美國陸軍PNT能力發(fā)展趨勢分析

葛悅濤，薛連莉，李婕敏

(1.北京海鷹科技情報研究所，北京 100074； 2.國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100040)

0 引言

據(jù)聯(lián)邦技術(shù)(FedTech)雜志網(wǎng)2018年5月11日報道，近30年來，美國國防部依托全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)對美國軍事作戰(zhàn)行動提供了至關(guān)重要的定位、導(dǎo)航與授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)服務(wù)[1]。然而，在過去的幾年當中，以其高可用性和精確性而著稱的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)一直受到各種各樣的干擾和攻擊。美國陸軍可靠PNT跨職能團隊(Cross Functional Teams，CFT)主任，陸軍太空與導(dǎo)彈防御司令部/陸軍戰(zhàn)略司令部(USASMDC/ARSTRAT)項目和技術(shù)主任Wil-liam Nelson表示“我們?nèi)匀幌嘈臛PS是一個非常強大的系統(tǒng)，我們的目標不是取代它，而是在GPS降級的環(huán)境中增強GPS的可信度，以提供可靠的PNT?！泵绹哲娚闲＃固垢４髮W(xué)教授，國家航天PNT咨詢委員會副主席，被稱為GPS之父的Bradford Parkinson表示“我們不取代GPS，而是要協(xié)助和備份GPS?！笔聦嵣?，除水下裝備外，美國幾乎所有的武器裝備和平臺都會用到GPS進行PNT，而在戰(zhàn)場前沿等有時GPS出現(xiàn)不可用的情況下，會采用其他代替或補充的方式進行PNT。

2013年美國陸軍發(fā)布了《戰(zhàn)術(shù)可靠GPS區(qū)域性能力替代方案分析》，明確了其在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的PNT能力發(fā)展需求，相關(guān)潛在技術(shù)、相應(yīng)系統(tǒng)解決方案，以及不同系統(tǒng)、平臺在GPS不可用環(huán)境中的替代技術(shù)與集成方案，并將實現(xiàn)可靠PNT能力作為最終目標。

GPS是美國陸軍PNT能力的基礎(chǔ)，陸軍已經(jīng)將GPS裝備到各種飛機、戰(zhàn)車和單兵裝備等各類作戰(zhàn)單元。而隨著GPS易受地形、建筑、電子對抗等自然和人為因素干擾的影響，使得美國陸軍的PNT優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)。然而，美國陸軍仍然將GPS作為PNT體系的核心能力和基礎(chǔ)，在加強GPS信號強度、提高抗干擾能力的同時，以陸地導(dǎo)航、混合導(dǎo)航和自動導(dǎo)航等技術(shù)彌補GPS的能力缺陷，并利用各類數(shù)據(jù)鏈、戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)、無線保真(WiFi)等技術(shù)作為PNT的傳輸途徑，增加電子對抗的魯棒性，在兼顧尺寸、質(zhì)量、功耗和成本(SWaP-C)的前提下，以推動創(chuàng)新、維持技術(shù)優(yōu)勢為主要目的，發(fā)展綜合PNT技術(shù)[2-5]。美國陸軍已經(jīng)依靠可靠PNT等項目發(fā)展GPS不可用時的PNT技術(shù)，同時陸軍也在發(fā)展更靈活、更先進的PNT系統(tǒng)，以提高美陸軍的PNT能力。

據(jù)美國聯(lián)邦商業(yè)機會(Federal Business Opportunities，F(xiàn)BO)網(wǎng)站2017年11月24日報道，美國陸軍通信-電子研究開發(fā)和工程中心發(fā)布了廣泛征集公告BAA W56KGU-18-R-PN22，以開展一項廣泛的、為期5年的研究計劃[6]，旨在開發(fā)可在戰(zhàn)場使用的全新的PNT技術(shù)，以改進并增強當前和未來陸軍的作戰(zhàn)能力、靈活性和快速響應(yīng)能力，增強在對稱和非對稱環(huán)境中的作戰(zhàn)能力。

