統(tǒng)。

軍事PNT 能力發(fā)展策略以使用GPS 為重點(diǎn)，同時(shí)尋求發(fā)展數(shù)項(xiàng)備選PNT 技術(shù)

GPS 系統(tǒng)是美軍PNT 架構(gòu)的核心，在強(qiáng)健GPS系統(tǒng)的同時(shí)，美軍也通過發(fā)展慣性導(dǎo)航和其他備選PNT 技術(shù)完善軍事PNT 體系構(gòu)成。

固相微萃取（solid-phase microextraction,SPME）技術(shù)是基于固相萃取技術(shù)發(fā)展起來的一種新的樣品預(yù)處理方法[1]。頂空固相微萃?。℉S-SPME）是將萃取頭垂直置于供分析液體或固體樣品上方的氣相中，萃取、吸附揮發(fā)性或半揮發(fā)性組分[2]。特別適合于微量揮發(fā)性成分的富集，操作簡便，能有效減少底物及液態(tài)基質(zhì)中干擾物質(zhì)的影響，具有集采集、萃取、濃縮、進(jìn)樣、分析于一體，無需溶劑，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，方便與色譜儀器聯(lián)用等特點(diǎn)[3-4]。固相萃取與氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用是近年來發(fā)展起來的方法，可用來分析揮發(fā)性香氣成分及水和果蔬中的農(nóng)藥殘留。

慣性導(dǎo)航技術(shù)通過測量載體在慣性參考系的加速度，對時(shí)間進(jìn)行積分，變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，得到速度、偏航角和位置等信息?；谠摷夹g(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于外部信息（這里指環(huán)境特征信息，而非時(shí)空基準(zhǔn)信息），不向外輻射能量，屬于自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS 系統(tǒng)的軍事應(yīng)用示意圖

該技術(shù)基于慣性傳感器和原子鐘等器件，可以在一定時(shí)間內(nèi)為沒有GPS 的平臺提供PNT 信息，但誤差會(huì)隨著時(shí)間的增加而積累,需要在更長時(shí)間條件下獲取時(shí)空基準(zhǔn)信息，并對其校正。目前，GPS 是提供這種重設(shè)能力的關(guān)鍵途徑。因此，按照應(yīng)用需求，慣性導(dǎo)航也時(shí)常與衛(wèi)星導(dǎo)航配合使用。

美國國防部也在尋求使用天體導(dǎo)航、磁性導(dǎo)航和基于地面圖像分析的環(huán)境測繪和導(dǎo)航策略，以及通過地基或天基非GPS 射頻信號來獲取PNT 信息。雖然沒有一種方法能與GPS 的服務(wù)性能相媲美，但這些使用外部信息源的方法也顯示出其提供PNT 信息的應(yīng)用前景。

重視PNT 技術(shù)集成、信息交互傳遞等相關(guān)能力建設(shè)

基于不同物理原理的多源PNT 數(shù)據(jù)如何融合、傳感器如何深度集成并且做到低功耗，除GPS 途徑以外機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)平臺之間以何種途徑傳遞時(shí)間信息，這些問題對美軍軍事PNT 架構(gòu)效能的發(fā)揮至關(guān)重要。為了掌握PNT 新技術(shù)的能力及其局限性，并為軍事平臺提供一條經(jīng)濟(jì)、高效的集成路徑，美軍支持開展“國防部層面的開放式體系架構(gòu)”和“面向機(jī)動(dòng)平臺非GPS 途徑的時(shí)間傳遞”等計(jì)劃。

美軍慣性導(dǎo)航技術(shù)

美軍基于環(huán)境特征的導(dǎo)航技術(shù)與其他無線電導(dǎo)航技術(shù)

美國國防部通過模塊化開放式系統(tǒng)方案加快新PNT 能力的集成，以應(yīng)對GPS 面臨的新威脅。目前，開發(fā)和集成各種PNT解決方案時(shí)間漫長且成本高昂，針對于某項(xiàng)任務(wù)的專有解決方案很難與其他解決方案相融合。為此，美軍通過采用模塊化開放式系統(tǒng)方法（MOSA）減少新的PNT 能力集成和部署的時(shí)間與成本。美陸軍和海軍已開發(fā)出各自的PNT 參考架構(gòu)，并對模塊化開放體系架構(gòu)進(jìn)行了定義。美國空軍的PNT 參考架構(gòu)的研發(fā)工作剛剛啟動(dòng)。

