美國(guó)新一代導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與啟示

● 文|中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院 張新征 張 力 李宏偉

近年來，美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO以及中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的重要性不斷凸現(xiàn)，日益廣泛地為軍事、通信、海洋、交通、國(guó)土資源及大眾消費(fèi)市場(chǎng)提供高精度位置、定位和授時(shí)服務(wù)，特別是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，GPS系統(tǒng)已為美國(guó)的各類武器裝備系統(tǒng)、高精度制導(dǎo)導(dǎo)彈提供精準(zhǔn)導(dǎo)航位置信息服務(wù)。然而，對(duì)于依賴GNSS作為單一定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）信息源的用戶而言，在導(dǎo)航衛(wèi)星因故障、打擊或電磁頻譜干擾等條件或者在水下等所處位置難以接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，將可能面臨致命的災(zāi)難，需要綜合運(yùn)用多種時(shí)空信息源的方式，確保各類武器裝備平臺(tái)及系統(tǒng)的生存和作戰(zhàn)能力。

近期，為應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境下的作戰(zhàn)需求，特別是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)失效情形下，增強(qiáng)國(guó)防和軍隊(duì)定位、導(dǎo)航授時(shí)戰(zhàn)術(shù)能力，美國(guó)積極探索發(fā)展各類綜合導(dǎo)航位置信息服務(wù)綜合解決方案。2018年1月，美國(guó)國(guó)防部在拉斯維加斯附近舉行大規(guī)模紅旗空中作戰(zhàn)演習(xí)中，為了擺脫美國(guó)及盟國(guó)的空中武器裝備對(duì)GPS系統(tǒng)的依賴，設(shè)置了“關(guān)閉”GPS，依靠無(wú)線電設(shè)備、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或者雷達(dá)導(dǎo)航等定位方式，開展打擊任務(wù)的演習(xí)。

一、美國(guó)新一代導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的戰(zhàn)略規(guī)劃與進(jìn)展

1.加強(qiáng)戰(zhàn)略規(guī)劃部署，增強(qiáng)復(fù)雜環(huán)境下服務(wù)的完備性

GPS系統(tǒng)是PNT體系的基礎(chǔ)設(shè)施。為了解決美國(guó)高精度 PNT服務(wù)在可用性、可靠性面臨著的潛在威脅，美國(guó)提出建設(shè)國(guó)家PNT體系，以GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化為依托，以自主導(dǎo)航和各種可用導(dǎo)航信息源為補(bǔ)充，重點(diǎn)滿足更高精度和完好性需求，增強(qiáng)物理遮蔽、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下安全、可靠、實(shí)時(shí)的PNT能力。

在國(guó)家安全空間辦公室（NSSO）主導(dǎo)下，美國(guó)國(guó)防部與運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布《國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》（2010年），制定了2025年前國(guó)家PNT體系建設(shè)路線圖，并對(duì)國(guó)防部相關(guān)下屬機(jī)構(gòu)及運(yùn)輸部、商務(wù)部和內(nèi)政部等共31個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了任務(wù)分工。美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)在GPS的基礎(chǔ)上，以自主導(dǎo)航、通信與PNT融合等為途徑，滿足未來對(duì)抗條件下的軍用PNT需求；民用PNT管理機(jī)構(gòu)在以GPS為首選方案并利用天基增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、地基增強(qiáng)系統(tǒng)提升服務(wù)性能的同時(shí)，部署和建立“增強(qiáng)型-羅蘭”（e-LORAN）等GPS備份系統(tǒng)。

2.核心組件投資力度加大，主要項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）主導(dǎo)PNT核心組件技術(shù)、材料和制造工藝的研發(fā)，主要項(xiàng)目有微型定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)（Micro-PNT）、高穩(wěn)定性原子鐘（ACES） 等。Micro-PNT于2010年1月啟動(dòng)，主要是利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)來開發(fā)精度更高、穩(wěn)定性更好的芯片級(jí)陀螺儀和時(shí)鐘，主要合作伙伴有Qualtre和Honeywell Aerospace公司等。隨著新增經(jīng)費(fèi)的投入，導(dǎo)航級(jí)的MEMS陀螺儀已經(jīng)通過了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）于2016年啟動(dòng)，旨在取得抗精度衰減方面的突破，設(shè)計(jì)和制造出新一代超低功耗、超高穩(wěn)定度的原子鐘。ACES項(xiàng)目總預(yù)算達(dá)到5000萬(wàn)美元，計(jì)劃分三個(gè)階段實(shí)施，最終目標(biāo)是將所有電子組件集成到50cm3的體積內(nèi)，質(zhì)量在100g以內(nèi)。

