美國新一代導航系統發展現狀與啟示

● 文|中國電子信息產業發展研究院 張新征 張 力 李宏偉

近年來，美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO以及中國北斗衛星導航系統等全球導航衛星系統（GNSS）的重要性不斷凸現，日益廣泛地為軍事、通信、海洋、交通、國土資源及大眾消費市場提供高精度位置、定位和授時服務，特別是在軍事應用領域，GPS系統已為美國的各類武器裝備系統、高精度制導導彈提供精準導航位置信息服務。然而，對于依賴GNSS作為單一定位、導航與授時（PNT）信息源的用戶而言，在導航衛星因故障、打擊或電磁頻譜干擾等條件或者在水下等所處位置難以接收衛星信號時，將可能面臨致命的災難，需要綜合運用多種時空信息源的方式，確保各類武器裝備平臺及系統的生存和作戰能力。

近期，為應對各種復雜環境下的作戰需求，特別是衛星導航系統服務失效情形下，增強國防和軍隊定位、導航授時戰術能力，美國積極探索發展各類綜合導航位置信息服務綜合解決方案。2018年1月，美國國防部在拉斯維加斯附近舉行大規模紅旗空中作戰演習中，為了擺脫美國及盟國的空中武器裝備對GPS系統的依賴，設置了“關閉”GPS，依靠無線電設備、慣性導航系統或者雷達導航等定位方式，開展打擊任務的演習。

一、美國新一代導航系統建設的戰略規劃與進展

1.加強戰略規劃部署，增強復雜環境下服務的完備性

GPS系統是PNT體系的基礎設施。為了解決美國高精度 PNT服務在可用性、可靠性面臨著的潛在威脅，美國提出建設國家PNT體系，以GPS系統現代化為依托，以自主導航和各種可用導航信息源為補充，重點滿足更高精度和完好性需求，增強物理遮蔽、電磁干擾等復雜環境下安全、可靠、實時的PNT能力。

在國家安全空間辦公室（NSSO）主導下，美國國防部與運輸部聯合發布《國家PNT體系執行計劃》（2010年），制定了2025年前國家PNT體系建設路線圖，并對國防部相關下屬機構及運輸部、商務部和內政部等共31個聯邦機構進行了任務分工。美國國防部系統在GPS的基礎上，以自主導航、通信與PNT融合等為途徑，滿足未來對抗條件下的軍用PNT需求；民用PNT管理機構在以GPS為首選方案并利用天基增強系統（WAAS）、地基增強系統提升服務性能的同時，部署和建立“增強型-羅蘭”（e-LORAN）等GPS備份系統。

2.核心組件投資力度加大，主要項目通過實驗室驗證

DARPA微系統技術辦公室（MTO）主導PNT核心組件技術、材料和制造工藝的研發，主要項目有微型定位導航與授時技術（Micro-PNT）、高穩定性原子鐘（ACES） 等。Micro-PNT于2010年1月啟動，主要是利用微機電系統（MEMS）技術來開發精度更高、穩定性更好的芯片級陀螺儀和時鐘，主要合作伙伴有Qualtre和Honeywell Aerospace公司等。隨著新增經費的投入，導航級的MEMS陀螺儀已經通過了實驗室驗證。高穩定性原子鐘（ACES）于2016年啟動，旨在取得抗精度衰減方面的突破，設計和制造出新一代超低功耗、超高穩定度的原子鐘。ACES項目總預算達到5000萬美元，計劃分三個階段實施，最終目標是將所有電子組件集成到50cm3的體積內，質量在100g以內。

3.系統級預研項目進展順利，為裝備開發和部署奠定基礎

美國國防高級研究計劃局（DARPA）戰略技術辦公室（STO）主導PNT系統級預研，主要項目有自適應導航系統（ANS）、對抗環境下的空間、時間與方向信息（STOIC）、精確魯棒慣性制導彈藥（PRIGM）等。ANS項目于2011年啟動，主要研究冷原子干涉陀螺儀技術，開發可利用雷電等外部機會信號的導航校準新算法與軟件結構，已先后完成了平臺演示驗證和端對端的演示驗證，能夠滿足室內、“城市峽谷”、叢林、水下、地下等弱衛星信號環境及強對抗環境的PNT需求。其合作伙伴為Leidos公司、SRI公司和佐治亞理工學院等。STOIC系統于2015年春季開始，立足“量子輔助感知與讀取”研究成果，開發穩健的遠程參考信號源、漂移小于1ns/m的新型光學時鐘和實現不同戰術數據鏈之間的時鐘精確轉換，即將進入詳細設計和樣機系統開發階段，合作伙伴包括Argon ST公 司、Leidos公 司、Draper實驗室以及佛羅里達大學等。在Micro-PNT的基礎上，PRIGM項目于2016財年啟動，主要由諾格公司承擔，計劃投入1630萬美元，應用微機電系統和集成光子技術，在GPS無法提供服務的情況下，提供彈藥制導，以及在發射和飛行階段的導航功能。

