美軍改進軍事定位、導航與授時的新舉措

+ 方志英

美軍改進軍事定位、導航與授時的新舉措

+ 方志英

隨著基于衛星導航系統的問世和部署，定位、導航與授時也在發生革命性的變化。1957年，約翰·霍普金斯大學的科學家們監測了來自蘇聯第一顆人造衛星的無線電傳輸信號，確定了一種基于無線電傳輸對物體進行精確定位的方法。隨后，經過多年的艱苦工作，第一個衛星導航系統“經緯儀”于1959年通過了美國海軍的測試，1964年具備了運行能力。“經緯儀”最后可提供的位置精度為200米、時間精度為50毫秒，這一能力在當時令人驚嘆，以致后來連續地供給成千上萬的軍艦和遠洋貨輪使用，直到1991年，前后將近使用了30年。后來，這一技術不斷發展成熟，最后發展成為了今天的全球定位系統（GPS），這也是全球迄今為止最為復雜的技術創新之一。GPS定位精度小于1米、時間精度小于100納秒，現在不僅成為了消費者的電子產品以及從手機到電網等美國國家關鍵基礎設施中一項無處不在的技術，而且也是全球軍事用戶和民事用戶定位、導航與授時的黃金標準。如今，GPS已經變得如此普及、如此簡便易用，以至于很多人都忘記了支撐它的賦能要素以及它們面臨的各種脆弱性，特別是安全性。本文就美軍如何改進軍事定位、導航與授時功能而準備采取的新舉措做一描述。

一、開發M代碼技術

目前，美國陸軍正在開發M代碼（M-code）技術，它將是下一版本軍事GPS能力的關鍵，眼下正在進行技術成熟評估和風險降低的工作。與當前P代碼精度的軍事信號相比，M代碼的信號可得到極大改進，還可提供附加的信號功率和一種新的信號結構。根據2011年1月7日生效的美國《公共法》111-383第913條規定，2017財年之后，除非得到國防部長的豁免，否則將不得使用采購資金來購買不具備M代碼信號接收能力的GPS接收機。又根據2013年5月1日生效的參聯會主席6130.01E號指示的要求，到第24顆具備M代碼能力的GPS衛星具備運行能力時，必須使用具備M代碼能力的用戶設備。該衛星預計將在5～7年內具備運行能力。

二、開發有保證的定位、導航與授時項目

有保證的定位、導航與授時項目，主要是在一種可伸縮的體系結構內提供彈性且魯棒的定位、導航與授時。該體系結構能夠涵蓋各種不同的保護等級或定位、導航與授時保證等級。這種可伸縮的體系結構使陸軍能夠避免過度采購，因為旅戰斗隊就可以根據所需的定位、導航與授時保證等級進行伸縮，只有特定的分隊才需要最高等級的彈性能力。有保證的定位、導航與授時項目由4個分項目組成，它們構成了彈性能力所需的一個系統族：

◆偽衛星可提供備用信號，該信號可以提高區域保護的彈性。

◆車載型定位、導航與授時可為車載平臺提供一種可伸縮的體系結構，其技術賦能要素包括GPS、用于精確授時的芯片級原子鐘、用于自基準定位的慣性測量裝置，以及可隨時集成其他定位、導航與授時賦能要素的開放式體系結構。

◆下車型定位、導航與授時，采用了相同的概念，但主要針對的是士兵平臺。

◆抗干擾，指在聚焦有效的定位、導航與授時的同時，可阻攔威脅信號的技術和設備。

現在可以肯定的是，隨著陸軍轉而采用有保證的定位、導航與授時解決方案，其中的各個分項目都將利用競爭性的樣機和結構性測試來推動創新，推動技術的發展。

三、建立定位、導航與授時的多系統之系統體系結構

美國陸軍將建立定位、導航與授時多系統之系統體系結構（SoSA），該結構是陸軍實現有保證的定位、導航與授時戰略的一個關鍵組成部分。陸軍采辦執行官下令建設定位、導航與授時多系統之系統體系結構，并將達到下面3個目標：

