導讀：今年8月，美國國防部（DoD）公開了其2018年11月的《國防部定位、導航和授時（PNT）整體戰(zhàn)略——確保美國軍隊PNT優(yōu)勢》報告。該報告強調(diào)了4個方面：一是GPS可能會在***受到干擾；二是接收機需要擁有多種不同的PNT源和模塊化開放系統(tǒng)；三是民間使用會阻礙***利用GPS取得***優(yōu)勢的努力；四是國防部PNT正在增強保密努力，不與民間用戶共享。

PNT（Positioning, Navigation and Timing）是三種不同功能的組合

   據(jù)美國交通部的定義，PNT（Positioning, Navigation and Timing）是三種不同功能的組合：

   定位（Positioning），是能夠參照標準大地測量系統(tǒng)（例如世界大地測量系統(tǒng)1984，或稱WGS84），以二維（或在需要時以三維）準確和***地確定一個人的位置和方向；

  導航（Navigation），是能夠確定當前和所需（相對或***）位置，并對航向、方向和速度進行修正，以實現(xiàn)在世界任何地方從地下到地面以及從地面到空間獲得所需位置；

   授時（Timing），是可以在世界上任何地方，在用戶定義的時效性參數(shù)范圍內(nèi)，從標準（協(xié)調(diào)世界時，或稱UTC）獲取并保持準確和***的時間。授時還包括時間轉(zhuǎn)移。

   2004年，美國總統(tǒng)簽署并頒布了《美國國家天基定位、導航與授時政策》（U.S. Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy），取代了1996年美國總統(tǒng)頒布的《美國***定位系統(tǒng)政策》（U.S. Global Positioning System Policy），采用PNT概念取代GPS，標志著衛(wèi)星導航系統(tǒng)進入以PNT為基本要素的新時代。2004年，成立“國家天基定位、導航和授時執(zhí)行委員會”（National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing），其作為軍民聯(lián)合體從國家層面對GPS項目進行關(guān)注和指導，并直接向白宮匯報。天基PNT包括GPS、GPS增強系統(tǒng)和其他***導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。雖然“***導航系統(tǒng)”（GPS）作為美國主要的天基PNT服務提供設(shè)施已在美國甚至***擁有廣泛應用，但其固有的脆弱性正逐步影響著PNT服務的可用性和魯棒性。

   2010年，美國總統(tǒng)新版《國家太空政策》指令指出，“維護和增強天基定位、導航和計時系統(tǒng)。美國必須在***導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的服務，提供和使用方面保持***地位。”因此，美國***和商業(yè)公司等正在努力開發(fā)驗證GPS新技術(shù)和PNT新技術(shù)。

一、導航技術(shù)衛(wèi)星3/NTS-3

   2018年12月，美國空軍研究實驗室（AFRL）航天飛行器局向哈里斯公司（Harris Corp.）授予價值8040萬美元的NTS-3合同，其將使用諾斯羅普?格魯曼公司（Northrop Grumman）價值3000萬美元的ESPAStar平臺建造NTS-3。NTS-3（Navigation Technology Satellite-3，導航技術(shù)衛(wèi)星-3）是美國空軍研究實驗室的一顆PNT試驗衛(wèi)星，驗證如何使GPS星座為核心構(gòu)建的軍用PNT體系架構(gòu)更具彈性，預計將在2023年發(fā)射到地球同步靜止軌道（GEO）進行試驗驗證。NTS-3旨在測試新的硬件，包括可在軌重新編程的數(shù)字信號發(fā)生器，其可使操作員在遇到電子威脅時可快速部署新信號。NTS-3是美國***自NTS-2后40年來***開展的衛(wèi)星導航技術(shù)任務，尤其重點驗證分散式、彈性PNT能力。

