美國軍事定位、導航與授時能力發展

劉春保（北京空間科技信息研究所）

美國軍事定位、導航與授時能力發展

劉春保（北京空間科技信息研究所）

2013年8月，美國空軍航天司令部發布了《彈性和分散空間體系》（Resiliency and Disaggregated Space Architectures）白皮書，在全面分析美國正在以及面臨的軍事航天戰略環境的條件下，提出了美國未來軍事航天系統發展應采取的“彈性”與“分散”策略。

作為美國重要的空間基礎設施與軍事航天系統，GPS在美國國家安全、軍事作戰能力和經濟發展等領域均發揮著極其重要的作用?！稄椥院头稚⒖臻g體系》白皮書將對GPS系統的未來發展產生什么影響，GPS系統與美國軍事定位、導航與授時（PNT）技術與能力將如何發展，是一個值得我們關注的問題。

1　背景與目標

成本問題成為難以承受之重

截至2012年底，GPS系統的總投入已經超過360億美元，且正在以每年12億～15億美元的速度增長。按GPS現代化計劃，2013－2030年間還需投入約250億美元，成本、費用已經成為影響GPS系統未來發展的重要問題。在國會削減國防預算的背景下，與美國其他軍事航天系統一樣，GPS系統也必須面對成本、費用縮減的挑戰。

實際上，美國軍事航天系統的發展早已遇到了嚴竣的技術與成本挑戰。20世紀90年代中、后期開始發展的“未來成像系統”（FIA），在研發工作進行了近10年、投入近200億美元卻仍看不到成功希望的情況下，不得不予以終止，使美國軍事航天系統的發展受挫，也蒙受了巨大的經濟損失。

美國軍事航天系統面臨潛在威脅

美國已經清晰、明確地認識到，空間安全環境正在發生重大變化，且影響深遠。同時，日趨嚴重的空間碎片問題也對空間系統的安全造成了日益嚴重的威脅，特別是低軌道航天系統。

自2001年以來，美國組織了多次施里弗太空戰演習。初期的施里弗太空戰演習的重點是通過威懾保證美國航天系統的安全，特別是軍事航天系統，以保證利用空間的能力。最近幾年的演習則更加關注強對抗條件下的空間能力，以及如何維持和保持空間安全、穩定和空間能力的應用。

因此，隨著空間環境的變化與航天技術的發展，包括GPS系統在內的美國軍事航天系統所面臨的潛在威脅正在不斷加大。

美國空間安全觀的變化

隨著空間安全環境的變化，美國的空間安全觀也在悄然發生變化。受美國空軍的委托，2010年蘭德公司完成了《空間威懾和首次打擊的穩定性》研究，2011年、2012年又先后發布了《國家安全空間戰略》與《國防部空間政策》，其利用空間武器來維護空間安全的空間安全觀已經發生了轉變。

美國國防部與軍方已經意識到，不論美國擁有如何強大的天戰能力，只要存在對空間系統或能力的依賴，其對手必然會發展不對稱的空間攻防能力，并藉此對美國發動致命一擊。為此，美國開始尋求以維持空間安全與穩定的方式，構建與傳統核威懾理論分離的空間威懾理論，強調利用包括政治、經濟、外交、軍事等多種手段，阻止敵方對其空間系統進行攻擊，并利用體系的冗余和強健性提高其空間系統在敵方攻擊下的生存能力。

衛星導航系統的脆弱性難以避免

脆弱性是衛星導航系統的固有特性，只能緩解，不能消除。為此，美國軍方在努力增強GPS系統導航戰能力的同時，正在積極發展不依賴GPS系統的高精度定位、導航與授時技術與手段，以在GPS系統無法提供滿足需求的高精度定位、導航與授時服務時，填補GPS系統的能力缺口，提供高精度軍事定位、導航與授時服務能力。

2　彈性與分散空間體系構想

《彈性和分散空間體系》白皮書將“分散”定義為：將天基任務、功能或傳感器分散到一個或多個軌道平面、平臺、載具或多域的多個系統之中。按《彈性和分散空間體系》白皮書的構想，空間系統的分散有5種形式：

