美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)發(fā)展分析

● 文| 北方科技信息研究所 于洋

美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)發(fā)展分析

● 文| 北方科技信息研究所 于洋

GPS是美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)的能力基石，已經(jīng)裝備到“斯特賴克”戰(zhàn)車(chē)、“奈特勇士”系統(tǒng)、“步兵”無(wú)線電臺(tái)和M777榴彈炮等各類(lèi)作戰(zhàn)單元。隨著GPS易被干擾、受地形限制等自身缺陷和戰(zhàn)場(chǎng)電子對(duì)抗激烈程度的不斷加劇，美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)受到挑戰(zhàn)，促使國(guó)防部和陸軍開(kāi)始發(fā)展更靈活和先進(jìn)的定位導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)。

一、從頂層明確陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)的能力需求

美國(guó)國(guó)防部2010年出臺(tái)《國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)體系執(zhí)行計(jì)劃》，隨后陸軍基于該計(jì)劃出臺(tái)《定位導(dǎo)航與授時(shí)核心能力需求》，并于2013年發(fā)布《戰(zhàn)術(shù)可靠GPS區(qū)域性能力替代方案分析》，明確了陸軍在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的定位導(dǎo)航與授時(shí)能力需求，潛在的技術(shù)和系統(tǒng)解決方案，以及不同的系統(tǒng)、作戰(zhàn)平臺(tái)和各級(jí)作戰(zhàn)梯隊(duì)在GPS失效環(huán)境中的可用替代技術(shù)與集成方案，并將實(shí)現(xiàn)“可靠定位導(dǎo)航與授時(shí)”能力作為最終目標(biāo)。美國(guó)陸軍計(jì)劃通過(guò)近期（2015-2017財(cái)年）和遠(yuǎn)期（2017-2025財(cái)年）兩個(gè)階段，通過(guò)制定定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系，基于開(kāi)放式的構(gòu)架和先進(jìn)的技術(shù)，減少系統(tǒng)終端的種類(lèi)和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)以平臺(tái)為中心、以M碼GPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的分布式可靠定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)。

二、美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)能力發(fā)展的核心內(nèi)容

美國(guó)陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)仍將GPS系統(tǒng)作為核心能力和基礎(chǔ)，在加強(qiáng)GPS信號(hào)強(qiáng)度、抗干擾能力的同時(shí)，以陸地導(dǎo)航、混合導(dǎo)航和自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)彌補(bǔ)GPS的能力缺陷，并利用各類(lèi)數(shù)據(jù)鏈、戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等信息技術(shù)作為定位導(dǎo)航與授時(shí)信息的傳輸途徑，增加電子對(duì)抗的“魯棒性”，在兼顧尺寸、重量、成本、功耗的前提下，以推動(dòng)創(chuàng)新，維持技術(shù)優(yōu)勢(shì)為主要目的，發(fā)展綜合定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)。

1.制定總體發(fā)展框架，提高靈活性和創(chuàng)新力

為了保證定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)的創(chuàng)新能力和優(yōu)勢(shì)地位，美國(guó)陸軍提出了定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)方案和“IT盒”概念。過(guò)去，陸軍在沒(méi)有總體方案指導(dǎo)下斥資數(shù)十億美元開(kāi)發(fā)、采購(gòu)了各種各樣的GPS接收機(jī)，性能、接口、種類(lèi)和軟硬件沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為整合和維護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)是開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，靈活性高，能在不影響作戰(zhàn)平臺(tái)集成度、接口類(lèi)型、作戰(zhàn)能力和成本的前提下，以硬件和軟件插入的形式，靈活兼容最新技術(shù)和產(chǎn)品。例如，美國(guó)陸軍在該構(gòu)架下應(yīng)用的定位導(dǎo)航與授時(shí)控制中樞（PNT Hub），能夠通過(guò)軟件和硬件的不同配置，無(wú)縫控制定位導(dǎo)航與授時(shí)信號(hào)的安全等級(jí)（共分4級(jí)），并能集成芯片級(jí)原子鐘（利用銫原子的穩(wěn)定振蕩來(lái)確保精確計(jì)時(shí)）等創(chuàng)新性技術(shù)。未來(lái)，陸軍將繼續(xù)以更靈活的方式，為定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)構(gòu)架中的系列產(chǎn)品集成最新的定位與授時(shí)技術(shù)方案。

