美正在開發的PNT新技術及幾點認識

● 文| 李耐和張永紅席歡

1.工業和信息化部電子科學技術情報研究所 2.中國國防科技信息中心

美正在開發的PNT新技術及幾點認識

● 文| 李耐和1張永紅2席歡2

1.工業和信息化部電子科學技術情報研究所 2.中國國防科技信息中心

介紹了美國國防高級研究計劃局正在開展的5項PNT新技術的研究目的、關鍵技術領域、開發步驟和研究進展，并簡要總結了PNT新技術可能產生的影響。

GPS是實現定位、導航與授時（PNT）所不可或缺的重要手段，幾乎所有的美國軍用系統和作戰平臺都依靠GPS或基于GPS的組合導航系統。但GPS導航存在信號較弱、穿透能力差、易受干擾、易受網絡攻擊等缺陷，在電子環境日益復雜、頻譜對抗日趨激烈的戰場環境中面臨嚴重威脅。為繼續掌握未來戰場制導、導航權，維持在PNT領域的技術優勢，避免過度依賴GPS而帶來的巨大風險，美國國防高級研究計劃局（DARPA）正在將新物理技術、新設備和新算法投入到PNT相關技術的研發工作中。近年來，DARPA陸續開展了5項技術研究項目，其目標是努力提高現有武器裝備的導航水平，并保證在GPS功能降級或不可用時提供可靠、高精度的PNT功能。

一、微型定位、導航與授時技術

微型定位、導航與授時（微型PNT）項目旨在以微電子技術和微機電系統技術為基礎，開發出體積小、功耗低的慣性導航核心組件，即微型、高精度的時鐘和慣性傳感器單元，并通過微尺度的集成制造技術將其組合在一起，制造出能夠在多種作戰場景下使用、高穩定性的芯片級慣性測量裝置。

該項目于2010年1月啟動，共有40多家機構參與，包括美國陸軍研究實驗室、空軍研究實驗室和NASA等10家政府機構，密歇根、斯坦佛、康利、麻省理工等14家大學，桑迪亞國家實驗室、噴氣推進國家實驗室等6家實驗室，以及波音、諾格、霍尼韋爾等20家國防承包商。

微型PNT項目致力于研發超穩且精確的儀器，包括芯片大小的陀螺儀、時鐘和完整集成的授時與慣性測量裝置。它涉及4個關鍵技術領域：時鐘、慣性傳感器、微尺度集成及測試評估。DARPA將采用新型制造和深度集成等先進制造技術，將微型時鐘和慣性傳感器單元集成到單個芯片上，最終開發出芯片級組合原子導航儀，實現慣性導航系統的微型化。

目前，DARPA研究人員已經開發出了集成3個陀螺儀、3個加速度計、1個高精度主時鐘的樣機，其尺寸比一美分硬幣還小。與當前傳感器相比，這種自校準、高性能和成本效益高的微型傳感器，可顯著提升現有傳感器功率，并有效降低尺寸、重量。2014年，美陸航和導彈研發工程中心授予諾格公司一份“芯片級組合式原子導航”（C-SCAN）項目合同，用于研發微型慣性導航系統，包括NMR陀螺儀技術成熟化、縮小該裝置當前尺寸并研發新型精確光學加速度計，該項目是微型PNT項目的組成部分。諾格公司將通過綜合運用聲體波微電子機械系統陀螺儀和核磁共振陀螺儀技術，將微電子技術、微機電系統和原子慣性制導技術集成到一個慣性測量裝置，以縮短啟動時間并長期提供穩定的性能。這些先進芯片級導航傳感器的潛在應用包括：瞄準、定位、制導、導航和智能武器。

二、自適應導航系統

自適應導航系統（ANS）項目將通過開發新的算法和體系結構，實現多個平臺PNT傳感器的快速即插即用集成，從而降低開發成本，并將部署時間從數月縮短至數天。

ANS基于DARPA正在開展的兩個項目分別是精確慣導系統和全源定位導航系統。精確慣導系統利用冷原子干涉儀的量子物理特性提升測量精度，制成精度極高的慣性測量裝置。這種裝置可以長時間工作，無需依賴外部數據確定時間和方位。全源定位導航系統利用非GPS信號，如激光雷達、激光測距儀、商用衛星、廣播電視信號、甚至閃電等提供的PNT參考信息，多渠道獲取信息，實現定位、導航與授時。由于這些不同信號來源非常充足，將提供比GPS更強的信號，可在GPS受阻和降級環境中提供位置信息，從而大幅度提高導航定位的精度及可靠性。