1）分解（fractionation）：即由多個以無線方式相互連接與作用的模塊組成的系統或體系，提供單一系統的功能與能力。

2）功能分散（f u n c t i o n a l disaggregation）：將一顆衛星上的多個載荷或多項任務分散到多個衛星上。

3）搭載有效載荷（hosted payload）：將有效載荷和任務搭載在其他衛星上。

4）多軌道分散（m u l t i - o r b i t disaggregation）：利用部署在多個軌道平面的航天器（可理解為多軌道分散部署）提高系統或體系彈性。

5）多域分散（m u l t i - d o m a i n disaggregation）：將能力分散于海、陸、空、天、網多域，相互冗余和備份。

3　GPS系統與美軍定位、導航與授時能力的未來發展

GPS系統為美軍提供最重要的、覆蓋全球的高精度定位、導航與授時能力。但美國軍方從未將GPS系統作為提供定位、導航與授時能力的惟一手段，一直在謀求GPS之外的高精度定位、導航與授時能力，謀求通過組合、融合的方式實現滿足強對抗戰場環境要求的高精度定位、導航與授時能力。

目前，美國的軍事定位、導航與授時技術和能力的發展分為兩個重點：其一，在縮減經費的前提下，提升GPS系統的服務性能，增強GPS系統的導航戰能力，重點是抗干擾、抗欺騙能力；其二，解決GPS系統不能提供定位、導航與授時服務條件下的高精度定位、導航與授時能力問題。

GPS系統現狀與發展計劃

GPS－3是美國GPS空間段現代化計劃的最后階段，也是實現2004年發布的美國天基定位、導航與授時策略的重要環節。GPS－3采取循序漸進的發展策略，包括3個型號，分別為GPS－3A、GPS－3B 和GPS－3C。

1）GPS－3 A：在GPS－2 F全部能力的基礎上，GPS－3A將增強軍用M碼信號對地球的覆蓋功率，在L1頻段增加與“伽利略”（Galileo）系統完全兼容，并具有互操作性的L1C民用信號，且GPS－3 A所采用的洛馬公司的A2100衛星平臺將作為全部GPS－3發展的基礎。同時，特別值得關注的是GPS－3A將開展GPS星間鏈路的演示與驗證工作，為GPS星間鏈路的建立奠定基礎。

與GPS衛星已經具有的星間鏈路不同，GPS－3星間鏈路采用Ka頻段(原為UHF頻段)，星間鏈路的信號播發方式也由廣播式改為點對點的傳輸，大大提高了安全性。星-星與星-地間的通信能力也提高到100Mbit/s。

2）GPS－3 B：除具備GPS－3 A的全部能力外，GPS－3B將增加星間鏈路能力，從而提高GPS系統導航服務的精度、完好性，以及導航戰所要求的指揮與控制能力。此外，GPS－3B還將采用高速上、下行鏈路天線，并增加搜索與救援功能，為國際搜索與救援服務提供支持。同時，GPS－3B將開展導航戰點波束能力的在軌演示與驗證工作，為GPS系統最終具有點波束能力進行最后的驗證與確認工作。

3）GPS－3 C：除具備GPS－3 B的全部能力外，GPS－3C將實現支持導航戰的點波束能力，具有靈活的載荷配置能力和完好性監測能力，并增加空間環境探測有效載荷。

GPS現代化計劃中，美軍正在研發選擇可用性抗欺騙技術（SAASM），將裝備未來美軍的國防先進GPS接收機（DAGR），抗干擾能力可望達到80dB（目前美軍的GPS組合導航設備的抗干擾能力最高為50dB）。

美國空軍：GPS系統低成本解決方案

應美國國會的要求，美國空軍于2013年4月向國會提交了《全球定位系統低成本解決方案》報告，就降低GPS系統未來發展與維持成本，增強GPS系統發展的可持續性進行了論述。針對GPS系統發展的可持續、可承受問題，美國空軍提出了9個候選方案。

目前，“一箭雙星”的發射方案已經確定，初步設想是取消核爆探測載荷，以降低衛星質量。2011年11月，美國空軍與聯合發射聯盟公司共同完成了相關研究工作，結果表明：GPS－3“一箭雙星”發射可節省7億～15億美元的發射費用。2012年12月，美國空軍將全面研發合同授予了聯合發射聯盟公司。

2012年，美國空軍將380萬美元的GPS小衛星（Nav Sat衛星）研究合同授予了波音公司、ITT Exelis公司和薩里衛星技術（美國）公司，開展了GPS小衛星的研究（三家公司分別在GPS衛星、GPS衛星有效載荷和小衛星領域擁有豐富的經驗）。其目標是利用18個月的時間，以創新的研究方式，通過減小有效載荷的質量、體積與功率（SWAP-C），增加GPS系統的可承受性和可維持性。