2.減少終端數(shù)量，增加作戰(zhàn)效能

目前，美國(guó)陸軍地面車(chē)輛裝備的很多電子設(shè)備與系統(tǒng)都自帶定位導(dǎo)航與授時(shí)終端。例如，美國(guó)陸軍“斯特賴克”戰(zhàn)車(chē)裝備的21世紀(jì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮/藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)、AN/PRC-155 HMS便攜式無(wú)線電臺(tái)等都自帶導(dǎo)航定位終端，使車(chē)輛最多能同時(shí)擁有8個(gè)GPS接收機(jī)，以及相應(yīng)的8根天線和加密設(shè)備，導(dǎo)致功能冗余，系統(tǒng)復(fù)雜，工作負(fù)荷高，增加了車(chē)內(nèi)電纜的數(shù)量和重量，并且難以管理。為此，陸軍計(jì)劃以“斯特賴克”戰(zhàn)車(chē)為樣板，基于VICTORY車(chē)電架構(gòu)和未來(lái)的“機(jī)載能力環(huán)境”，為作戰(zhàn)平臺(tái)的不同電子系統(tǒng)終端提供對(duì)應(yīng)的導(dǎo)航定位信息，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的分布式定位導(dǎo)航與授時(shí)能力，從而能用一根自適應(yīng)抗干擾天線替換車(chē)輛的所有天線系統(tǒng)，并將研究成果逐漸應(yīng)用到其他平臺(tái)。

3.以M碼GPS系統(tǒng)為能力基礎(chǔ)

M碼（軍碼）GPS目前正處于技術(shù)發(fā)展和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避階段，比現(xiàn)有的P（Y）碼信號(hào)具備更高的定位精度、信號(hào)功率和新的信號(hào)結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)。美國(guó)法典規(guī)定：除非國(guó)防部長(zhǎng)批準(zhǔn)，否則軍方自2017財(cái)年后不能采購(gòu)不具備M碼功能的GPS接收機(jī)。2013年5月1日生效的美軍參謀長(zhǎng)聯(lián)席會(huì)議第6130.01E號(hào)指令“定位導(dǎo)航與授時(shí)控制計(jì)劃”規(guī)定：第24顆M碼GPS衛(wèi)星按計(jì)劃在2018-2020年投入使用后，軍方全部使用具備M碼功能的GPS終端。但是，要充分發(fā)揮M碼的優(yōu)勢(shì)，必須為所有作戰(zhàn)單位統(tǒng)一增加M碼模塊，而美國(guó)陸軍目前尚未建立完善的定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)構(gòu)架，單兵、各類(lèi)平臺(tái)和裝備系統(tǒng)中充斥著數(shù)量龐大的GPS接收機(jī)，為這些終端更換M碼模塊需要消耗大量經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。因此，定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)M碼GPS系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可承受的唯一途徑。

三、陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，美國(guó)陸軍正在通過(guò)可靠定位導(dǎo)航與授時(shí)項(xiàng)目和國(guó)防高級(jí)GPS接收機(jī)分布式裝置項(xiàng)目，研究原子鐘、平臺(tái)分布定位導(dǎo)航與授時(shí)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)。這些技術(shù)雖然將非GPS技術(shù)作為重點(diǎn)，但并不是完全獨(dú)立于GPS，而是將其納入其中，共同形成一種可靠的綜合解決方案。此外，陸軍的項(xiàng)目不僅涉及硬件和軟件，還包括陸軍體系構(gòu)架、培訓(xùn)、測(cè)試和作戰(zhàn)概念驗(yàn)證。同時(shí)，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局也在探索新的精確定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)，并為新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