2 美軍PNT 技術(shù)關(guān)鍵賦能應(yīng)用

美軍在GPS 系統(tǒng)空間段、地面段、用戶段多措并舉推力促M(fèi) 碼早日形成戰(zhàn)力

M 碼是GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)，信號穩(wěn)健性和靈活性優(yōu)于美軍目前使用的P（Y）碼。

美國天軍于2021 年6 月17 日發(fā)射了第五顆GPS-3 衛(wèi)星，其將用于取代星座中的老舊型號衛(wèi)星。該衛(wèi)星從2021 年7 月起播發(fā)導(dǎo)航信號，2022 年5 月正式入役后，使得星座中支持M 碼播發(fā)的衛(wèi)星數(shù)量增加至24 顆，達(dá)到GPS 星座基線數(shù)量基本要求，這對于美軍在全球范圍內(nèi)獲取抗干擾能力更強(qiáng)的軍碼信號至關(guān)重要。另一方面，地面段建設(shè)也取得里程碑式進(jìn)展，GPS 系統(tǒng)地面控制段M 碼早期使用功能于2020 年11 月通過軍方驗(yàn)收，顯著增強(qiáng)了美軍對新型GPS 軍事用戶設(shè)備進(jìn)行測試的能力。此外，2021 年，美國國防后勤局已授予BAE 系統(tǒng)公司價(jià)值3.255 億美元的先進(jìn)軍事代碼（M 碼）GPS 模塊合同，根據(jù)這份多年期合同，BAE 系統(tǒng)公司將為美國國防部及其盟友提供支持先進(jìn)M 碼信號的現(xiàn)代化GPS 軍事用戶設(shè)備產(chǎn)品，即通用GPS 模塊（CGMs），以滿足2030 年之前的庫存需求，該合同后追加經(jīng)費(fèi)至6.41億美元。

多源PNT 技術(shù)在戰(zhàn)訓(xùn)、演示驗(yàn)證試驗(yàn)方面前沿動(dòng)態(tài)

美國所謂的“印太地區(qū)”“印太戰(zhàn)略”，不僅想抹去“亞太”的名稱，抹去亞太地區(qū)行之有效的區(qū)域合作架構(gòu)，還想抹去幾十年來該地區(qū)各國共同努力創(chuàng)造的和平發(fā)展成果和勢頭。其通過軍演、先進(jìn)武器測試等多種手段挑動(dòng)亞太國家神經(jīng)，不斷加碼其在亞太區(qū)域的軍事存在，為其“印太版北約”構(gòu)想鋪路。

2019年10月，美海軍加布里埃爾·吉福茲號（LCS 10）瀕海戰(zhàn)斗艦在位于菲律賓和關(guān)島海域附近發(fā)射了GPS 精確制導(dǎo)導(dǎo)彈——海軍攻擊導(dǎo)彈（NSM），這是美國海軍第二次發(fā)射該型導(dǎo)彈，但在所謂“印度-太平洋地區(qū)”是首次發(fā)射。此次行動(dòng)是美軍與新加坡海軍開展的格里芬軍事演習(xí)的一部分。NSM 導(dǎo)彈的質(zhì)量略高于400kg，射程至少為185km，以亞音速掠海飛行，具有GPS、地形匹配、慣導(dǎo)等多種制導(dǎo)模式，可以在陸地上空飛行或掠海飛行等，在末端階段還可以做出規(guī)避機(jī)動(dòng)動(dòng)作。NSM 紅外成像導(dǎo)引頭和機(jī)載目標(biāo)數(shù)據(jù)庫可以對海上或海岸上的目標(biāo)進(jìn)行獨(dú)立的探測和識別。彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使其具備隱身能力。

美國空軍技術(shù)學(xué)院（AFIT）正在研究稱為磁異常導(dǎo)航（MAGNAV）的地磁導(dǎo)航技術(shù)，并研發(fā)了基于F-16 戰(zhàn)機(jī)的MAGNAV 飛行測試的算法，目前該算法在私人偵察機(jī)平臺完成了相關(guān)測試：在平均海拔約合304.8m 高度、使用早于飛行測試3 年繪制的地磁地圖，在1h 飛行測試中，水平均方根誤差（DRMS）為13m。從2020 年9 月開始，相關(guān)飛行測試使用空軍測試飛行員學(xué)校的F-16s 在內(nèi)華達(dá)州愛德華茲空軍基地附近進(jìn)行。

