美軍定位、導航與授時能力發展分析

武珺 張宇彤 麻鐵昌 仵博

（1 北京空間科技信息研究所，2 中國空間技術研究院，3 航天科工空間工程發展有限公司，4 戰略支援部隊航天系統部）

近年來，美國致力于通過全球定位系統（GPS）現代化升級、發展GPS 補充備份技術等途徑提升其在復雜環境中獲取PNT 服務的能力，謀求定位、導航與授時（PNT）領域的不對稱優勢，在這一過程中，其軍事PNT 體系不斷發展、完善。本文圍繞美國國防部聚焦發展GPS 系統，尋求發展數項GPS 補充備份技術，以及美國國防部不同種類PNT 技術的集成與能力的整合展開分析，對相關導航系統建設、項目進展、技術前沿動態進行介紹，給出對美軍PNT 體系架構、系統建設、技術發展的理解與認識。

1 美軍PNT 能力建設進展

美軍致力于確保其GPS 系統優勢地位，并結合其他PNT 信息源，進一步提升獲取PNT 服務的可靠性和準確性。

應對潛在威脅，持續推進GPS 系統現代化工作

為應對針對衛星導航系統及服務的干擾、欺騙、賽博攻擊等能力的發展，降低衛星導航服務降級或拒止的風險與概率，美國積極推進GPS 現代化計劃。

空間段方面，GPS 星座逐步用新型第三代GPS衛星替代老舊型號衛星。GPS-3 衛星與之前的型號相比，其創新與能力變化的主要包括：①新的L1C 信號為互操作信號，與載波頻率為1575.42MHz 的其他系統開放服務信號實現了兼容與互操作；②衛星有效載荷的數字化率達到70%；③原子鐘性能進一步提升，衛星搭載1 部脈沖光抽運銫束鐘、3 部改進型磁選態銣原子鐘，頻穩可達10量級，定位精度提高3 倍，空間信號測距誤差小于1m；④GPS-3 衛星導航信號抗干擾能力是原先的8 倍；⑤衛星設計壽命增加至15 年。

GPS-3 衛星

GPS-3 衛星發射及入役時間

地面段方面，美軍持續推進“新一代運控系統”（GPS OCX）的研發與部署，支持M 碼能力逐步增強，為了支持星座未來發展，授出新合同以強化對星座的運控能力。“新一代運控系統”的目標是全面滿足現代化GPS 系統空間段的運行、控制與管理要求，保證GPS 系統的運行安全。近年來，美軍GPS 地面運行控制系統的能力取得了以下重要進展：

2020 年7 月，美國太空與導彈中心（SMC）完成了GPS 主控站和備用主控站GPS 運行控制系統M 碼早期使用模塊的軟硬件改造，于11 月驗收并交付美軍，這使得運控系統在OCX Block 1/2 交付前，能夠支持GPS 星座執行相應任務，接收和監控M 碼，支持現代化用戶設備進行測試。

司。美國天軍太空與導彈系統中心于2021 年4 月30日將價值2.28 億美元的GPS“新一代運控系統”后續合同OCX 3F 授予雷聲情報與航天公司（RI&S），該合同的內容是對OCX Block 1 和2 系統再升級。OCX 3F 旨在具備支持美國國防部最新的網絡安全標準和規范的同時，實現網絡安全性和抗干擾能力的提升、運行控制現代化軍事信號能力的增強、對第三代GPS 衛星新的全球覆蓋的軍碼（M 碼）信號的支持、可監測新的“伽利略”兼容和生命安全信號等功能；合同預計交付日期為2025 年7 月。

美軍除明確規定未來軍用接收機不僅能夠支持GPS 系統新功能、支持相關增強系統、兼容其他各大衛星導航系統外，正積極推進新的支持M 碼的硬件設備的生產、測試與交付。抗干擾能力更強的軍用導航信號——M碼是美軍GPS系統現代化的關鍵一招。通過開發支持M 碼的設備，美軍進一步將其集成到專用的GPS 接收機中，通過接收和使用GPS 衛星播發的M 碼信號，服務美國軍機、艦船、作戰車輛及其他武器系統。

軍事PNT 能力發展策略以使用GPS 為重點，同時尋求發展數項備選PNT 技術

GPS 系統是美軍PNT 架構的核心，在強健GPS系統的同時，美軍也通過發展慣性導航和其他備選PNT 技術完善軍事PNT 體系構成。

固相微萃取（solid-phase microextraction,SPME）技術是基于固相萃取技術發展起來的一種新的樣品預處理方法[1]。頂空固相微萃取（HS-SPME）是將萃取頭垂直置于供分析液體或固體樣品上方的氣相中，萃取、吸附揮發性或半揮發性組分[2]。特別適合于微量揮發性成分的富集，操作簡便，能有效減少底物及液態基質中干擾物質的影響，具有集采集、萃取、濃縮、進樣、分析于一體，無需溶劑，易實現自動化，方便與色譜儀器聯用等特點[3-4]。固相萃取與氣相色譜-質譜聯用是近年來發展起來的方法，可用來分析揮發性香氣成分及水和果蔬中的農藥殘留。

慣性導航技術通過測量載體在慣性參考系的加速度，對時間進行積分，變換到導航坐標系中，得到速度、偏航角和位置等信息。基于該技術的慣性導航系統不依賴于外部信息（這里指環境特征信息，而非時空基準信息），不向外輻射能量，屬于自主式導航系統。

GPS 系統的軍事應用示意圖

該技術基于慣性傳感器和原子鐘等器件，可以在一定時間內為沒有GPS 的平臺提供PNT 信息，但誤差會隨著時間的增加而積累,需要在更長時間條件下獲取時空基準信息，并對其校正。目前，GPS 是提供這種重設能力的關鍵途徑。因此，按照應用需求，慣性導航也時常與衛星導航配合使用。

