不依賴GPS的導航技術發展

衛星應用于軍事并不新奇，但衛星能在實戰中發揮不可替代的作用，乃至改變現代戰爭的作戰樣式，則是在它開發出了可靠、高效的導航定位功能之后。GPS衛星導航定位系統可提供全球性、全天候、高精度服務，在軍事、交通、測繪、農業等領域已經得到廣泛應用。但GPS導航系統也有其自身較為明顯的缺陷，過度對其依賴存在巨大的風險。

近年來許多國家愈來愈清晰地感受到，過度依賴GPS系統可能帶來巨大的潛在隱患與風險，因此紛紛傾力開發可替代型高新技術，并取得了長足進展。

對衛星導航依賴日益增多

GPS衛星導航目前已經得到廣泛應用，對美國而言，GPS 提供的定位、導與授時（PN T）服務是不可或缺的，即使在民用和商用領域同樣如此。據統計，美國交通運輸、建筑測繪和農業領域高度或嚴重依賴 GPS 及其服務的比例高達 89%；軍事領域對 GPS 及其服

務的依賴程度更為嚴重，目前美軍幾乎所有裝備系統均要依靠GP S提供全球性、全天候、高精度導航服務，在其經濟和軍事基礎建設中GPS不可或缺。

現代信息化戰場上，GPS更是表現不俗，其制導導彈具備發射后“不管”或“少管”功能，即可預先將攻擊參數輸入導彈，或在導彈發射后通過數據鏈修改參數，實現自主攻擊目標；還可實現“外科手術式”精確打擊，如科索沃、阿富汗、伊拉克戰爭中，美軍屢次對敵高價值戰略目標，如固定機場、發電站和水庫等成功實施防區外遠程“外科手術式”精確打擊。GPS已發展成為綜合性超強的集成系統，包括天基系統以及陸基、空基、海基聯合作戰平臺，在信息化戰爭舞臺上獨樹一幟。

海灣戰爭中，美軍把GPS接收機安裝在裝甲車和直升機上，還使用了一萬多個只有香煙盒大小的GPS接收機，可以裝在口袋中，不用向導部隊也不會迷失方向。據稱，多國部隊正是通過GPS系統提供的精確位置計算等情報后，才迂回繞過伊拉克共和國衛隊，直插敵前方薄弱之處，形成對敵前后夾擊態勢。海灣戰爭后，在科威特的掃雷人員廣泛使用了GPS設備來測定雷場，它能將地雷的位置精確到1平方米以內。在戰場內，GPS設備共清掃了175萬顆雷、彈，創造了現代戰場掃雷的一大奇跡。科索沃戰爭中，空襲所用導彈和炸彈大多是GPS制導，大大提高了命中精度，飛機投放武器的距離也更遠，使載機更加安全。另外，像B-2戰略隱形轟炸機，本身就采用了GPS進行導航定位。

“戰斧”巡航導彈也是沾了衛星導航系統的光，才得以如此風光。現在“戰斧”已經改用GPS作為制導方式，不僅將導彈發射的準備時間縮短到幾十分鐘，并真正實現“發射后不管”。

衛星導航系統對特種作戰也意義重大。由于它具備全天候連續、隱蔽定位的優點，尤其是一次定位時間僅需幾秒到十幾秒，并且使用者不需發射任何電磁信號、只要接收衛星導航信號即可。因此，特種作戰部隊無需無線電靜默就已部分地保持了與指揮機構的聯系，無需呼叫就可以獲得戰術支援，并且可以隨著戰場變化隨時確認理想的行動路徑。

GPS衛星導航面臨潛在風險

GPS衛星導航雖然目前已得到廣泛應用，但存在信號強度弱、容易受到干擾和阻塞等問題，過度依賴存在巨大風險。近來國際業界頻頻發出擔憂，認為“對GPS過度依賴，存在巨大風險”；由于其“信息化系統的脆弱，GPS系統一旦失效后果不堪設想”；甚至有評析指出“GPS若失靈，龐大作戰體系將形同虛設”。

GPS之所以被詬病，主要是由于該系統過于依賴脆弱的天基衛星系統。衛星在戰時極易被干擾、破壞，或受到網絡攻擊，自身安全性難以得到有效保證。軍事專家擔心的是，盡管明知GPS系統存在安全隱患，對其依賴程度還在不斷提升。