NTS-3效果圖（AFRL）

NTS-3效果圖（AFRL）

   NTS-3的重量遠低于GPS-3，NTS-3重1250公斤，而洛克希德?馬丁航天系統(tǒng)公司生產(chǎn)的GPS-3重4400公斤。NTS-3有效載荷不同于GPS-3，其具有完全可在軌重新編程能力，采用L波段直接數(shù)字合成方法實現(xiàn)100%數(shù)字化。NTS-3還將配備***的固態(tài)放大器和電子控制的相控陣天線，可使運營商控制波束并向需要的地方集中。哈里斯公司為NTS-3開發(fā)的可控相控陣天線可以對波束進行操控，是導航有效載荷的關(guān)鍵組成部分。相比之下，GPS-3的相控陣天線是衛(wèi)星平臺的組成部分，不能主動操縱。NTS-3將整個信號生成和射頻鏈展示為一個集成的有效載荷，為未來的技術(shù)轉(zhuǎn)型和潛在的主要有效載荷展示了模塊化和可擴展性。

   NTS-3還將展示太空和地面的新戰(zhàn)術(shù)來推進天基PNT的發(fā)展。這些措施包括提高自動化程度、加大使用商業(yè)地面資源以及新的網(wǎng)絡(luò)安全程序。據(jù)預測，NTS-3將影響未來GPS-3升級，或者可能會構(gòu)成一個全新的星座框架。從NTS-3獲得的技術(shù)驗證將為未來幾代GPS發(fā)展以及GPS星座增強的潛在方案提供技術(shù)支撐。

二、適應性導航系統(tǒng)/ANS

   為了解決軍隊在使用基于GPS的PNT服務時易受干擾和特殊環(huán)境無法訪問的挑戰(zhàn)，美國國防高級研究計劃局（DARPA）提出了“適應性導航系統(tǒng)”（Adaptable Navigation Systems，ANS）尋求向***用戶提供GPS質(zhì)量的PNT，而不管其運行環(huán)境如何。

   ANS通過其“精密慣性導航系統(tǒng)”（Precision Inertial Navigation Systems，PINS）和“全源定位和導航”（All Source Positioning and Navigation，ASPN）的努力解決了3個基本挑戰(zhàn)：

 1）需要更少外部位置確定、更好的慣性測量單元（IMU）；

 2）用于外部位置確定的GPS替代源；

 3）為特定任務的新型和非傳統(tǒng)傳感器快速重新配置導航系統(tǒng)的新算法和體系結(jié)構(gòu)。

   作為DARPA正在開發(fā)具有導航級別或更高級別芯片級慣性傳感器的Micro-PNT項目補充，PINS正在開發(fā)一種使用冷原子干涉測量技術(shù)進行高精度導航而無需長時間依賴外部位置確定的慣性測量單元。原子干涉測量法涉及測量傳感器外殼內(nèi)原子云的相對加速度和旋轉(zhuǎn)度，其精度可能遠高于當今******的慣性測量單元。

   即使是可持續(xù)（工作）長時間的慣性測量單元都需要***終的定位，因此ASPN正針對性開發(fā)使用機會信號的傳感器，這些機會信號是來自電視、廣播、手機信號塔和衛(wèi)星，以及如閃電等自然現(xiàn)象的非導航信號。將不同的傳感器、地圖和其他組件集成和調(diào)整到導航系統(tǒng)中既昂貴又緩慢，因此需要針對平臺和特定任務的解決方案。為了應對這一集成挑戰(zhàn)，ASPN也在努力開發(fā)新的融合算法和即插即用處理體系結(jié)構(gòu)，以在導航系統(tǒng)上快速集成和近實時重新配置或升級傳感器、慣性測量單元設(shè)備、地圖和數(shù)據(jù)庫。通過允許現(xiàn)有導航傳感器和新導航傳感器的靈活組合，ASPN尋求在各種平臺、環(huán)境和任務中改善導航系統(tǒng)的準確性、魯棒性和成本。

ASPN項目概覽

2019年6月6日公布的***新ASPN項目概覽（DARPA）

   DARPA官網(wǎng)顯示，ASPN已在空中、陸地和海上平臺上完成了多次現(xiàn)場演示。其中，該項目在2015財年的機載驗證中，進行了導航的快速配置/現(xiàn)場集成，使用了慣性測量單元（IMU）、地球觀測圖像、空速（計）、磁強計、雷達高度計等傳感器，實現(xiàn)了無GPS情況下保持約20米的定位精度。

