不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析

● 文 ｜ 中國(guó)國(guó)防科技信息中心　趙利平　席歡　張永紅　耿國(guó)桐

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不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展分析

● 文 ｜ 中國(guó)國(guó)防科技信息中心趙利平席歡張永紅耿國(guó)桐

海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以來(lái)，以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅速發(fā)展，由于其具備信號(hào)覆蓋廣、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛、使用最方便的導(dǎo)航定位授時(shí)手段。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航屬于無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航，存在信號(hào)發(fā)射功率低、穿透能力差等固有弱點(diǎn)，信號(hào)無(wú)法到達(dá)室內(nèi)、地下、水下、城市等遮蔽環(huán)境，而且容易受干擾，特別是在高強(qiáng)度對(duì)抗的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，空間衛(wèi)星還可能遭受反衛(wèi)武器攻擊，地面站等核心設(shè)施也容易被摧毀，防護(hù)能力弱，高度依賴(lài)，可能影響作戰(zhàn)使用、關(guān)乎戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)局。在這種背景下，各國(guó)均意識(shí)到要重視發(fā)展不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)。

一、基本情況

美、英、日等國(guó)近年來(lái)都開(kāi)展了不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)研究，重點(diǎn)發(fā)展微型慣性導(dǎo)航技術(shù)、量子導(dǎo)航技術(shù)、自適應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)、脈沖星導(dǎo)航技術(shù)等不依賴(lài)衛(wèi)星的導(dǎo)航新技術(shù)。例如，英國(guó)提出隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航概念，積極發(fā)展量子導(dǎo)航技術(shù)；美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）陸續(xù)開(kāi)展了微型定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)（Micro-PNT）、自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）、X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航、基于高動(dòng)態(tài)原子傳感器及系統(tǒng)的精確慣導(dǎo)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈、拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)、冷原子微系統(tǒng)等項(xiàng)目研究，從不同側(cè)面和角度解決GPS受限條件下的定位導(dǎo)航問(wèn)題。

二、幾種典型技術(shù)發(fā)展分析

當(dāng)前，不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)逐漸成熟，已形成一個(gè)龐大技術(shù)群，其中微型定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)、自適應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)以及量子導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展最具代表性，成為新型導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要方向。

1.微型定位導(dǎo)航授時(shí)技術(shù)

2010年1月，DARPA啟動(dòng)Micro-PNT計(jì)劃。該計(jì)劃以微電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)芯片級(jí)原子鐘、加速度計(jì)和陀螺儀等慣性導(dǎo)航器件，并通過(guò)微尺度集成制造技術(shù)將它們集成在一個(gè)微型芯片中，形成滿(mǎn)足多種武器平臺(tái)作戰(zhàn)需求的低功耗、高精度、高動(dòng)態(tài)的微型自主慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

圖1　Micro-PNT系統(tǒng)的構(gòu)成

Micro-PNT計(jì)劃包含4個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域，分別是時(shí)鐘、慣性傳感器、微尺度集成以及測(cè)試與評(píng)估，共10個(gè)具體研究項(xiàng)目。該計(jì)劃重點(diǎn)解決微小型陀螺精度不高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等問(wèn)題，提供長(zhǎng)航時(shí)（如幾小時(shí)）導(dǎo)航、高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)彈（速度可達(dá)1000km/h甚至更高）精確慣性制導(dǎo)等能力。總體目標(biāo)是突破芯片級(jí)原子鐘和微陀螺技術(shù)，形成體積約8mm3、質(zhì)量約2g、功耗低于1W的微型自主定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)。目前已研制出功耗100mW量級(jí)、短期穩(wěn)定性?xún)?yōu)于30×10-11/天、長(zhǎng)期頻率漂移為5×10-11/天的芯片級(jí)原子鐘樣機(jī)；在實(shí)驗(yàn)室條件下突破穩(wěn)定性0.1°/h的微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀技術(shù)；開(kāi)發(fā)出集成3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速度計(jì)、1個(gè)時(shí)鐘，體積僅8mm3的樣機(jī)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。

Micro-PNT系統(tǒng)體積小、成本低、精度高、不依賴(lài)外界信息、不向外輻射能量、抗干擾能力強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于微型無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、無(wú)人潛航器等微型作戰(zhàn)平臺(tái)、精確制導(dǎo)武器以及單兵系統(tǒng)，解決室內(nèi)、水下、地下、隧道等GPS信號(hào)無(wú)法到達(dá)環(huán)境下的定位導(dǎo)航授時(shí)問(wèn)題。

2.自適應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)

2011年，DARPA啟動(dòng)“自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)”（ANS）項(xiàng)目，該項(xiàng)目包括精確慣導(dǎo)系統(tǒng)（PINS）和全源定位導(dǎo)航（ASPN）兩個(gè)子項(xiàng)目。總體研究目標(biāo)是：（1）開(kāi)發(fā)基于冷原子干涉技術(shù)的慣性測(cè)量單元，即冷原子干涉陀螺儀；（2）尋求用于外部位置校準(zhǔn)的導(dǎo)航源；（3）開(kāi)發(fā)新的導(dǎo)航算法和軟件結(jié)構(gòu)，以利用非傳統(tǒng)導(dǎo)航傳感器在特定環(huán)境中快速配置導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，PINS項(xiàng)目主要完成第一個(gè)目標(biāo)， ASPN項(xiàng)目完成第二、三個(gè)目標(biāo)。