本文將主要通過梳理該BAA需求信息內(nèi)容，分析美國陸軍PNT能力的發(fā)展趨勢，以期為讀者提供有益的參考。

1 美國陸軍發(fā)展先進PNT技術(shù)背景

眾所周知，GPS容易受到各類干擾和欺騙的影響，且在一些有遮擋的區(qū)域，會發(fā)生收不到GPS信號或信號較弱的現(xiàn)象，這導(dǎo)致GPS難以滿足現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)電磁強對抗環(huán)境的應(yīng)用需求。針對PNT系統(tǒng)的攻防，1997年美軍曾提出導(dǎo)航戰(zhàn)的概念，2017年美空軍又提出了授時戰(zhàn)的概念[3]。此外，電子戰(zhàn)(含自適應(yīng)電子戰(zhàn)、認知電子戰(zhàn))、信息戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)等概念也曾應(yīng)用于PNT系統(tǒng)的攻防。美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)在PNT領(lǐng)域曾支持過微定位導(dǎo)航與授時(Micro-PNT)[7-8]、對抗環(huán)境下的空間時間和方向信息(Spatial, Temporal, and Orientation Information in Contested Environments， STOIC)[9]、適應(yīng)性導(dǎo)航系統(tǒng)(Adaptable Navigation Systems, ANS)、深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Positioning System for Deep Ocean Navigation, POSYDON)[10]、超快激光科學(xué)與工程(Program in Ultrafast Laser Science and Engineering, PLUSE)、量子輔助傳感與讀取(Quantum-Assisted Sensing and Readout, QuASAR)[11]等相關(guān)項目。在此基礎(chǔ)上，美國陸軍一直在研發(fā)可靠PNT(A-PNT)技術(shù)，以滿足GPS拒止環(huán)境下高復(fù)雜性動態(tài)變化的環(huán)境要求[12]。2015年初，美國陸軍專門組建了PNT項目辦公室，以推動從傳統(tǒng)GPS能力向A-PNT能力的快速轉(zhuǎn)型。

美國陸軍A-PNT項目包含4個子項目：1)基于地面無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星項目；2)為車輛系統(tǒng)提供PNT項目；3)為單兵提供PNT項目；4)抗干擾的PNT天線項目。A-PNT項目經(jīng)理Kevin Coggins在2017年5月表示，A-PNT項目可使陸軍進入戰(zhàn)爭中的下一個導(dǎo)航級別，并將超越GPS的能力。

2 美國陸軍PNT未來發(fā)展趨勢

為提高未來美陸軍PNT能力，提供步兵和戰(zhàn)車等武器更加可靠和精確的PNT技術(shù)，美國陸軍進行了多項舉措，相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展將成為GPS的補充和備份。

2.1 偽衛(wèi)星系統(tǒng)

由于GPS信號可能被友方或敵方的電磁信號或天然障礙降級或拒止，美國陸軍希望通過使用地面或近地面無線電發(fā)射機廣播類GPS信號，以此建立偽衛(wèi)星系統(tǒng)[13-14]，以支持和增強GPS信號，提高態(tài)勢感知能力，從而提高任務(wù)指揮效率和效果。在GPS信號中度降級環(huán)境下，偽衛(wèi)星系統(tǒng)有助于獲取GPS衛(wèi)星信號；在嚴重降級環(huán)境下，偽衛(wèi)星系統(tǒng)可用作定位和授時源。在GPS可用時，偽衛(wèi)星系統(tǒng)依靠GPS信號將獲得更為精準的位置、速度和時間(Position Velocity and Time，PVT)信息。美國陸軍希望偽衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下能力：

1)指揮和控制軟件具有分析能力，有助于偽衛(wèi)星系統(tǒng)的定位；

2)指揮和控制數(shù)據(jù)鏈能與陸軍任務(wù)指揮系統(tǒng)相兼容；

3)可兼容抗干擾GPS天線；

4)具有異形光束輸出天線；

5)具有共形天線；

6)具有分布式孔徑天線；

7)具備防篡改技術(shù)；

8)具有高效率、快速響應(yīng)的功率放大器；

9)能夠為天文導(dǎo)航設(shè)備提供備用位置源；

10)可通過偽衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送GPS差分校正；

11)能為偽衛(wèi)星系統(tǒng)提供精確授時的替代技術(shù)。

2.2 車輛導(dǎo)航系統(tǒng)