美國空間與導彈系統中心提出的主要指標包括：功率1000W，有效載荷質量200～250kg，設計壽命3～5年，指向精度優于0.2°。

按目前的設想，Nav Sat衛星最早于2015年獲得研發授權，2018年首次發射，主要任務包括6個方面：

1）選擇用于Nav Sat衛星的現有商用平臺；2）政府提供的有效載荷與選定商用平臺的集成；

3）在有效載荷與平臺集成前與集成后進行平臺適應性設計與工藝驗證；

4）提供發射場支持和衛星健康狀態測試；

5）參與衛星發射與早期在軌測試活動；

6）在衛星壽命周期內提供衛星異常處理方面的支持。

強對抗戰場環境下先進定位、導航與授時技術的研發

美國軍方認為，多軌道分散部署的GPS系統不能滿足未來強對抗環境條件下的高精度定位、導航與授時需求，多域分散、多種技術手段的融合才是解決美軍未來強對抗戰場環境下高精度定位、導航與授時需求的可行途徑。

目前，美國強對抗戰場環境下先進定位、導航與授時技術研發重點分為3個方面：

1）高精度自主導航基礎技術，即先進原子鐘（包括芯片級原子鐘、冷原子鐘等）與高精度慣性導航技術[包括微機電慣性系統、冷原子（量子）慣性導航技術等]；可在無GPS服務的條件下提供短時間（30min）的高精度定位、導航與授時能力。

首個商品化的芯片級原子鐘

冷原子慣性導航裝置

2）以提供長時間高精度自主導航能力為目標的多源融合導航技術，主要研究項目為美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展的“全源導航”計劃，主要關鍵技術包括融合架構、算法等。

3）以為戰區提供高精度區域導航能力為目標的地基偽衛星無線電導航技術，代表項目為美國空軍正在白沙導彈靶場進行測試的澳大利亞Locata公司LocataNET導航技術。其初步測試結果表明，定位精度可以達到厘米級。

美國陸軍定位、導航與授時能力發展路線圖

4　美國軍事定位、導航與授時能力的發展分析

美國軍方已經充分認識到在未來強對抗的戰場環境下，軍事航天系統的安全面臨嚴峻的挑戰；GPS系統的脆弱性使其提供高精度定位、導航與授時服務的能力受到較大威脅，不可完全依賴。

目前，G P S系統采用2 4＋3基線軌位空間星座，實際在軌運行并提供服務的衛星有3 1顆，分布在6個軌道面上。與“全球導航衛星系統”（GLONASS）、“伽利略”等導航衛星系統相比，其軌道分布更加分散，更加符合美國空軍航天司令部《彈性和分散空間體系》白皮書的要求。然而，GPS系統的生存與安全，并不代表其可提供滿足美國軍方對未來強對抗戰場環境下高精度定位、導航與授時能力的需求。

為此，美國軍方從體系的角度出發，設想以多域分散的方式滿足美軍的未來需求，即將高精度定位、導航與授時服務能力分散至陸、海、空、天、網等各域，并通過集成、融合的方式構建體系化的定位、導航與授時能力。美國軍方正在開展的以量子慣性技術和芯片級原子鐘為代表的導航基礎技術研究；多源、全源導航技術的集成、融合研究，以及地基偽衛星無線電導航技術的試驗與驗證，都是從體系的角度出發，以多域分散的思路為指導，構建美國未來軍事導航能力的重要努力。

然而，不論美國軍事定位、導航與授時能力如何發展，GPS系統都將是美國軍事定位、導航與授時能力的基礎與核心。至少在可預見的未來，衛星導航系統提供的全天時、全天候、可覆蓋地球表面至上空6000km高度的低成本、高精度的定位、導航與授時能力是無可替代的。

綜上所述，未來美國軍事的定位、導航與授時能力將由以GPS系統為核心，由廣泛分布于陸、海、空、天、網的自主導航能力，以及區域導航能力為補充的定位、導航與授時體系提供；目標是滿足未來強對抗戰場環境下對高精度定位、導航與授時能力需求。

Development Of U.S. Military Positioning, Navigation, And Timing Capability