◆該結構必須領先于定位、導航與授時所面臨的威脅；

◆必須提高效率，消除冗余；

◆提供一種可負擔的向M代碼遷移的方法。

第一個目標旨在實現一種可負擔的開放式系統體系結構，該體系結構應該足夠靈活，以便在建成較廉價的系統或進行平臺集成和認證的同時，吸納附加能力，即建設一種能夠實現未來創新之路的框架。

實際上目前就存在這種類似的結構，那就是“IT盒”概念，該概念可通過一種框架來添加附加的硬件和軟件，而且不會對接口和端功能造成影響。其中的一個例子就是有保證的定位、導航與授時項目目前正在開發的定位、導航與授時集線器（PNT Hub）。該集線器允許陸軍通過軟件和硬件配置來控制定位、導航與授時的保證等級，并且對于平臺來說是無縫的。它還能實現芯片級原子鐘（CSAC）等創新技術的集成，其還有一個優點是，即便在沒有GPS可用時，芯片級原子鐘也能夠利用銫原子的穩定振蕩來保持精確的時間。因此在未來，它將以一種可負擔的方式，插入到符合定位、導航與授時多系統之系統體系結構的產品中。

第二個目標是提高效率、消除冗余。該目標實現起來比較簡單，這可以使用“斯特賴克”車來說明。“斯特賴克”車有10種不同的功能變體，其中每一種都混合利用了多種輔助性電子裝置，包括從21世紀部隊旅和旅以下作戰指揮系統和藍軍跟蹤識別設備，到AN/PRC-155 HMS背負式電臺。有些“斯特賴克”車上共有8部GPS接收機，這意味著共有8副天線和8臺設備，它們都需要通過加密密鑰來訪問保密的軍事GPS信號。但定位、導航與授時多系統之系統體系結構則可通過定位、導航與授時的平臺分發概念，為平臺提供一個定位、導航與授時源，再將其分發給每一個需要定位、導航與授時數據的客戶端系統，從而可以輕松解決該問題。

第三個目標是提供一種可負擔的向M代碼遷移的方法。這可通過諸如指揮、控制、通信、計算機、情報、監視與偵察/電子戰互操作性車輛集成（VICTORY）之類的數據網絡來實現，該數據網絡是平臺分發的重要賦能器，其好處是降低了士兵的負重，而且還減少了車輛上所需的線纜，從而也減輕了車輛上的重量。這種整合使得平臺能夠轉而采用1副抗干擾天線，并以可負擔的方式實現下一個目標，即實現向M代碼的遷移。在美軍的旅戰斗隊（BCT）之類的作戰要素的每一個平臺和系統都使用M代碼時，就可以最大程度地實現M代碼的優勢。

在定位、導航與授時產品主管、陸軍部首席信息官/G-6、美陸軍訓練與條令司令部及其他多家機構（包括通用操作環境的參與者）的支持下，陸軍負責采辦、后勤與技術的助理部長下面的多系統之系統工程與集成處正在率先發起沖鋒，傾力開發這種體系結構。

目前美軍正在開發的多種裝備解決方案都將采用定位、導航與授時多系統之系統體系結構，包括國防高級GPS接收機（DAGR）分布式裝置（D3）和有保證的定位、導航與授時項目。分布式裝置是國防高級GPS接收機的功能換代產品，最多可取代一個平臺上的8臺GPS接收機，而且能夠升級到M代碼。分布式裝置的優勢包括平臺分發以及能夠以可負擔方式升級到M代碼。另外，作為陸軍軍用GPS用戶裝備項目的首要裝置，“斯特賴克”車上的分布式裝置也可安裝到多種地面平臺上，例如“鎧甲騎士”車上。

四、結語

從上面的描述可以看出，在定位、導航與授時領域，獨到性和創新性正在強勢回歸，包括從通過芯片級原子鐘利用原子的動態性來實現自基準授時，到利用定位、導航與授時信息的平臺分發來實現經濟效益。定位、導航與授時多系統之系統體系結構的實施將可提供一種框架，用于實現陸軍所有系統之間的高效性和彈性，而有保證的定位、導航與授時能力的部署，將為美軍最重要的客戶——士兵提供最佳的定位、導航與授時服務。