3.系統(tǒng)級(jí)預(yù)研項(xiàng)目進(jìn)展順利，為裝備開發(fā)和部署奠定基礎(chǔ)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）戰(zhàn)略技術(shù)辦公室（STO）主導(dǎo)PNT系統(tǒng)級(jí)預(yù)研，主要項(xiàng)目有自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）、對(duì)抗環(huán)境下的空間、時(shí)間與方向信息（STOIC）、精確魯棒慣性制導(dǎo)彈藥（PRIGM）等。ANS項(xiàng)目于2011年啟動(dòng)，主要研究冷原子干涉陀螺儀技術(shù)，開發(fā)可利用雷電等外部機(jī)會(huì)信號(hào)的導(dǎo)航校準(zhǔn)新算法與軟件結(jié)構(gòu)，已先后完成了平臺(tái)演示驗(yàn)證和端對(duì)端的演示驗(yàn)證，能夠滿足室內(nèi)、“城市峽谷”、叢林、水下、地下等弱衛(wèi)星信號(hào)環(huán)境及強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境的PNT需求。其合作伙伴為L(zhǎng)eidos公司、SRI公司和佐治亞理工學(xué)院等。STOIC系統(tǒng)于2015年春季開始，立足“量子輔助感知與讀取”研究成果，開發(fā)穩(wěn)健的遠(yuǎn)程參考信號(hào)源、漂移小于1ns/m的新型光學(xué)時(shí)鐘和實(shí)現(xiàn)不同戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈之間的時(shí)鐘精確轉(zhuǎn)換，即將進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)和樣機(jī)系統(tǒng)開發(fā)階段，合作伙伴包括Argon ST公 司、Leidos公 司、Draper實(shí)驗(yàn)室以及佛羅里達(dá)大學(xué)等。在Micro-PNT的基礎(chǔ)上，PRIGM項(xiàng)目于2016財(cái)年啟動(dòng)，主要由諾格公司承擔(dān)，計(jì)劃投入1630萬(wàn)美元，應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)和集成光子技術(shù)，在GPS無(wú)法提供服務(wù)的情況下，提供彈藥制導(dǎo)，以及在發(fā)射和飛行階段的導(dǎo)航功能。

4.加速推進(jìn)GPS全球合作，不斷完善PNT產(chǎn)業(yè)生態(tài)

當(dāng)前，美國(guó)政府采用全球合作的手段，完善GPS產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。在國(guó)家天基PNT執(zhí)行委員會(huì)（EXCOM，由國(guó)防部、交通部、安全部、商務(wù)部等共同組成）中，成立GPS服務(wù)接口委員會(huì)和國(guó)際工作組及常設(shè)工作組，持續(xù)優(yōu)化衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，不僅為3億以上的民用和商業(yè)的全球用戶提供搜索和救援服務(wù)，也服務(wù)于美國(guó)軍隊(duì)機(jī)關(guān)、美國(guó)海軍氣象天文臺(tái)、美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局、美國(guó)國(guó)防信息系統(tǒng)局等國(guó)防和軍隊(duì)機(jī)構(gòu)，此外主動(dòng)開展國(guó)際合作，目前已與57個(gè)授權(quán)聯(lián)合用戶開展了25年以上的合作，與美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及日本、印度區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)開展合作。

二、美國(guó)新一代PNT體系的特點(diǎn)與主要優(yōu)勢(shì)

1.加強(qiáng)軍地部門協(xié)作，建立軍民融合推進(jìn)協(xié)調(diào)機(jī)制

衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用是典型的軍民融合領(lǐng)域。美國(guó)政府高度重視軍地部門在GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和產(chǎn)業(yè)化中的作用，注重從頂層設(shè)計(jì)方面強(qiáng)化軍民融合發(fā)展，積極建立運(yùn)行機(jī)制，將GPS系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用納入到整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)的范疇，統(tǒng)籌推進(jìn)GPS的系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用。在2004年，美國(guó)成立直接向白宮負(fù)責(zé)的EXCOM。2018年2月，特朗普政府向國(guó)會(huì)提交的2019財(cái)年預(yù)算中，提出美國(guó)空軍將積極引導(dǎo)優(yōu)勢(shì)民間力量和新興民營(yíng)企業(yè)參與GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，以便降低國(guó)防部財(cái)政預(yù)算。2018年3月，把價(jià)值6.4億美元的合同分給了美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA），其中SpaceX獲得了2.9億美元的固定價(jià)格合同，將在2021年前利用獵鷹9號(hào)將三顆GPS衛(wèi)星送入軌道，ULA獲得了3.51億美元的合同，使用宇宙神-5（Atlas V）火箭執(zhí)行兩次飛船發(fā)射任務(wù)。

