美國(guó)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力發(fā)展

劉春保（北京空間科技信息研究所）

美國(guó)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力發(fā)展

劉春保（北京空間科技信息研究所）

2013年8月，美國(guó)空軍航天司令部發(fā)布了《彈性和分散空間體系》（Resiliency and Disaggregated Space Architectures）白皮書(shū)，在全面分析美國(guó)正在以及面臨的軍事航天戰(zhàn)略環(huán)境的條件下，提出了美國(guó)未來(lái)軍事航天系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)采取的“彈性”與“分散”策略。

作為美國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施與軍事航天系統(tǒng)，GPS在美國(guó)國(guó)家安全、軍事作戰(zhàn)能力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等領(lǐng)域均發(fā)揮著極其重要的作用。《彈性和分散空間體系》白皮書(shū)將對(duì)GPS系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生什么影響，GPS系統(tǒng)與美國(guó)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）技術(shù)與能力將如何發(fā)展，是一個(gè)值得我們關(guān)注的問(wèn)題。

1　背景與目標(biāo)

成本問(wèn)題成為難以承受之重

截至2012年底，GPS系統(tǒng)的總投入已經(jīng)超過(guò)360億美元，且正在以每年12億～15億美元的速度增長(zhǎng)。按GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，2013－2030年間還需投入約250億美元，成本、費(fèi)用已經(jīng)成為影響GPS系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的重要問(wèn)題。在國(guó)會(huì)削減國(guó)防預(yù)算的背景下，與美國(guó)其他軍事航天系統(tǒng)一樣，GPS系統(tǒng)也必須面對(duì)成本、費(fèi)用縮減的挑戰(zhàn)。

實(shí)際上，美國(guó)軍事航天系統(tǒng)的發(fā)展早已遇到了嚴(yán)竣的技術(shù)與成本挑戰(zhàn)。20世紀(jì)90年代中、后期開(kāi)始發(fā)展的“未來(lái)成像系統(tǒng)”（FIA），在研發(fā)工作進(jìn)行了近10年、投入近200億美元卻仍看不到成功希望的情況下，不得不予以終止，使美國(guó)軍事航天系統(tǒng)的發(fā)展受挫，也蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

美國(guó)軍事航天系統(tǒng)面臨潛在威脅

美國(guó)已經(jīng)清晰、明確地認(rèn)識(shí)到，空間安全環(huán)境正在發(fā)生重大變化，且影響深遠(yuǎn)。同時(shí)，日趨嚴(yán)重的空間碎片問(wèn)題也對(duì)空間系統(tǒng)的安全造成了日益嚴(yán)重的威脅，特別是低軌道航天系統(tǒng)。

自2001年以來(lái)，美國(guó)組織了多次施里弗太空戰(zhàn)演習(xí)。初期的施里弗太空戰(zhàn)演習(xí)的重點(diǎn)是通過(guò)威懾保證美國(guó)航天系統(tǒng)的安全，特別是軍事航天系統(tǒng)，以保證利用空間的能力。最近幾年的演習(xí)則更加關(guān)注強(qiáng)對(duì)抗條件下的空間能力，以及如何維持和保持空間安全、穩(wěn)定和空間能力的應(yīng)用。

因此，隨著空間環(huán)境的變化與航天技術(shù)的發(fā)展，包括GPS系統(tǒng)在內(nèi)的美國(guó)軍事航天系統(tǒng)所面臨的潛在威脅正在不斷加大。

美國(guó)空間安全觀的變化

隨著空間安全環(huán)境的變化，美國(guó)的空間安全觀也在悄然發(fā)生變化。受美國(guó)空軍的委托，2010年蘭德公司完成了《空間威懾和首次打擊的穩(wěn)定性》研究，2011年、2012年又先后發(fā)布了《國(guó)家安全空間戰(zhàn)略》與《國(guó)防部空間政策》，其利用空間武器來(lái)維護(hù)空間安全的空間安全觀已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。