美國陸軍希望車輛導(dǎo)航系統(tǒng)[15-16]在GPS受到干擾或拒止環(huán)境中，依然能夠為車輛提供PNT信息，以提高戰(zhàn)場任務(wù)指揮和決策能力。具體要求如下：

1)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該是可配置的，以平衡基本組件的最小化，從而平衡系統(tǒng)的總成本，與任務(wù)和作戰(zhàn)功能相匹配；

2)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)可允許升級到GPS軍用碼(M碼)；

3)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該高度集成，使SWaP-C最小化；

4)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該兼容網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)和精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)，并能夠利用車輛的輔助傳感器提高導(dǎo)航和授時能力。

2.3 慣性導(dǎo)航

美國陸軍希望持續(xù)推進慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展，改進單兵和車輛態(tài)勢感知能力，并提高戰(zhàn)場指揮官的任務(wù)指揮和決策能力。陸軍希望應(yīng)用微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、機械、光學(xué)和原子等技術(shù)設(shè)計并開發(fā)出新型陀螺儀和加速計傳感器，以滿足單兵和車輛平臺的SWaP-C最小化目標。此外，陸軍還希望開發(fā)傳感器自校準、速度更新和范圍輔助等技術(shù)，以保證導(dǎo)航的長期性能。

2.4 定位

美國陸軍希望使用多種外部信息來確定位置信息，如GPS、多全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Multi-GNSS)、無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、機會信號導(dǎo)航(Navigation via Signals of Opportunity，NAVSOP)[17]和無線電大氣信號導(dǎo)航等，以提高戰(zhàn)場任務(wù)指揮和決策能力。陸軍希望重點突破:

1)先進GPS接收機硬件，包括新穎的射頻前端設(shè)計、與傳統(tǒng)射頻相關(guān)器不同的配置和設(shè)計、新型天線設(shè)計、軟件定義GPS接收器、實現(xiàn)GPS信號或GPS導(dǎo)航解決方案的完整性監(jiān)控等；

2)充分利用GNSS信號，如允許標準GPS接收機跟蹤非GPS信號的方法(如軟件修改GPS接收機用于跟蹤伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星信號)；

3)利用新興的和計劃的未來信號，例如升級到M碼信號，以及包括跟蹤和采集算法的新型接收機架構(gòu)。這些算法可減少首次定位時間(Time To First Fix，TTFF)或提高抗干擾能力；

4)開發(fā)抗干擾GPS或GNSS天線，以及相關(guān)抗干擾技術(shù)。

2.5 導(dǎo)航系統(tǒng)輔助傳感器

美國陸軍希望開發(fā)用于單兵和車輛平臺的導(dǎo)航輔助技術(shù)，在有GPS信號時，通過輔助傳感器提高GPS的定位精度；在無GPS信號時，能夠保持較長一段時間內(nèi)與GPS相當?shù)亩ㄎ痪?。陸軍認為這種輔助傳感器應(yīng)該是無電磁輻射的，或是具有少量輻射的，或輻射是受控的；另外物理硬件和軟件應(yīng)該是模塊化的、易于嵌入的，且是可調(diào)可優(yōu)化的，以適應(yīng)各種軍事平臺(如步兵、戰(zhàn)車和航空器)，從而保障未來系統(tǒng)的升級。在陸軍通用操作環(huán)境(Common Operational Environment，COE)中，系統(tǒng)應(yīng)能夠正常工作并遵循預(yù)期的體系架構(gòu)。陸軍對于軍事導(dǎo)航系統(tǒng)輔助傳感器的發(fā)展主要包括：

1)基于視覺的導(dǎo)航系統(tǒng)和技術(shù)[18-20]，包括先進的計算機跟蹤、映射、特征識別和提取算法，光學(xué)鏡頭技術(shù)、照相機、微型固態(tài)材料及相應(yīng)設(shè)備等；

2)基于光探測和測距(Light Detection and Ranging，LIDAR)或激光探測和測距(Laser Detec-tion and Ranging，LADAR)系統(tǒng)；