4.加速推進GPS全球合作，不斷完善PNT產業生態

當前，美國政府采用全球合作的手段，完善GPS產業生態體系。在國家天基PNT執行委員會（EXCOM，由國防部、交通部、安全部、商務部等共同組成）中，成立GPS服務接口委員會和國際工作組及常設工作組，持續優化衛星導航應用的產業發展環境，不僅為3億以上的民用和商業的全球用戶提供搜索和救援服務，也服務于美國軍隊機關、美國海軍氣象天文臺、美國國家地理空間情報局、美國國防信息系統局等國防和軍隊機構，此外主動開展國際合作，目前已與57個授權聯合用戶開展了25年以上的合作，與美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO等全球衛星導航系統及日本、印度區域導航系統開展合作。

二、美國新一代PNT體系的特點與主要優勢

1.加強軍地部門協作，建立軍民融合推進協調機制

衛星導航應用是典型的軍民融合領域。美國政府高度重視軍地部門在GPS衛星導航系統建設、運營和產業化中的作用，注重從頂層設計方面強化軍民融合發展，積極建立運行機制，將GPS系統建設應用納入到整個航天產業的范疇，統籌推進GPS的系統建設及應用。在2004年，美國成立直接向白宮負責的EXCOM。2018年2月，特朗普政府向國會提交的2019財年預算中，提出美國空軍將積極引導優勢民間力量和新興民營企業參與GPS現代化計劃，以便降低國防部財政預算。2018年3月，把價值6.4億美元的合同分給了美國太空探索技術公司（SpaceX）和美國聯合發射聯盟（ULA），其中SpaceX獲得了2.9億美元的固定價格合同，將在2021年前利用獵鷹9號將三顆GPS衛星送入軌道，ULA獲得了3.51億美元的合同，使用宇宙神-5（Atlas V）火箭執行兩次飛船發射任務。

2.采用開放式體系架構，將增強復雜環境適應性

美國制定了開放式PNT體系架構的“較大公分母策略”（GCDS），其核心思想是通過外部提供的、公共可用的方案，滿足眾多用戶的核心需求；鼓勵發展多機理技術，盡量采取可交互方案，以保證PNT的穩健性和對多樣化資源的利用率；追求PNT與新興通信技術的融合；促進跨機構協同和提升信息共享水平等。在國防部長辦公室“PNT開放系統架構倡議”的框架下，美國陸軍通信電子研發與工程中心（CERDEC）新興技術辦公室與空軍理工學院（AFIT）聯合開發以“蝎子”（Scorpion）軟件為核心的即插即用傳感器開放式架構，以實現對GPS、基于陀螺儀與加速度計的慣性測量單元（IMU）、視覺輔助導航設備，以及車載攝像頭等原本不同用途傳感器的集成與快速切換。作戰人員能夠根據實際擁有設備的不同，靈活選擇相應傳感器所提供的PNT信息，將顯著增強對復雜電磁環境的適應性。

3.擺脫對GPS的依賴，將形成新的非對稱信息優勢

美軍認為，除了能夠干擾或摧毀GPS星座的電磁脈沖與反衛星武器外，針對GPS接收系統的低成本、低功耗干擾技術已呈全球擴散態勢。實驗表明，功率僅4W的GPS干擾機就能對145km外的機載GPS接收機造成干擾。研發GPS干擾對抗設備的美國Exelis公司稱，只需25美元就可網購到能夠屏蔽一輛汽車周圍GPS信號的干擾機。美國在積極推動GPS保護（Protect）、強化（Toughen）和 增 強（Augment） 計 劃（ 即PTA計劃），確保采用立法、執法的方式，將衛星導航定位系統作為國家重要信息基礎設施，用于懲罰對GPS系統的非法干擾的同時，匯聚多個政府部門、頂級大學和軍工企業的力量，尋求GPS替代方案，謀求保證在GPS衛星出現故障、遭敵打擊或干擾等情況下，依舊能提供穩健、可靠、高精度的PNT服務，形成新的軍事信息系統非對稱優勢。

4.開辟PNT的新路徑，將有效牽引顛覆性基礎研究

PNT新路徑的開辟，有效牽引量子信息科學等基礎研究，促進微慣性導航、量子導航、脈沖星導航、自適應導航等技術不斷成熟。美國國防部2013—2017年科技發展“五年計劃”已將量子信息與控制技術列為未來重點關注的六大顛覆性基礎研究領域之一，重點投資精密導航、精確授時和安全量子網絡等在國家安全領域的應用。2016年7月，美國國家科技委科學委員會和國土與國家安全委員會聯合發布報告《推進量子信息科學發展：國家的挑戰與機遇》，也把探測與計量列為量子信息科學影響最大的領域之首。