ASPN項目2015財年機載驗證（DARPA）

ASPN項目2015財年機載驗證（DARPA）

三、對抗環(huán)境中的空間、時間和方向信息/STOIC

STOIC項目系統(tǒng)示意（DARPA）

STOIC項目系統(tǒng)示意（DARPA）

   美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“對抗環(huán)境中的空間、時間和方向信息”（Spatial, Temporal, and Orientation Information in Contested Environments，STOIC）項目旨在開發(fā)一種備用PNT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供GPS級別性能而無需依賴GPS即可獲得更好的性能。STOIC包含3個技術(shù)領(lǐng)域（或功能），這些技術(shù)領(lǐng)域整合后將有可能提供獨立于GPS的***PNT服務：

 1）使用甚低頻（VLF）信號的地面固定導航；

 2）基于DARPA的QuASAR項目開發(fā)技術(shù)的可部署光學時鐘；

 3）通過數(shù)據(jù)鏈路進行***的時間傳輸和測距。

上述3個相對獨立的功能的要求或目標如下：

 1）甚低頻定位系統(tǒng)：全方位、穩(wěn)健的參考信號提供GPS級精度

 2）超穩(wěn)定的光學時鐘：堅固耐用的下一代高精度時鐘為關(guān)鍵應用維持GPS定時，一年以上無需與外部源同步；

 3）戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路上的***時間傳輸：使用現(xiàn)有通信鏈路進行10納秒（基本要求）時間傳輸以保持相對定時；進行1皮秒（目標要求）時間傳輸以實現(xiàn)相干效果。

STOIC項目關(guān)鍵成就

截至2019年6月6日的STOIC項目關(guān)鍵成就（DARPA）

上述3個獨立功能在目前試驗過程中達到的關(guān)鍵成就：

 1）甚低頻定位系統(tǒng)：兩個參試的結(jié)果顯示約450米定位誤差（無EIW補償），EIW預測提供約40米的范圍誤差，綜合結(jié)果支持該項目在海上約40米（精度）的（定位）應用；

 2）光學時鐘：生產(chǎn)激光等部分組件并配置組裝實驗室工作臺；

 3）戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路上的時間傳輸：平均誤差（<5納秒）滿足現(xiàn)有硬件的閾值度量。

四、可靠定位、導航和授時/A-PNT

  美國陸軍在美國國防部指導下開展“可靠PNT”（Assured Positioning, Navigation and Timing，A-PNT）研究，于2017年成立“A-PNT跨職能團隊”（Assured Positioning, Navigation and Timing Cross-Functional Team，A-PNT CFT），并于2018年1月批準了A-PNT CFT的技術(shù)路線圖（the A-PNT CFT Roadmap）。

  A-PNT CFT主要針對PNT、戰(zhàn)術(shù)空間和導航戰(zhàn)等3個方面，正在開展一系列研究、開發(fā)和測試工作，并連續(xù)2年（2018和2019年）在白沙靶場舉行PNT評估演習（PNT Assessment Exercise，PNTAX），***快預計2021財年形成初始作戰(zhàn)能力（IOC）。以下僅列舉其中公開發(fā)布的3個項目——“可拆卸可靠定位、導航和授時”、“安裝的可靠定位、導航和授時”/“抗干擾天線系統(tǒng)”和“偽衛(wèi)星”。

“可拆卸可靠定位、導航和授時”（Dismounted A-PNT）將提供單一來源的A-PNT，以支持通信、命令和控制、后勤、瞄準和效果。它將替代“國防高級***定位系統(tǒng)（GPS）接收器”和支持Nett Warrior Ensemble的商用GPS，并具有獨立功能。當其與Nett Warrior一起使用時，其還將優(yōu)化功率以利用共享的便攜可穿戴電池。當天基PNT GPS可能受到限制或拒絕的情況下，“可拆卸A-PNT”將為陸軍的單兵用戶提供準確且可信的PNT信息。