PINS項(xiàng)目于2003年啟動(dòng)，2009年設(shè)計(jì)出單軸陀螺儀加速度計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室演示系統(tǒng)中成功運(yùn)行一年，漂移率5m/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高性能GPS/ INS系統(tǒng)（1400m/h）。同年，項(xiàng)目升級(jí)為“基于高動(dòng)態(tài)原子傳感器及系統(tǒng)的精確慣導(dǎo)系統(tǒng)”（PINS-HiDAR）項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)三軸陀螺儀加速度計(jì)，擴(kuò)展高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用能力。

ASPN項(xiàng)目于2010年啟動(dòng)，旨在通過(guò)導(dǎo)航傳感器融合算法和重新配置技術(shù)，將不同導(dǎo)航傳感器靈活組合，實(shí)現(xiàn)即插即用的無(wú)縫導(dǎo)航，可利用的導(dǎo)航信號(hào)源包括電視、廣播、手機(jī)信號(hào)塔、衛(wèi)星等射頻信號(hào)以及閃電等自然現(xiàn)象信號(hào)，表1為全源定位導(dǎo)航系統(tǒng)利用的傳感器、信息類(lèi)型等。

目前，自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)的PINS項(xiàng)目和ASPN項(xiàng)目都處于第2階段，2014年進(jìn)行了各平臺(tái)的演示驗(yàn)證，2015年將進(jìn)行端對(duì)端的演示驗(yàn)證。自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)將解決室內(nèi)、“城市峽谷”、叢林、水下、地下等衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法到達(dá)的環(huán)境及強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的定位導(dǎo)航授時(shí)問(wèn)題，具有廣泛的軍事應(yīng)用前景。

3.量子導(dǎo)航技術(shù)

冷原子干涉技術(shù)的發(fā)展使獲取高精度磁場(chǎng)和重力場(chǎng)數(shù)據(jù)成為可能，結(jié)合傳統(tǒng)的地磁導(dǎo)航、重力導(dǎo)航技術(shù)，量子導(dǎo)航技術(shù)有潛力實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，量子導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)需向外界發(fā)射信號(hào)，不受外界環(huán)境限制和干擾，可作為拒止環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航的有效補(bǔ)充；與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比，量子導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)需利用其他導(dǎo)航手段進(jìn)行校正，不存在累積誤差。

量子導(dǎo)航技術(shù)的典型代表，一是英國(guó)的量子羅盤(pán)，它是英國(guó)國(guó)防科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合提出的一種以超冷原子干涉為基礎(chǔ)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)。2014年研制出一套量子加速度計(jì)樣機(jī)。英國(guó)計(jì)劃2015年首先進(jìn)行陸上測(cè)試，2016年安裝到潛艇上，有望將潛艇一天水下航行誤差從1000m縮小到1m。量子導(dǎo)航技術(shù)一旦用于實(shí)戰(zhàn)，潛艇深海作戰(zhàn)將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。設(shè)備小型化后還可應(yīng)用到飛機(jī)、汽車(chē)、火車(chē)、智能手機(jī)、單兵等。二是美國(guó)DARPA 2015財(cái)年預(yù)算中新增的“冷原子微系統(tǒng)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在推動(dòng)基于冷原子干涉的陀螺儀、加速度計(jì)、原子鐘等微系統(tǒng)的研發(fā)，目前已經(jīng)進(jìn)行若干原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，正在研發(fā)高效率窄帶寬激光器、小型高隔離度光開(kāi)關(guān)、小型超高真空腔和真空泵等相關(guān)器件。

表1　可能用于全源定位導(dǎo)航方案中的要素

三、兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)地位較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不可替代

近年來(lái)，不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)得到人們關(guān)注并獲得發(fā)展，但從實(shí)際發(fā)展來(lái)看，部分新型導(dǎo)航技術(shù)或者應(yīng)用范圍有限，或者尚未實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在未來(lái)國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系中的核心和基礎(chǔ)地位較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不會(huì)改變，其在高精度、全天時(shí)、全天候、大范圍、低成本等方面的優(yōu)勢(shì)，尚無(wú)其他技術(shù)可以完全替代。

2.不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)是重要補(bǔ)充

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)核心基礎(chǔ)地位雖然不可替代，但也存在信號(hào)弱、難以覆蓋地下、水下、室內(nèi)等區(qū)域，環(huán)境適應(yīng)性差等固有缺點(diǎn)。特別是高對(duì)抗強(qiáng)度的現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)連續(xù)、高精度導(dǎo)航定位提出了更高要求。采用新體制、新原理形成的不依賴(lài)衛(wèi)星的新型導(dǎo)航技術(shù)，可以在一定程度上提高導(dǎo)航精度，降低設(shè)備重量、體積、功耗和成本，是衛(wèi)星導(dǎo)航的重要補(bǔ)充手段。美國(guó)從2010年開(kāi)始實(shí)施國(guó)家“定位導(dǎo)航授時(shí)”（PNT）體系建設(shè)計(jì)劃，主要思路是繼續(xù)保持GPS的核心地位，同時(shí)整合各種可用PNT資源，彌補(bǔ)基于GPS單一系統(tǒng)導(dǎo)航定位能力的缺陷。近年來(lái)美軍實(shí)施的多項(xiàng)導(dǎo)航技術(shù)項(xiàng)目，基本體現(xiàn)了這一思路。