美軍多源PNT 技術(shù)的融合應(yīng)用不斷取得新的進(jìn)展

2021 年2 月，美國空軍生命周期管理中心（AFLCMC）與系統(tǒng)集成解決方案供應(yīng)商IS4S 簽訂了價(jià)值9500 萬美元的彈性嵌入式GPS/INS 導(dǎo)航系統(tǒng)（R-EGI）研發(fā)與原型樣機(jī)生產(chǎn)合同，樣機(jī)具有模塊化和在不同平臺可重復(fù)使用特點(diǎn)，采用軟件定義無線電技術(shù)等改進(jìn)的信號處理技術(shù)來規(guī)避威脅，提供可供選擇的PNT（alt-PNT）服務(wù)，并且做到成本可負(fù)擔(dān)，R-EGI 系統(tǒng)將基于F-16 戰(zhàn)機(jī)開展實(shí)驗(yàn)。

2021 年4 月，美國空軍戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)辦公室（SDPE）與美國海軍水面作戰(zhàn)中心（NSWC）合作，基于T-38 教練機(jī)平臺在科羅拉多州森特尼爾成功開展了6 次多源融合導(dǎo)航技術(shù)敏捷吊艙（AgilePod）第一階段飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了視覺導(dǎo)航算法與機(jī)會(huì)信號導(dǎo)航算法相融合來提供導(dǎo)航服務(wù)的可行性。

AgilePod 吊艙集情報(bào)、監(jiān)視與偵察功能于一體，以低成本、可重構(gòu)、智能化為特征，其采用的開放式軟件架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)硬件接口設(shè)計(jì)旨在便捷集成多源PNT 技術(shù)，有效提升武器平臺在GPS 服務(wù)降級或拒止環(huán)境中獲取PNT 信息的能力。

3 對美軍PNT 體系發(fā)展的認(rèn)識

從PNT 體系發(fā)展層面看，美軍軍事PNT 架構(gòu)在抓主次矛盾方面思路清晰。

GPS 系統(tǒng)是美軍軍事PNT 架構(gòu)的核心與基石

GPS 系統(tǒng)提供的全天時(shí)、全天候、高精度信號是美軍獲取定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的主要渠道，其還可為包含慣性導(dǎo)航等PNT 技術(shù)應(yīng)用平臺提供長期誤差修正服務(wù)。正本固元，隨著GPS 系統(tǒng)的持續(xù)升級，未來從GPS-3F 型號開始，系統(tǒng)支持導(dǎo)航戰(zhàn)的能力將進(jìn)一步提升，其預(yù)計(jì)將通過點(diǎn)波束信號功率增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域軍事保護(hù)能力；通過全數(shù)字化任務(wù)數(shù)據(jù)單元實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號在軌升級與信號重構(gòu)；此外，新一代地面運(yùn)控系統(tǒng)的賽博安全能力正分階段逐步實(shí)現(xiàn)，支持M 碼功能的、以軟件定義無線電為特征的軍事用戶設(shè)備的開發(fā)、測試及未來生產(chǎn)安排也在進(jìn)行中，以上將進(jìn)一步促進(jìn)美軍導(dǎo)航戰(zhàn)能力的增強(qiáng)。

多源PNT 是美軍軍事PNT 架構(gòu)的重要組成部分

由于機(jī)理存在差異的PNT 技術(shù)不易同時(shí)出現(xiàn)故障，所以多源PNT 十分必要。美軍在以陀螺儀、加速度計(jì)為敏感器件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)方面有長期的使用經(jīng)驗(yàn)及豐富的技術(shù)儲備，在便攜式平臺上進(jìn)行精確授時(shí)的小型化原子鐘、圖像匹配分析導(dǎo)航等方面有著廣泛的軍事應(yīng)用，在磁性導(dǎo)航、天體輔助導(dǎo)航技術(shù)等領(lǐng)域的研發(fā)也處于領(lǐng)先地位；同時(shí)也在逐步恢復(fù)對地基低頻技術(shù)的重視。

PNT 技術(shù)集成、PNT 信息交互傳遞和多源PNT 效能評估等能力的發(fā)展為美軍PNT 架構(gòu)提供保障

以美國國防部PNT 科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃為例，在“模塊化開放式系統(tǒng)”計(jì)劃中，模塊化要求組件是離散的，彼此之間的依賴性較低，這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，需要做到使增加未來技術(shù)升級機(jī)會(huì)帶來的益處超出性能的潛在損失；架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)要適應(yīng)不斷變化的要求和能力，需要考慮管理和維持問題……對這些問題的深入理解將為相關(guān)國防規(guī)劃與投資決策提供關(guān)鍵信息支持。