可拆卸A-PNT示意圖（ARMY）

可拆卸A-PNT示意圖（ARMY）

   “安裝的可靠定位、導航和授時”（the mounted A-PNT）/“抗干擾天線系統(tǒng)”（Anti-Jam Antenna System，AJAS）將是可擴展的、可升級的系統(tǒng)安裝平臺，適用于地面和無人飛行器。它將***定位系統(tǒng)（GPS）與備用導航和授時技術(shù)融合在一起，為客戶平臺和系統(tǒng)提供可信的PNT。它可以將PNT數(shù)據(jù)直接和通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到多個系統(tǒng)，而無需在單個平臺上使用多個GPS設(shè)備。預計AJAS將與已安裝的系統(tǒng)集成，以達到性能要求，并使已安裝的接收器能夠在面臨挑戰(zhàn)的環(huán)境中訪問GPS信號。“安裝的A-PNT/AJAS”將向陸軍安裝平臺提供準確可靠的PNT信息，以便在天基PNT GPS可能受到限制或拒絕的情況下繼續(xù)作戰(zhàn)/戰(zhàn)斗節(jié)奏。

史崔克步兵戰(zhàn)車上安裝的A-PNT數(shù)據(jù)分發(fā)概念（ARMY）

史崔克步兵戰(zhàn)車上安裝的A-PNT數(shù)據(jù)分發(fā)概念（ARMY）

   “偽衛(wèi)星”（Pseudolites）是類衛(wèi)星發(fā)射器，可在電子或物理挑戰(zhàn)環(huán)境中使用大功率信號為地面和機載無線電導航提供類似于***定位系統(tǒng)（GPS）的服務，以支持旅戰(zhàn)斗隊（Brigade Combat Team）的行動區(qū)域。偽衛(wèi)星將提供可部署的機載配置，在挑戰(zhàn)性環(huán)境中提供類似GPS的服務，從而允許A-PNT支持的系統(tǒng)繼續(xù)運行。其廣播類似于GPS的信號，可以在無法訪問GPS衛(wèi)星時補充或替代GPS衛(wèi)星的信號。現(xiàn)有技術(shù)可以使可編程的接收器在干擾環(huán)境中確定位置、速度和時間。

偽衛(wèi)星概念圖（ARMY）

偽衛(wèi)星概念圖（ARMY）

五、彈性定位、導航和授時/RPNT

   彈性PNT（Resilient PNT，RPNT）是PNT技術(shù)與非傳統(tǒng)和新興技術(shù)的融合，旨在改善空中、陸地和海上關(guān)鍵任務應用的可靠性、性能和安全性。在即使數(shù)據(jù)精度、可用性和穩(wěn)定性方面出現(xiàn)***小差異就可能導致任務失敗、生命損失或戰(zhàn)場劣勢，以及重大經(jīng)濟損失的情況下，彈性PNT解決方案就派上用場了。

彈性PNT（Orolia）

彈性PNT（Orolia）

   基于彈性PNT（RPNT）概念，美國Orolia公司基于“下一代銥星”（the Iridium Next）衛(wèi)星星座提供“替代導航”（或稱AltNav）服務，該星座高達66顆的衛(wèi)星分布在約800km的低地球軌道（LEO）。相比分布在約20000km中地球軌道（MEO）的GPS星座，其AltNav產(chǎn)生的信號比GPS強1000倍，能夠“深入室內(nèi)”穿透，而且高度抗干擾和欺騙，并能***到30～50米。AltNav服務基于該公司與Satelles合作在銥星星座上提供星基時間和位置服務的信號技術(shù)——STL（Satellite Time + Location），使用了重新設(shè)計的大功率尋呼信道，該技術(shù)與GNSS的簡要對比見下表。