3)低功耗、窄帶的無線電射頻測距系統(tǒng)，以降低對臨近的無線電通信系統(tǒng)的干擾；

4)速度傳感器、速度檢測器、磁強計和其他用于先進定位和導(dǎo)航技術(shù)的無源傳感器；

5)網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航概念和系統(tǒng)。

2.6 導(dǎo)航傳感器融合

美國陸軍希望通過多種導(dǎo)航輔助傳感器(如照相機、磁強計、激光測距儀等)的信息融合，以提高車輛和步兵的定位導(dǎo)航能力[21-24]。陸軍希望導(dǎo)航傳感器融合發(fā)展主要包括以下幾個方面：

1)開放式系統(tǒng)架構(gòu)傳感器融合設(shè)計應(yīng)該是通用的、靈活的，便于修改和定制，以滿足各種任務(wù)要求，并簡化多種新型和現(xiàn)有傳感器的接口和集成；

2)即插即用系統(tǒng)架構(gòu)需要滿足標準化軟件、電氣和機械接口，以降低傳感器集成和配置復(fù)雜性，并降低開發(fā)時間和成本；

3)壓縮感知算法，使用建模和采樣等技術(shù)，有效地獲取和處理最佳傳感器數(shù)據(jù)，以提高定位導(dǎo)航精度；

4)超定傳感器技術(shù)，融合和優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)、功能和應(yīng)用，以提供魯棒的、準確的導(dǎo)航解決方案；

5)人工智能，通過自適應(yīng)感知環(huán)境變化，智能地融合各種傳感器數(shù)據(jù)，以增強傳感器融合能力。

2.7 導(dǎo)航仿生技術(shù)

美國陸軍系統(tǒng)希望能夠受到生物學(xué)的啟發(fā)，應(yīng)用仿生技術(shù)來提高PNT能力[25]。主要包括以下幾個方面：

1)研究脊椎動物和無脊椎動物物種(如箭蟻、鹵蟲蜂、候鳥、魚類等)，獲得仿生過程、模型、系統(tǒng)和技術(shù)，用于應(yīng)對復(fù)雜任務(wù)和環(huán)境的PNT系統(tǒng)。陸軍感興趣的項目主要包括應(yīng)用于姿態(tài)、定向和導(dǎo)航的、基于仿生過程的新型傳感器，以及應(yīng)用于PNT的仿生定制算法；

2)仿生技術(shù)與傳統(tǒng)PNT和材料的融合；

3)通過應(yīng)用生物啟發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化PNT系統(tǒng)的SWaP-C。

2.8 授時

美國陸軍希望推進先進精確授時時鐘源和時間傳遞技術(shù)發(fā)展，主要包括以下幾個方面：

1)微型原子鐘、原子頻率標準、緊密耦合的GPS接收機/時鐘，該項主要考慮：①軍事規(guī)范相適應(yīng)環(huán)境下的授時精度、長期和短期穩(wěn)定性，以及低相位噪聲；②高精度時鐘，為陸軍提供在GPS拒止環(huán)境下的精準授時；③步兵、地面/空中的有人/無人平臺所涉及的SWaP-C優(yōu)化；

2)保證授時準確性的無線電傳送方式。

2.9 PNT建模與仿真(M&S)

建模與仿真應(yīng)用于技術(shù)開發(fā)的各個階段，美國陸軍希望突破以下幾個方面：

1)支持技術(shù)開發(fā)中的設(shè)計權(quán)衡；

2)對系統(tǒng)組件、系統(tǒng)、體系進行性能分析；

3)在各種環(huán)境下，分析作戰(zhàn)任務(wù)中PNT的影響；

4)支持任務(wù)規(guī)劃和決策，同時了解PNT可用性、重要性和影響；

5)應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程工具和實踐來支持PNT技術(shù)的開發(fā)。

2.10 導(dǎo)航戰(zhàn)(NAVWAR)技術(shù)應(yīng)用

導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)是指在不影響戰(zhàn)區(qū)外和平使用GPS/GNSS導(dǎo)航信息的同時，使美國及其友方能夠有效利用GPS/GNSS導(dǎo)航信息，并阻止敵方使用GPS/GNSS導(dǎo)航信息。美國陸軍希望通過導(dǎo)航戰(zhàn)來提高在戰(zhàn)場上的反介入/區(qū)域拒止(A2AD)能力，主要包括以下幾個方面：