外軍研究表明，GPS信號系統功率相對較低，敵方只需通過簡單的技術和常規設備就可有效干預其安全運行。例如，2011年，伊朗通過發射虛假GPS信號，巧妙捕獲了美中央情報局RQ-170隱身無人機，充分暴露GPS信號弱、易被干擾的缺點；2012年，美國一大學科學實驗室只通過一臺價值不到1000美元的GPS信號干擾機，便成功運用欺騙術改變了一架小型民用無人機的飛行路徑。為此專家驚呼，假使敵方善用各種欺騙術，即便是擁有加密保護的軍用系統也將無可奈何。

GPS系統還存在一些其他軟肋。一是信號難以覆蓋特殊區域，GPS仍然不能擺脫物理遮蔽的限制，城市峽谷、高山峽谷、室內、水下、地下以及濃密的原始森林中，仍不能或不能很好地使用GPS提供的導航定位等服務；二是本身安全問題，美軍就曾發生因GPS地面控制系統升級時出現故障，導致接近90種使用GPS接收機的武器系統無法運行。

美、英大力發展新型導航技術

為解決GPS脆弱性產生的GPS服務與應用受限問題，為強對抗條件下的軍事行動提供可用、靈活、強健的高精度導航定位能力，建立強對抗條件下的不對稱優勢，美、英等國開展了多項不依賴 GPS的高精度導航技術研究。美國近期開展了“定位、導航與授時微技術”（Micro-PNT），“全源定位與導航”（ASPN）以及新型地面導航定位技術；英國開始了“通過隨機信號導航”（NAVSOP）項目和高精度量子導航系統的研究。

“定位、導航與授時微技術”項目為了滿足在衛星導航信號拒止環境下的應用需求，美國從2010年開始進行“微定位導航授時”（Micro-PNT）技術的研究，以美國高級研究計劃局（DARPA）為主導，利用微電子和微機電系統技術的進展，開發芯片級精確慣導裝置。2010年，DARPA啟動了Micro-PNT項目的研發工作，發展微型化技術用于高精度時鐘和慣性器件的微小型化開發。該計劃的目標是，利用芯片級的原子鐘與“微慣性測量單元”（IMU）技術融合取代傳統的PNT手段，以降低系統尺寸、重量和功耗。該計劃有四個關鍵研究領域，分別是時鐘、慣性傳感器、微尺度集成以及試驗與鑒定，共包含了10個具體的研究計劃。該技術一旦研制成功，在軍用、商業和民用交通、手機通信、科學考察等領域的應用潛力非常巨大，將可能對現有導航體系的發展產生革命性影響。

2012年，Micro-PNT項目下的“微型速率積分陀螺儀”（MRIG）子項目在制造工藝上取得突破，采用玻璃合金等非傳統材料進行細微加工，完成了微型3D 結構的焊接，并采用新工藝替代傳統玻璃吹制方法制造出慣性傳感器。同時DARPA啟動了Micro-PNT項目的另一個子項目—“芯片級原子鐘”（C-SCAN），旨在研制一種將固態和原子慣性傳感器集成在單個微系統內的微型慣性測量組件。

2013年4月，作為Micro-PNT項目的一部分內容，美國密歇根大學在“授時慣性測量裝置”（TIMU）方面的研究取得了重要進展，TIMU包含當GPS臨時失效時導航所需的所有部件。單芯片的TIMU樣機包

含6坐標軸慣性測量裝置（3個陀螺儀和3個加速度計），并集成了高精度的主時鐘，這7種裝置構成了一套獨立的微型導航系統，尺寸比1美分的硬幣還小。這種先進的設計方案是通過新型制造工藝、利用高質量材料才得以完成，全部組件都集成在了10立方毫米的狹小空間里。TIMU共有6層用微技術加工的二氧化硅結構層，每層厚度僅為50微米，與人類頭發的直徑相當，都可實現不同的功能。TIMU未來的潛在應用廣泛，由于其體積小且功能強大，未來可用于人員追蹤、手持式導航、小口徑彈藥以及小型空中平臺等。

美國DARPA還著眼于將IMU數據與另一種新技術得到的數據相結合，以有效提高IMU的性能。該新技術利用原子的拉莫爾頻率測量運動變化，只要不受較強的外界磁場干擾，就能夠維持長時間、遠距離的高精度導航。基于上述原理，該項目團隊研制了芯片級組合原子導航儀的新系統。該新系統進行了嚴格密封，屏蔽了外界磁場干擾，目前能夠提供4個小時的高精度導航服務，但目前尚未進入生產。