1.陸軍重在為定位導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)“瘦身”

國(guó)防高級(jí)GPS接收機(jī)分布式裝置項(xiàng)目是國(guó)防高級(jí)GPS接收機(jī)的功能替換裝置，可替換各類(lèi)平臺(tái)上的冗余GPS裝置，并升級(jí)至M碼。2015年，美國(guó)陸軍的定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期。陸軍將在G-6、陸軍訓(xùn)練與條令司令部等部門(mén)的支持下，基于“通用操作環(huán)境”中各類(lèi)計(jì)算環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)現(xiàn)有的定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估，并作為2016財(cái)年項(xiàng)目后續(xù)決策制定的重要依據(jù)。

2.國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局將提供更先進(jìn)的解決方案

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已經(jīng)啟動(dòng)了很多項(xiàng)目研究新的定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)，其中的自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目、定位導(dǎo)航與授時(shí)微技術(shù)項(xiàng)目和量子輔助感知與讀出項(xiàng)目，都具備應(yīng)用于陸軍定位導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)中的潛力。這些項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)新的算法實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航與授時(shí)傳感器在各類(lèi)平臺(tái)的“即插即用”能力，新的高穩(wěn)定和精確的芯片級(jí)陀螺儀、時(shí)鐘，并提高原子鐘的堅(jiān)固耐用性，增強(qiáng)GPS等現(xiàn)有系統(tǒng)的性能。

此外，國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局新啟動(dòng)了導(dǎo)引頭低成本轉(zhuǎn)變項(xiàng)目，為智能彈藥和制導(dǎo)彈藥等低成本、尺寸小、輕量化、低功耗平臺(tái)提供GPS對(duì)抗環(huán)境下的“魯棒”精確定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)，并進(jìn)一步減小彈藥尺寸。項(xiàng)目研發(fā)的新導(dǎo)引頭將融合被動(dòng)捷聯(lián)電光/紅外傳感器、GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量組件以及為未來(lái)升級(jí)潛力預(yù)留的各類(lèi)接口；具有寬/窄兩種視場(chǎng)和與之相對(duì)應(yīng)的兩種分辨率，在飛行導(dǎo)航階段使用大視場(chǎng)，具備低級(jí)到中級(jí)分辨率；在末制導(dǎo)階段采用窄視場(chǎng)，具備中級(jí)到高級(jí)分辨率。據(jù)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局預(yù)測(cè)，該導(dǎo)引頭在遭遇對(duì)抗環(huán)境前借助GPS進(jìn)行導(dǎo)航，此后則利用成像傳感器進(jìn)行導(dǎo)航、目標(biāo)定位和識(shí)別、打擊部位選擇和末制導(dǎo)。項(xiàng)目的目標(biāo)是末制導(dǎo)精度達(dá)到或超過(guò)當(dāng)前導(dǎo)引頭的精度。

四、結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)陸軍只是美軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中的組成部分。美軍定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是：到2025年，能夠以通用的定位導(dǎo)航與授時(shí)解決方案，融合所有可用的信息源，利用各種信息傳輸渠道，在各種地面環(huán)境和對(duì)抗條件下，為作戰(zhàn)部隊(duì)提供實(shí)時(shí)、有效、精確的定位導(dǎo)航與授時(shí)信息，保證實(shí)時(shí)指揮控制和態(tài)勢(shì)感知能力。美軍對(duì)定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)的應(yīng)用理念與當(dāng)前的“云計(jì)算”非常相似，因此有專家提出了“云定位導(dǎo)航與授時(shí)”概念，并與“賽博”技術(shù)的相互關(guān)系越來(lái)越緊密。

［1］Army Seeks Technology Supplers for Assured PNT navigation in GPS-Denied Conditions， Army Technology， 2015.03.15.

［2］After GPS: The Future of navigation， www.c4isr. net， 2015.03.31.