表 GNSS與STL主要性能對比

表 GNSS與STL主要性能對比

   由于戰(zhàn)略原因，STL只能在一些特定的國家商用，盡管技術(shù)層面上是***性的。此外，作為一種相對較新的信號，STL接收機還不如GNSS接收機容易獲得。目前，STL接收機只有模塊級的形式，但是STL的信號處理要求即使不簡單也與GNSS相似，因此人們期望STL接收***終將集成在許多低成本、低功耗、單片GNSS接收機里。

Orolia公司PNT解決方案（Orolia）

該公司基于PNT提供的解決方案包括：

   GPS和GNSS技術(shù)涵蓋了所有基于衛(wèi)星的時間和定位信號，包括加密的軍用SAASM和M代碼接收機、GPS、Galileo、GLONASS、IRNSS和QZSS。內(nèi)部時間和頻率設(shè)備制造，包括緊湊型的銣標準和符合太空的氫原子鐘標準。高功率、基于衛(wèi)星的技術(shù)——STL（衛(wèi)星時間和位置）可以穿透建筑物、障礙物并具有抗干擾能力，可以用作補充GPS和其他GNSS衛(wèi)星信號的可靠機會信號。上述使每個應用更加準確、安全并且不易受到干擾和攻擊。

   BroadShield干擾和欺騙檢測系統(tǒng)使用超過75種經(jīng)過驗證的檢測算法來檢測GPS信號和GPS頻譜中的干擾和欺騙。

   備用PNT信號和機會信號（Signals of Opportunity）接收器利用eLORAN等可用信號來增加維護準確PNT信息的可能性。漏洞測試系統(tǒng)可以評估依賴于GNSS信號系統(tǒng)的干擾和欺騙的影響。

   集成了各種慣性傳感器，包括基于MEMS和FOG的傳感器，這些傳感器在沒有GPS參考的情況下為位置和導航系統(tǒng)的提供了一定水平的獨立性能。強化產(chǎn)品可以擴展到惡劣的戰(zhàn)術(shù)操作環(huán)境中，并可抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊。更智能地使用整個PNT生態(tài)系統(tǒng)，包括功能豐富的GPS接收硬件和智能軟件技術(shù)，以及來自多個星座、多頻信號和增強系統(tǒng)的接收。

   2018年4月，Orolia公司旗下子公司McMurdo Inc.獲得了美國陸軍價值33986800美元的無限期交付/不確定數(shù)量（ID/IQ）合同，用于制造個人救援設(shè)備（Personnel Recovery Device，PRD）。該PRD是一種雙模式MIL-SPEC個人定位信標，它將被集成到陸軍的個人救援支持系統(tǒng)（Personnel Recovery Support System，PRSS）中。PRD易于在人員救援行動中使用，基于Orolia全新的、堅固的小型PNT平臺，專用于徒步士兵可靠PNT應用。

總結(jié)：

   當美軍逐步意識到單純依賴GPS等GNSS提供的天基PNT服務存在極大風險的情況下，不僅是在升級和增強GPS上下功夫，更是致力于開發(fā)更加彈性、可靠、開放和模塊化的PNT新技術(shù)。這些PNT新技術(shù)絕大多數(shù)不以GPS為核心，但并不完全獨立，而是在GPS無法到達的地下、水下、室內(nèi)等特殊環(huán)境或在***對抗與電子干擾情況下成為備份PNT，彈性、可靠地向***用戶提供可信的PNT信息。

   然而，目前公開的部分在研PNT新技術(shù)雖有強度高、覆蓋廣等優(yōu)點，但尚有精度不高、使用不便等問題，并且研發(fā)進展相對較慢，短期并不能真正推廣使用，甚至是形成初步作戰(zhàn)能力。但是，基于美國現(xiàn)今國家層面統(tǒng)一的PNT綜合體系和政策，必會將之前圍繞GPS開展的多種PNT技術(shù)與裝備并存卻無法統(tǒng)一使用的現(xiàn)象徹底結(jié)束，建立起一個彈性、可靠、互補、穩(wěn)健的強大國家PNT體系架構(gòu)，支持國家***、經(jīng)濟和社會等。