ANS項目包括3個技術領域：1）更好的慣性測量裝置。它需要較少的外部定位數據。2）非GPS信號源。通過軍、民領域的多種傳感器信號應用，實現定位、導航與授時。3）新的算法和體系結構?？筛鶕唧w任務，利用新型非傳統傳感器，迅速重新配置導航系統。

目前，精確慣導系統和全源定位導航系統項目均處于第2階段，2014財年在多種平臺上完成子系統現場演示，2015財年將進行端-端系統演示。

三、量子輔助感知與讀出

量子輔助感知與讀出（QuASAR）項目將在現有的原子控制與讀出技術基礎上，開發下一代磁場、力學和時間量子傳感器，用于美國國防部各領域，特別是生物成像、慣性導航和精確守時等領域。

該項目包括3個技術領域：1）電磁場感知。利用原子和類原子系統的量子特性，開發具有亞納米級分辨率和高靈敏度的電磁傳感器。2）力學感知。開發新型加速度計和新型測力計，前者具有接近量子極限的靈敏度，帶寬大于10千赫。后者在標準量子極限（SQL）附近工作，易于集成。3）守時技術。將利用實驗室原子鐘技術的最新成果，開發下一代便攜式時鐘，其分頻穩定度將比基于微波的美國現有頻率標準高出兩個數量級，接近10-17/天。

該項目于2010年啟動，為期5年，分為3個階段。第1階段（2年）：完成可行性分析、部件研發和傳感器設計。第2階段（2年）：完成部件集成和原理證明實驗的實驗臺演示，達到傳感器的性能里程碑。第3階段（1年）：研究量子輔助感知與讀出傳感器在國防部的應用前景，并提交技術成果轉化可行性計劃。

目前，該項目研究人員已在實驗室中研發出光學原子鐘，其授時誤差在50億年內不到1s，是世界上最精確的原子鐘。未來，研究人員將進一步改進其性能并實現便攜化。

四、超快激光科學與工程

超快激光科學與工程（PULSE）項目旨在開發生成和控制超快光脈沖的技術，利用最先進的脈沖激光技術，顯著提高原子鐘和微波源的精度和尺寸，遠距離實現更精確的時間和頻率同步。

該項目包括4個技術領域：1）開發兩種靈巧的低噪聲射頻振蕩器，包括基于鎖模激光器的機架安裝光頻分振蕩器和芯片級光頻分振蕩器。2）演示最精確的光鐘分發技術。開發可在實際系統中使用的光學時間傳遞技術，包括單向光纖時間傳遞技術和自由空間時間傳遞技術。3）開發激光驅動二次輻射源。重點開發3D相干X射線成像系統，可在2.3～4.4nm范圍工作，成像亞細胞結構分辨率低于5nm。4）開展原秒（10-18s）科學研究。重點是通過原秒泵浦-原秒探測光譜方法，開展復雜系統（如凝聚態物質、等離子體）中原秒電子動力學的研究。

項目于2012年啟動，為期5年，分為3個階段。第1階段（2年）：開發部件，并進行原理證明演示。第2階段（2年）：完成部件集成和實驗室演示，達到性能里程碑。第3階段（1年）：在相關軍用環境下全面演示有關能力。

五、在對抗環境下獲得空間、時間和定位信息

在對抗環境下獲得空間、時間和定位信息（STOIC）項目旨在開發能夠在作戰等環境下提供不依賴于GPS、能夠達到GPS等級的PNT系統。

該項目包括4個技術領域：1）魯棒的遠程基準信號。開發不依賴GPS、無處不在的抗干擾PNT系統，可在對抗環境下使用。地面基準信號發射機間隔至少10000km，無需在對抗環境內部或附近部署和維護基礎設施。系統授時精度低于30ns，定位精度低于10m。2）超穩定戰術時鐘。開發超穩定戰術時鐘，其穩定度比目前銫束鐘高100倍，具有作戰所需的足夠魯棒性。STOIC時鐘的艾倫偏差優于10-14/s和10-16/月。3）利用多功能系統提供PNT信息。STOIC將為戰場機動平臺協同開發不依賴GPS的時間分發和定位方法，實現平臺之間相對時間精度為10ns（閾值）和10ps（目標）。4）輔助技術。重點為上述3個領域開發新的部件、工藝、傳感器和建模方法。