“全源定位與導航”項目“全源定位與導航”（ASPN）由美國DARPA負責，于2010年啟動。該項目旨在研發一種可使任意導航傳感器/敏感器組合方案能夠快速集成、重新配置的體系架構、抽象方法以及濾波算法，為用戶提供 GPS服務受限條件下的低成本、高精度的導航定位能力，滿足不斷變化的任務需求與環境變化的要求。

ASPN計劃試圖利用各種可用的導航信息資源、方法與途徑，構建一種開放的體系架構，實現不同導航信息資源、方法和途徑的靈活組合、可重新配置和即插即用。ASPN并不是要全面取代或替代導航衛星系統，而是為在無法使用導航衛星系統提供的導航定位服務的情況下，提供一種解決方案，彌補因導航衛星系統固有脆弱性產生的服務或能力不足，增強導航定位服務和體系的可用性、完好性和強健性，特別是提升強對抗條件下的導航定位能力。

新型地面精確導航定位技術新型地面精確導航定位技術使用安裝在地面基站的同步收發機傳送信號，為覆蓋區域內的用戶提供高精度、高可靠性的定位、導航和授時服務。各地面基站間的直線距離最大可達30千米，時鐘頻率可實現納秒級同步。信號接收強度為GPS衛星的100萬倍，定位精度理論可達6厘米。2013年12月，美國與澳大利亞合作，利用在白沙靶場布設的地面精確導航定為網絡，試驗了新型地面精確導航定位技術。試驗證實，這種導航定位技術實用性強，效果等同甚至優于當前使用的GPS系統。

新型地面精確導航定位技術未來將成為美軍著力打造的“GPS備份能力”的重要組成部分，在戰場區域內提供效果與GPS相同甚至更優的定位、導航和授時服務，極大提升美軍在復雜電磁環境中的作戰能力。

“通過隨機信號導航”項目2012年，英國BAE公司公布了“通過隨機信號導航”（NAVSOP）項目，該項目旨在利用使用者周圍多種不同的自然與人造信號（Wi-Fi、無線電臺、移動電話信號）等來估算自身的位置。最具革命意義的是，這種系統所需設施和所有硬件都是現成的，無需建立代價高昂的網絡系統，且可以用于抵抗敵方的干擾和欺騙。該技術可在城市區域、建筑物內部甚至地下和水下等GPS信號無法使用的地方發揮作用，也可以通過捕獲各種信號，在北極等世界上極端條件地區發揮作用。但NAVSOP技術也有缺陷，在利用多路或反射信號進行導航時，會出現計算錯誤。NAVSOP在軍事方面具有廣泛的應用潛力，它既能協助士兵在偏遠地區展開行動，也能在敵方企圖破壞其制導系統時，為無人駕駛飛機提供更好的安全保障。BAE公司認為，該項技術將改變導航對抗領域的“游戲規則”。

量子導航系統 量子導航系統的原理是利用激光俘獲并冷卻位于封閉真空容器中的原子云，將原子冷卻至非常接近絕對零度的溫度。這種超冷低能原子移動緩慢，對外力影響極為敏感，可利用激光束精確測量外力對原子的擾動，即可計算出容器運動狀態，進而獲取高精度導航數據。量子導航系統具有以下特點：一是導航精度高，潛艇在水下使用慣性導航系統時，一天的航跡誤差超過1千米，而量子導航系統的誤差不會超過1米；二是不受環境限制，量子導航系統能夠在地球表面任何地方，特別是水下、建筑物內等環境中使用；三是不易被干擾，量子導航系統無需GPS信號或其他無線電導航信號等外來信息，可實現自主導航。

近期，英國國防科學技術實驗室（DSTL）與國家物理實驗室的研究人員合作，計劃在3～5年時間內研制出不依賴衛星導航的量子導航系統。2014年初，DST L 利用激光陣列冷卻銣原子，已開發出一套長1米、鞋盒形狀的量子導航系統原型機，并計劃2015年9月對其進行測試。DSTL下一步將致力于實現該設備的小型化，使其尺寸縮小到芯片級。未來，該系統可應用于單兵裝備，以及汽車、智能手機等設備，具有廣闊的軍民應用前景。

結語

盡管以GPS為代表的衛星導航系統存在諸多不足，但衛星導航系統仍是目前最可靠和最有效的導航定位手段，新型導航技術短期內尚無法撼動和取代衛星導航系統的地位。然而由于新型導航定位技術具備平戰結合、軍民共用特點，具有微小型化、智能化、實用化、低成本等優勢，所以其發展必然前景廣闊。

責任編輯：安翠香