美軍改進(jìn)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)的新舉措

+ 方志英

美軍改進(jìn)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)的新舉措

+ 方志英

隨著基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的問世和部署，定位、導(dǎo)航與授時(shí)也在發(fā)生革命性的變化。1957年，約翰·霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們監(jiān)測了來自蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星的無線電傳輸信號，確定了一種基于無線電傳輸對物體進(jìn)行精確定位的方法。隨后，經(jīng)過多年的艱苦工作，第一個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“經(jīng)緯儀”于1959年通過了美國海軍的測試，1964年具備了運(yùn)行能力?！敖?jīng)緯儀”最后可提供的位置精度為200米、時(shí)間精度為50毫秒，這一能力在當(dāng)時(shí)令人驚嘆，以致后來連續(xù)地供給成千上萬的軍艦和遠(yuǎn)洋貨輪使用，直到1991年，前后將近使用了30年。后來，這一技術(shù)不斷發(fā)展成熟，最后發(fā)展成為了今天的全球定位系統(tǒng)（GPS），這也是全球迄今為止最為復(fù)雜的技術(shù)創(chuàng)新之一。GPS定位精度小于1米、時(shí)間精度小于100納秒，現(xiàn)在不僅成為了消費(fèi)者的電子產(chǎn)品以及從手機(jī)到電網(wǎng)等美國國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中一項(xiàng)無處不在的技術(shù)，而且也是全球軍事用戶和民事用戶定位、導(dǎo)航與授時(shí)的黃金標(biāo)準(zhǔn)。如今，GPS已經(jīng)變得如此普及、如此簡便易用，以至于很多人都忘記了支撐它的賦能要素以及它們面臨的各種脆弱性，特別是安全性。本文就美軍如何改進(jìn)軍事定位、導(dǎo)航與授時(shí)功能而準(zhǔn)備采取的新舉措做一描述。

一、開發(fā)M代碼技術(shù)

目前，美國陸軍正在開發(fā)M代碼（M-code）技術(shù)，它將是下一版本軍事GPS能力的關(guān)鍵，眼下正在進(jìn)行技術(shù)成熟評估和風(fēng)險(xiǎn)降低的工作。與當(dāng)前P代碼精度的軍事信號相比，M代碼的信號可得到極大改進(jìn)，還可提供附加的信號功率和一種新的信號結(jié)構(gòu)。根據(jù)2011年1月7日生效的美國《公共法》111-383第913條規(guī)定，2017財(cái)年之后，除非得到國防部長的豁免，否則將不得使用采購資金來購買不具備M代碼信號接收能力的GPS接收機(jī)。又根據(jù)2013年5月1日生效的參聯(lián)會主席6130.01E號指示的要求，到第24顆具備M代碼能力的GPS衛(wèi)星具備運(yùn)行能力時(shí)，必須使用具備M代碼能力的用戶設(shè)備。該衛(wèi)星預(yù)計(jì)將在5～7年內(nèi)具備運(yùn)行能力。

二、開發(fā)有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)項(xiàng)目

有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)項(xiàng)目，主要是在一種可伸縮的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)提供彈性且魯棒的定位、導(dǎo)航與授時(shí)。該體系結(jié)構(gòu)能夠涵蓋各種不同的保護(hù)等級或定位、導(dǎo)航與授時(shí)保證等級。這種可伸縮的體系結(jié)構(gòu)使陸軍能夠避免過度采購，因?yàn)槁脩?zhàn)斗隊(duì)就可以根據(jù)所需的定位、導(dǎo)航與授時(shí)保證等級進(jìn)行伸縮，只有特定的分隊(duì)才需要最高等級的彈性能力。有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)項(xiàng)目由4個(gè)分項(xiàng)目組成，它們構(gòu)成了彈性能力所需的一個(gè)系統(tǒng)族：

◆偽衛(wèi)星可提供備用信號，該信號可以提高區(qū)域保護(hù)的彈性。

◆車載型定位、導(dǎo)航與授時(shí)可為車載平臺提供一種可伸縮的體系結(jié)構(gòu)，其技術(shù)賦能要素包括GPS、用于精確授時(shí)的芯片級原子鐘、用于自基準(zhǔn)定位的慣性測量裝置，以及可隨時(shí)集成其他定位、導(dǎo)航與授時(shí)賦能要素的開放式體系結(jié)構(gòu)。

◆下車型定位、導(dǎo)航與授時(shí)，采用了相同的概念，但主要針對的是士兵平臺。

◆抗干擾，指在聚焦有效的定位、導(dǎo)航與授時(shí)的同時(shí)，可阻攔威脅信號的技術(shù)和設(shè)備。

現(xiàn)在可以肯定的是，隨著陸軍轉(zhuǎn)而采用有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)解決方案，其中的各個(gè)分項(xiàng)目都將利用競爭性的樣機(jī)和結(jié)構(gòu)性測試來推動(dòng)創(chuàng)新，推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

三、建立定位、導(dǎo)航與授時(shí)的多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

美國陸軍將建立定位、導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（SoSA），該結(jié)構(gòu)是陸軍實(shí)現(xiàn)有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。陸軍采辦執(zhí)行官下令建設(shè)定位、導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并將達(dá)到下面3個(gè)目標(biāo)：