該項目為期4年左右，分為4個階段（見圖1）。第1階段（1年）：主要進行各技術領域的分析與設計。第2階段（1年）：主要進行各技術領域原型（或時鐘）構建與測試。第3階段（1年）：主要進行各技術領域系統（或時鐘）構建與測試。第四階段（時間未知）：主要進行集成系統的演示。

圖1 STOIC項目進度

六、幾點認識

當前，衛星導航系統的覆蓋范圍最大、應用范圍最廣、用戶使用最便捷，在信號可用的情況下，仍然是目前最可靠和最有效的導航定位手段。PNT新技術在覆蓋范圍、應用領域、易用程度上與衛星導航存在巨大差距，作為衛星導航系統的補充和備份，能夠有效提高PNT服務的精度和可靠性。

1. PNT新技術將有效降低依賴GPS的風險

由于GNSS存在的許多固有弊端，如在地下、水下、室內、城市或高山峽谷，以及干擾環境下難以提供可靠、高精度PNT服務，單獨使用衛星導航系統存在極大隱患，不僅某些區域無法實現高精度的導航定位，而且在軍事對抗等條件下，由于電子干擾、地形障礙等原因，可能導致GPS性能降級或失效。對GPS的依賴越大，其被干擾或毀壞的風險也就越大，一旦服務失效將對經濟、社會和軍事領域造成嚴重影響。PNT新技術特有的優勢，能在GPS不可用時提供高精確度的導航定位服務，如自適應導航系統能有效解決建筑物內和地下深處等地方的導航問題，在對抗環境下也能獲得空間、時間和定位信息，將使美軍擁有除GPS之外的備份定位、導航與授時能力，確保美軍精確行動的靈活性和便利性。

2. PNT新技術將提供更強的定位導航能力

PNT新技術自身的優勢，不僅可以用于建筑物深處、地下、水下等GPS信號無法覆蓋的環境，而且精度和靈敏度更高。隨著武器裝備小型化成為重要發展趨勢，在未來戰爭中將有更多的小型甚至微型作戰平臺加入作戰序列。微型PNT項目不僅有望解決小型甚至微型作戰平臺慣性導航的難題，而且能夠彌補GPS能力的不足，有效提高導彈和精確制導武器的作戰效能：將使士兵、設備具備更好的和更可靠的態勢感知能力，確保導彈更好的飛行；使配備量子羅盤的無人機，無需衛星導航，更易于飛行，飛行過程更加安全。量子輔助傳感與可讀項目一旦成功，其所實現的地理位置感知能力可能會比現有任何系統精確1000倍；能有效保障隱私性，僅需依賴原子特性即可確定實際地理位置，無需從空間獲取信號；成本更低廉，且具有基于位置搜索功能的潛能。

3. PNT新技術將具有廣闊的應用空間

美軍開發新型導航技術主要是基于軍事目的，但這些技術也擁有巨大的民用潛力。和GPS一樣，PNT新技術也可以利用民用市場贏得發展空間，進一步完善在軍事領域的應用。美媒體研究人員將原子級GPS（包括C-SCAN和QuASAR）作為可能產生比互聯網更大影響的四大技術之一。微型PNT技術被美國網站評為20項“最有可能改變生活的技術”之一。此外，量子輔助感知與讀出項目在雷達、測量等軍事領域也有較好的應用前景，包括新型雷達、激光雷達和測量系統等。超快激光科學與工程項目成果將改進輻射源，提供更強的定位、導航、相干成像和探測等能力。

［1］Beyond GPS: 5 Next-Generation Technologies for Positioning， Navigation & Timing （PNT）. http://www.darpa.mil/news-events/2014-07-24

［2］Adaptable Navigation Systems （ANS）. http://www.darpa.mil/program/adaptablenavigation-systems.

［3］Micro-Technology for Positioning， Navigation and Timing （Micro-PNT）. http://www.darpa.mil/program/micro-technologyfor-positioning-navigation-and-timing.

［4］Quantum-Assisted Sensing and Readout （QuASAR）. http://www.darpa.mil/program/quantum-assistedsensing-and-readout.

［5］Program in Ultrafast Laser Science and Engineering （PULSE）. http://www.darpa.mil/program/program-inultrafast-laser-science-and-engineering.

［6］DARPA takes another look at precise positioning without GPS in upcoming STOlC program. h t t p://w w w.milit a r y a e ro s p a c e.c o m/ articles/2014/06/darpa-stoic-briefings.html.