美國(guó)國(guó)防部與軍方已經(jīng)意識(shí)到，不論美國(guó)擁有如何強(qiáng)大的天戰(zhàn)能力，只要存在對(duì)空間系統(tǒng)或能力的依賴(lài)，其對(duì)手必然會(huì)發(fā)展不對(duì)稱(chēng)的空間攻防能力，并藉此對(duì)美國(guó)發(fā)動(dòng)致命一擊。為此，美國(guó)開(kāi)始尋求以維持空間安全與穩(wěn)定的方式，構(gòu)建與傳統(tǒng)核威懾理論分離的空間威懾理論，強(qiáng)調(diào)利用包括政治、經(jīng)濟(jì)、外交、軍事等多種手段，阻止敵方對(duì)其空間系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，并利用體系的冗余和強(qiáng)健性提高其空間系統(tǒng)在敵方攻擊下的生存能力。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的脆弱性難以避免

脆弱性是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的固有特性，只能緩解，不能消除。為此，美國(guó)軍方在努力增強(qiáng)GPS系統(tǒng)導(dǎo)航戰(zhàn)能力的同時(shí)，正在積極發(fā)展不依賴(lài)GPS系統(tǒng)的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)與手段，以在GPS系統(tǒng)無(wú)法提供滿(mǎn)足需求的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)時(shí)，填補(bǔ)GPS系統(tǒng)的能力缺口，提供高精度軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)能力。

2　彈性與分散空間體系構(gòu)想

《彈性和分散空間體系》白皮書(shū)將“分散”定義為：將天基任務(wù)、功能或傳感器分散到一個(gè)或多個(gè)軌道平面、平臺(tái)、載具或多域的多個(gè)系統(tǒng)之中。按《彈性和分散空間體系》白皮書(shū)的構(gòu)想，空間系統(tǒng)的分散有5種形式：

1）分解（fractionation）：即由多個(gè)以無(wú)線方式相互連接與作用的模塊組成的系統(tǒng)或體系，提供單一系統(tǒng)的功能與能力。

2）功能分散（f u n c t i o n a l disaggregation）：將一顆衛(wèi)星上的多個(gè)載荷或多項(xiàng)任務(wù)分散到多個(gè)衛(wèi)星上。

3）搭載有效載荷（hosted payload）：將有效載荷和任務(wù)搭載在其他衛(wèi)星上。

4）多軌道分散（m u l t i - o r b i t disaggregation）：利用部署在多個(gè)軌道平面的航天器（可理解為多軌道分散部署）提高系統(tǒng)或體系彈性。

5）多域分散（m u l t i - d o m a i n disaggregation）：將能力分散于海、陸、空、天、網(wǎng)多域，相互冗余和備份。

3　GPS系統(tǒng)與美軍定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的未來(lái)發(fā)展

GPS系統(tǒng)為美軍提供最重要的、覆蓋全球的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力。但美國(guó)軍方從未將GPS系統(tǒng)作為提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的惟一手段，一直在謀求GPS之外的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力，謀求通過(guò)組合、融合的方式實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境要求的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力。

目前，美國(guó)的軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)和能力的發(fā)展分為兩個(gè)重點(diǎn)：其一，在縮減經(jīng)費(fèi)的前提下，提升GPS系統(tǒng)的服務(wù)性能，增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航戰(zhàn)能力，重點(diǎn)是抗干擾、抗欺騙能力；其二，解決GPS系統(tǒng)不能提供定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)條件下的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力問(wèn)題。

GPS系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展計(jì)劃

GPS－3是美國(guó)GPS空間段現(xiàn)代化計(jì)劃的最后階段，也是實(shí)現(xiàn)2004年發(fā)布的美國(guó)天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)策略的重要環(huán)節(jié)。GPS－3采取循序漸進(jìn)的發(fā)展策略，包括3個(gè)型號(hào)，分別為GPS－3A、GPS－3B 和GPS－3C。

1）GPS－3 A：在GPS－2 F全部能力的基礎(chǔ)上，GPS－3A將增強(qiáng)軍用M碼信號(hào)對(duì)地球的覆蓋功率，在L1頻段增加與“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)完全兼容，并具有互操作性的L1C民用信號(hào)，且GPS－3 A所采用的洛馬公司的A2100衛(wèi)星平臺(tái)將作為全部GPS－3發(fā)展的基礎(chǔ)。同時(shí)，特別值得關(guān)注的是GPS－3A將開(kāi)展GPS星間鏈路的演示與驗(yàn)證工作，為GPS星間鏈路的建立奠定基礎(chǔ)。