2.采用開放式體系架構(gòu)，將增強(qiáng)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

美國(guó)制定了開放式PNT體系架構(gòu)的“較大公分母策略”（GCDS），其核心思想是通過外部提供的、公共可用的方案，滿足眾多用戶的核心需求；鼓勵(lì)發(fā)展多機(jī)理技術(shù)，盡量采取可交互方案，以保證PNT的穩(wěn)健性和對(duì)多樣化資源的利用率；追求PNT與新興通信技術(shù)的融合；促進(jìn)跨機(jī)構(gòu)協(xié)同和提升信息共享水平等。在國(guó)防部長(zhǎng)辦公室“PNT開放系統(tǒng)架構(gòu)倡議”的框架下，美國(guó)陸軍通信電子研發(fā)與工程中心（CERDEC）新興技術(shù)辦公室與空軍理工學(xué)院（AFIT）聯(lián)合開發(fā)以“蝎子”（Scorpion）軟件為核心的即插即用傳感器開放式架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS、基于陀螺儀與加速度計(jì)的慣性測(cè)量單元（IMU）、視覺輔助導(dǎo)航設(shè)備，以及車載攝像頭等原本不同用途傳感器的集成與快速切換。作戰(zhàn)人員能夠根據(jù)實(shí)際擁有設(shè)備的不同，靈活選擇相應(yīng)傳感器所提供的PNT信息，將顯著增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)性。

3.擺脫對(duì)GPS的依賴，將形成新的非對(duì)稱信息優(yōu)勢(shì)

美軍認(rèn)為，除了能夠干擾或摧毀GPS星座的電磁脈沖與反衛(wèi)星武器外，針對(duì)GPS接收系統(tǒng)的低成本、低功耗干擾技術(shù)已呈全球擴(kuò)散態(tài)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)表明，功率僅4W的GPS干擾機(jī)就能對(duì)145km外的機(jī)載GPS接收機(jī)造成干擾。研發(fā)GPS干擾對(duì)抗設(shè)備的美國(guó)Exelis公司稱，只需25美元就可網(wǎng)購(gòu)到能夠屏蔽一輛汽車周圍GPS信號(hào)的干擾機(jī)。美國(guó)在積極推動(dòng)GPS保護(hù)（Protect）、強(qiáng)化（Toughen）和 增 強(qiáng)（Augment） 計(jì) 劃（ 即PTA計(jì)劃），確保采用立法、執(zhí)法的方式，將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為國(guó)家重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，用于懲罰對(duì)GPS系統(tǒng)的非法干擾的同時(shí)，匯聚多個(gè)政府部門、頂級(jí)大學(xué)和軍工企業(yè)的力量，尋求GPS替代方案，謀求保證在GPS衛(wèi)星出現(xiàn)故障、遭敵打擊或干擾等情況下，依舊能提供穩(wěn)健、可靠、高精度的PNT服務(wù)，形成新的軍事信息系統(tǒng)非對(duì)稱優(yōu)勢(shì)。

4.開辟PNT的新路徑，將有效牽引顛覆性基礎(chǔ)研究

PNT新路徑的開辟，有效牽引量子信息科學(xué)等基礎(chǔ)研究，促進(jìn)微慣性導(dǎo)航、量子導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航、自適應(yīng)導(dǎo)航等技術(shù)不斷成熟。美國(guó)國(guó)防部2013—2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”已將量子信息與控制技術(shù)列為未來重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，重點(diǎn)投資精密導(dǎo)航、精確授時(shí)和安全量子網(wǎng)絡(luò)等在國(guó)家安全領(lǐng)域的應(yīng)用。2016年7月，美國(guó)國(guó)家科技委科學(xué)委員會(huì)和國(guó)土與國(guó)家安全委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布報(bào)告《推進(jìn)量子信息科學(xué)發(fā)展：國(guó)家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》，也把探測(cè)與計(jì)量列為量子信息科學(xué)影響最大的領(lǐng)域之首。