1)GPS干擾源的實時檢測、地理定位和特征描述技術(shù)；

2)GPS接收機欺騙、干擾和攻擊的實時檢測，通過偽信號或者重播等方法重新獲取優(yōu)良的PNT數(shù)據(jù)；

3)通過利用GPS接收機和/或傳感器集成來進行態(tài)勢感知；

4)有選擇地拒止敵方使用PNT信息，同時保護中立和友軍的PNT信息。

2.11 自主與人工智能(AI)在PNT中的應(yīng)用

美國陸軍認為自主和人工智能技術(shù)將為作戰(zhàn)人員提供更為先進的作戰(zhàn)能力[26-30]，主要包括以下幾個方面：

1)利用人工智能技術(shù)可以增強傳感器融合，提高對環(huán)境變化的自適應(yīng)能力；

2)提高各種傳感器的智能融合能力；

3)利用人工智能提高士兵的態(tài)勢感知能力；

4)利用人工智能，使導(dǎo)航系統(tǒng)了解GPS和其他傳感器的環(huán)境、路徑和實際測量結(jié)果，以改進GPS和其他傳感器的性能，提高導(dǎo)航精度；

5)利用自主技術(shù)提供先進的避障能力；

6)應(yīng)用自主和人工智能技術(shù)提高自主導(dǎo)航定位速度；

7)應(yīng)用自主和人工智能技術(shù)提高傳感器的實時數(shù)據(jù)處理能力；

8)利用人工智能技術(shù)提高學(xué)習和自適應(yīng)PNT的能力，以對抗敵方的威脅；

9)人工智能相關(guān)算法的開發(fā)和應(yīng)用，以提高整體PNT能力。

3 結(jié)束語

雖然GPS容易受到遮擋、欺騙、干擾等各種因素的影響，使得GPS有時不可用或不可靠，但其仍是美國PNT的主要手段。為滿足各種動態(tài)變化的高對抗作戰(zhàn)環(huán)境需求，美國陸軍希望通過發(fā)展一系列先進的PNT技術(shù)，在GPS可用時，提高其PNT能力，不可用時也能維持相當?shù)腜NT能力。

1)注重改進單兵和車輛態(tài)勢感知能力，提高支持戰(zhàn)場指揮官的任務(wù)指揮和決策能力。

在PNT的發(fā)展過程中，美國陸軍一直注重提升本軍種相關(guān)的武器裝備、平臺和單兵作戰(zhàn)的態(tài)勢感知能力，通過多來源的感知和認知PNT數(shù)據(jù)來不斷提升戰(zhàn)場的指揮和決策能力。

2)開發(fā)開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，軟件和硬件齊頭并進發(fā)展。

美國陸軍希望開發(fā)開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，使用模塊化、易嵌入、標準化、可調(diào)的PNT軟硬件，滿足各種武器裝備和平臺的發(fā)展需求，以及各種作戰(zhàn)任務(wù)的需求，降低各型元器件、傳感器和裝備的集成和配置復(fù)雜性，并降低開發(fā)時間和成本，以保障未來系統(tǒng)的升級。

3)注重SWaP-C優(yōu)化，提高PNT系統(tǒng)性價比。

在各種設(shè)計考慮中，特別是小型化裝備和單兵PNT需求，美國陸軍十分注重尺寸、質(zhì)量、功耗和成本之間的權(quán)衡、協(xié)調(diào)和優(yōu)化，期望能夠全面降低SWaP-C，提升車輛和單兵PNT能力，并降低成本。

4)應(yīng)用自主技術(shù)、人工智能等前沿技術(shù)，提升整體PNT能力。

隨著大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)、人工智能、無人自主技術(shù)等前沿顛覆性技術(shù)的發(fā)展，美國陸軍希望充分利用自主技術(shù)和人工智能技術(shù)等前沿技術(shù)，提高車輛和單兵的環(huán)境適應(yīng)性、態(tài)勢感知能力、自主導(dǎo)航和協(xié)同導(dǎo)航能力，最終提升陸軍整體的PNT能力。