與GPS衛(wèi)星已經(jīng)具有的星間鏈路不同，GPS－3星間鏈路采用Ka頻段(原為UHF頻段)，星間鏈路的信號(hào)播發(fā)方式也由廣播式改為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，大大提高了安全性。星-星與星-地間的通信能力也提高到100Mbit/s。

2）GPS－3 B：除具備GPS－3 A的全部能力外，GPS－3B將增加星間鏈路能力，從而提高GPS系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)的精度、完好性，以及導(dǎo)航戰(zhàn)所要求的指揮與控制能力。此外，GPS－3B還將采用高速上、下行鏈路天線，并增加搜索與救援功能，為國(guó)際搜索與救援服務(wù)提供支持。同時(shí)，GPS－3B將開(kāi)展導(dǎo)航戰(zhàn)點(diǎn)波束能力的在軌演示與驗(yàn)證工作，為GPS系統(tǒng)最終具有點(diǎn)波束能力進(jìn)行最后的驗(yàn)證與確認(rèn)工作。

3）GPS－3 C：除具備GPS－3 B的全部能力外，GPS－3C將實(shí)現(xiàn)支持導(dǎo)航戰(zhàn)的點(diǎn)波束能力，具有靈活的載荷配置能力和完好性監(jiān)測(cè)能力，并增加空間環(huán)境探測(cè)有效載荷。

GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中，美軍正在研發(fā)選擇可用性抗欺騙技術(shù)（SAASM），將裝備未來(lái)美軍的國(guó)防先進(jìn)GPS接收機(jī)（DAGR），抗干擾能力可望達(dá)到80dB（目前美軍的GPS組合導(dǎo)航設(shè)備的抗干擾能力最高為50dB）。

美國(guó)空軍：GPS系統(tǒng)低成本解決方案

應(yīng)美國(guó)國(guó)會(huì)的要求，美國(guó)空軍于2013年4月向國(guó)會(huì)提交了《全球定位系統(tǒng)低成本解決方案》報(bào)告，就降低GPS系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展與維持成本，增強(qiáng)GPS系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性進(jìn)行了論述。針對(duì)GPS系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)、可承受問(wèn)題，美國(guó)空軍提出了9個(gè)候選方案。

目前，“一箭雙星”的發(fā)射方案已經(jīng)確定，初步設(shè)想是取消核爆探測(cè)載荷，以降低衛(wèi)星質(zhì)量。2011年11月，美國(guó)空軍與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司共同完成了相關(guān)研究工作，結(jié)果表明：GPS－3“一箭雙星”發(fā)射可節(jié)省7億～15億美元的發(fā)射費(fèi)用。2012年12月，美國(guó)空軍將全面研發(fā)合同授予了聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司。

2012年，美國(guó)空軍將380萬(wàn)美元的GPS小衛(wèi)星（Nav Sat衛(wèi)星）研究合同授予了波音公司、ITT Exelis公司和薩里衛(wèi)星技術(shù)（美國(guó)）公司，開(kāi)展了GPS小衛(wèi)星的研究（三家公司分別在GPS衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星有效載荷和小衛(wèi)星領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)）。其目標(biāo)是利用18個(gè)月的時(shí)間，以創(chuàng)新的研究方式，通過(guò)減小有效載荷的質(zhì)量、體積與功率（SWAP-C），增加GPS系統(tǒng)的可承受性和可維持性。

美國(guó)空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心提出的主要指標(biāo)包括：功率1000W，有效載荷質(zhì)量200～250kg，設(shè)計(jì)壽命3～5年，指向精度優(yōu)于0.2°。

按目前的設(shè)想，Nav Sat衛(wèi)星最早于2015年獲得研發(fā)授權(quán)，2018年首次發(fā)射，主要任務(wù)包括6個(gè)方面：

1）選擇用于Nav Sat衛(wèi)星的現(xiàn)有商用平臺(tái)；2）政府提供的有效載荷與選定商用平臺(tái)的集成；

3）在有效載荷與平臺(tái)集成前與集成后進(jìn)行平臺(tái)適應(yīng)性設(shè)計(jì)與工藝驗(yàn)證；

4）提供發(fā)射場(chǎng)支持和衛(wèi)星健康狀態(tài)測(cè)試；

5）參與衛(wèi)星發(fā)射與早期在軌測(cè)試活動(dòng)；

6）在衛(wèi)星壽命周期內(nèi)提供衛(wèi)星異常處理方面的支持。

強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下先進(jìn)定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)的研發(fā)