◆該結(jié)構(gòu)必須領(lǐng)先于定位、導(dǎo)航與授時(shí)所面臨的威脅；

◆必須提高效率，消除冗余；

◆提供一種可負(fù)擔(dān)的向M代碼遷移的方法。

第一個(gè)目標(biāo)旨在實(shí)現(xiàn)一種可負(fù)擔(dān)的開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該足夠靈活，以便在建成較廉價(jià)的系統(tǒng)或進(jìn)行平臺集成和認(rèn)證的同時(shí)，吸納附加能力，即建設(shè)一種能夠?qū)崿F(xiàn)未來創(chuàng)新之路的框架。

實(shí)際上目前就存在這種類似的結(jié)構(gòu)，那就是“IT盒”概念，該概念可通過一種框架來添加附加的硬件和軟件，而且不會對接口和端功能造成影響。其中的一個(gè)例子就是有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)項(xiàng)目目前正在開發(fā)的定位、導(dǎo)航與授時(shí)集線器（PNT Hub）。該集線器允許陸軍通過軟件和硬件配置來控制定位、導(dǎo)航與授時(shí)的保證等級，并且對于平臺來說是無縫的。它還能實(shí)現(xiàn)芯片級原子鐘（CSAC）等創(chuàng)新技術(shù)的集成，其還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，即便在沒有GPS可用時(shí)，芯片級原子鐘也能夠利用銫原子的穩(wěn)定振蕩來保持精確的時(shí)間。因此在未來，它將以一種可負(fù)擔(dān)的方式，插入到符合定位、導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品中。

第二個(gè)目標(biāo)是提高效率、消除冗余。該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，這可以使用“斯特賴克”車來說明。“斯特賴克”車有10種不同的功能變體，其中每一種都混合利用了多種輔助性電子裝置，包括從21世紀(jì)部隊(duì)旅和旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)和藍(lán)軍跟蹤識別設(shè)備，到AN/PRC-155 HMS背負(fù)式電臺。有些“斯特賴克”車上共有8部GPS接收機(jī)，這意味著共有8副天線和8臺設(shè)備，它們都需要通過加密密鑰來訪問保密的軍事GPS信號。但定位、導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)則可通過定位、導(dǎo)航與授時(shí)的平臺分發(fā)概念，為平臺提供一個(gè)定位、導(dǎo)航與授時(shí)源，再將其分發(fā)給每一個(gè)需要定位、導(dǎo)航與授時(shí)數(shù)據(jù)的客戶端系統(tǒng)，從而可以輕松解決該問題。

第三個(gè)目標(biāo)是提供一種可負(fù)擔(dān)的向M代碼遷移的方法。這可通過諸如指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視與偵察/電子戰(zhàn)互操作性車輛集成（VICTORY）之類的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是平臺分發(fā)的重要賦能器，其好處是降低了士兵的負(fù)重，而且還減少了車輛上所需的線纜，從而也減輕了車輛上的重量。這種整合使得平臺能夠轉(zhuǎn)而采用1副抗干擾天線，并以可負(fù)擔(dān)的方式實(shí)現(xiàn)下一個(gè)目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)向M代碼的遷移。在美軍的旅戰(zhàn)斗隊(duì)（BCT）之類的作戰(zhàn)要素的每一個(gè)平臺和系統(tǒng)都使用M代碼時(shí)，就可以最大程度地實(shí)現(xiàn)M代碼的優(yōu)勢。

在定位、導(dǎo)航與授時(shí)產(chǎn)品主管、陸軍部首席信息官/G-6、美陸軍訓(xùn)練與條令司令部及其他多家機(jī)構(gòu)（包括通用操作環(huán)境的參與者）的支持下，陸軍負(fù)責(zé)采辦、后勤與技術(shù)的助理部長下面的多系統(tǒng)之系統(tǒng)工程與集成處正在率先發(fā)起沖鋒，傾力開發(fā)這種體系結(jié)構(gòu)。

目前美軍正在開發(fā)的多種裝備解決方案都將采用定位、導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，包括國防高級GPS接收機(jī)（DAGR）分布式裝置（D3）和有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)項(xiàng)目。分布式裝置是國防高級GPS接收機(jī)的功能換代產(chǎn)品，最多可取代一個(gè)平臺上的8臺GPS接收機(jī)，而且能夠升級到M代碼。分布式裝置的優(yōu)勢包括平臺分發(fā)以及能夠以可負(fù)擔(dān)方式升級到M代碼。另外，作為陸軍軍用GPS用戶裝備項(xiàng)目的首要裝置，“斯特賴克”車上的分布式裝置也可安裝到多種地面平臺上，例如“鎧甲騎士”車上。

四、結(jié)語

從上面的描述可以看出，在定位、導(dǎo)航與授時(shí)領(lǐng)域，獨(dú)到性和創(chuàng)新性正在強(qiáng)勢回歸，包括從通過芯片級原子鐘利用原子的動(dòng)態(tài)性來實(shí)現(xiàn)自基準(zhǔn)授時(shí)，到利用定位、導(dǎo)航與授時(shí)信息的平臺分發(fā)來實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。定位、導(dǎo)航與授時(shí)多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)施將可提供一種框架，用于實(shí)現(xiàn)陸軍所有系統(tǒng)之間的高效性和彈性，而有保證的定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力的部署，將為美軍最重要的客戶——士兵提供最佳的定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)。