美國(guó)軍方認(rèn)為，多軌道分散部署的GPS系統(tǒng)不能滿(mǎn)足未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境條件下的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)需求，多域分散、多種技術(shù)手段的融合才是解決美軍未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)需求的可行途徑。

目前，美國(guó)強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下先進(jìn)定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)分為3個(gè)方面：

1）高精度自主導(dǎo)航基礎(chǔ)技術(shù)，即先進(jìn)原子鐘（包括芯片級(jí)原子鐘、冷原子鐘等）與高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)[包括微機(jī)電慣性系統(tǒng)、冷原子（量子）慣性導(dǎo)航技術(shù)等]；可在無(wú)GPS服務(wù)的條件下提供短時(shí)間（30min）的高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力。

首個(gè)商品化的芯片級(jí)原子鐘

冷原子慣性導(dǎo)航裝置

2）以提供長(zhǎng)時(shí)間高精度自主導(dǎo)航能力為目標(biāo)的多源融合導(dǎo)航技術(shù)，主要研究項(xiàng)目為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開(kāi)展的“全源導(dǎo)航”計(jì)劃，主要關(guān)鍵技術(shù)包括融合架構(gòu)、算法等。

3）以為戰(zhàn)區(qū)提供高精度區(qū)域?qū)Ш侥芰槟繕?biāo)的地基偽衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)，代表項(xiàng)目為美國(guó)空軍正在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試的澳大利亞Locata公司LocataNET導(dǎo)航技術(shù)。其初步測(cè)試結(jié)果表明，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

美國(guó)陸軍定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力發(fā)展路線圖

4　美國(guó)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的發(fā)展分析

美國(guó)軍方已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到在未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，軍事航天系統(tǒng)的安全面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；GPS系統(tǒng)的脆弱性使其提供高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的能力受到較大威脅，不可完全依賴(lài)。

目前，G P S系統(tǒng)采用2 4＋3基線軌位空間星座，實(shí)際在軌運(yùn)行并提供服務(wù)的衛(wèi)星有3 1顆，分布在6個(gè)軌道面上。與“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）、“伽利略”等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)相比，其軌道分布更加分散，更加符合美國(guó)空軍航天司令部《彈性和分散空間體系》白皮書(shū)的要求。然而，GPS系統(tǒng)的生存與安全，并不代表其可提供滿(mǎn)足美國(guó)軍方對(duì)未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的需求。

為此，美國(guó)軍方從體系的角度出發(fā)，設(shè)想以多域分散的方式滿(mǎn)足美軍的未來(lái)需求，即將高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)能力分散至陸、海、空、天、網(wǎng)等各域，并通過(guò)集成、融合的方式構(gòu)建體系化的定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力。美國(guó)軍方正在開(kāi)展的以量子慣性技術(shù)和芯片級(jí)原子鐘為代表的導(dǎo)航基礎(chǔ)技術(shù)研究；多源、全源導(dǎo)航技術(shù)的集成、融合研究，以及地基偽衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航技術(shù)的試驗(yàn)與驗(yàn)證，都是從體系的角度出發(fā)，以多域分散的思路為指導(dǎo)，構(gòu)建美國(guó)未來(lái)軍事導(dǎo)航能力的重要努力。

然而，不論美國(guó)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力如何發(fā)展，GPS系統(tǒng)都將是美國(guó)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的基礎(chǔ)與核心。至少在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的全天時(shí)、全天候、可覆蓋地球表面至上空6000km高度的低成本、高精度的定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力是無(wú)可替代的。

綜上所述，未來(lái)美國(guó)軍事的定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力將由以GPS系統(tǒng)為核心，由廣泛分布于陸、海、空、天、網(wǎng)的自主導(dǎo)航能力，以及區(qū)域?qū)Ш侥芰檠a(bǔ)充的定位、導(dǎo)航與授時(shí)體系提供；目標(biāo)是滿(mǎn)足未來(lái)強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)高精度定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力需求。

Development Of U.S. Military Positioning, Navigation, And Timing Capability