美國國防部也在尋求使用天體導航、磁性導航和基于地面圖像分析的環境測繪和導航策略，以及通過地基或天基非GPS 射頻信號來獲取PNT 信息。雖然沒有一種方法能與GPS 的服務性能相媲美，但這些使用外部信息源的方法也顯示出其提供PNT 信息的應用前景。

重視PNT 技術集成、信息交互傳遞等相關能力建設

基于不同物理原理的多源PNT 數據如何融合、傳感器如何深度集成并且做到低功耗，除GPS 途徑以外機動作戰平臺之間以何種途徑傳遞時間信息，這些問題對美軍軍事PNT 架構效能的發揮至關重要。為了掌握PNT 新技術的能力及其局限性，并為軍事平臺提供一條經濟、高效的集成路徑，美軍支持開展“國防部層面的開放式體系架構”和“面向機動平臺非GPS 途徑的時間傳遞”等計劃。

美軍慣性導航技術

美軍基于環境特征的導航技術與其他無線電導航技術

美國國防部通過模塊化開放式系統方案加快新PNT 能力的集成，以應對GPS 面臨的新威脅。目前，開發和集成各種PNT解決方案時間漫長且成本高昂，針對于某項任務的專有解決方案很難與其他解決方案相融合。為此，美軍通過采用模塊化開放式系統方法（MOSA）減少新的PNT 能力集成和部署的時間與成本。美陸軍和海軍已開發出各自的PNT 參考架構，并對模塊化開放體系架構進行了定義。美國空軍的PNT 參考架構的研發工作剛剛啟動。

2 美軍PNT 技術關鍵賦能應用

美軍在GPS 系統空間段、地面段、用戶段多措并舉推力促M 碼早日形成戰力

M 碼是GPS 系統現代化的關鍵技術，信號穩健性和靈活性優于美軍目前使用的P（Y）碼。

美國天軍于2021 年6 月17 日發射了第五顆GPS-3 衛星，其將用于取代星座中的老舊型號衛星。該衛星從2021 年7 月起播發導航信號，2022 年5 月正式入役后，使得星座中支持M 碼播發的衛星數量增加至24 顆，達到GPS 星座基線數量基本要求，這對于美軍在全球范圍內獲取抗干擾能力更強的軍碼信號至關重要。另一方面，地面段建設也取得里程碑式進展，GPS 系統地面控制段M 碼早期使用功能于2020 年11 月通過軍方驗收，顯著增強了美軍對新型GPS 軍事用戶設備進行測試的能力。此外，2021 年，美國國防后勤局已授予BAE 系統公司價值3.255 億美元的先進軍事代碼（M 碼）GPS 模塊合同，根據這份多年期合同，BAE 系統公司將為美國國防部及其盟友提供支持先進M 碼信號的現代化GPS 軍事用戶設備產品，即通用GPS 模塊（CGMs），以滿足2030 年之前的庫存需求，該合同后追加經費至6.41億美元。

多源PNT 技術在戰訓、演示驗證試驗方面前沿動態

美國所謂的“印太地區”“印太戰略”，不僅想抹去“亞太”的名稱，抹去亞太地區行之有效的區域合作架構，還想抹去幾十年來該地區各國共同努力創造的和平發展成果和勢頭。其通過軍演、先進武器測試等多種手段挑動亞太國家神經，不斷加碼其在亞太區域的軍事存在，為其“印太版北約”構想鋪路。

2019年10月，美海軍加布里埃爾·吉福茲號（LCS 10）瀕海戰斗艦在位于菲律賓和關島海域附近發射了GPS 精確制導導彈——海軍攻擊導彈（NSM），這是美國海軍第二次發射該型導彈，但在所謂“印度-太平洋地區”是首次發射。此次行動是美軍與新加坡海軍開展的格里芬軍事演習的一部分。NSM 導彈的質量略高于400kg，射程至少為185km，以亞音速掠海飛行，具有GPS、地形匹配、慣導等多種制導模式，可以在陸地上空飛行或掠海飛行等，在末端階段還可以做出規避機動動作。NSM 紅外成像導引頭和機載目標數據庫可以對海上或海岸上的目標進行獨立的探測和識別。彈體結構設計和材料使其具備隱身能力。

美國空軍技術學院（AFIT）正在研究稱為磁異常導航（MAGNAV）的地磁導航技術，并研發了基于F-16 戰機的MAGNAV 飛行測試的算法，目前該算法在私人偵察機平臺完成了相關測試：在平均海拔約合304.8m 高度、使用早于飛行測試3 年繪制的地磁地圖，在1h 飛行測試中，水平均方根誤差（DRMS）為13m。從2020 年9 月開始，相關飛行測試使用空軍測試飛行員學校的F-16s 在內華達州愛德華茲空軍基地附近進行。

美軍多源PNT 技術的融合應用不斷取得新的進展

2021 年2 月，美國空軍生命周期管理中心（AFLCMC）與系統集成解決方案供應商IS4S 簽訂了價值9500 萬美元的彈性嵌入式GPS/INS 導航系統（R-EGI）研發與原型樣機生產合同，樣機具有模塊化和在不同平臺可重復使用特點，采用軟件定義無線電技術等改進的信號處理技術來規避威脅，提供可供選擇的PNT（alt-PNT）服務，并且做到成本可負擔，R-EGI 系統將基于F-16 戰機開展實驗。

2021 年4 月，美國空軍戰略發展規劃與實驗辦公室（SDPE）與美國海軍水面作戰中心（NSWC）合作，基于T-38 教練機平臺在科羅拉多州森特尼爾成功開展了6 次多源融合導航技術敏捷吊艙（AgilePod）第一階段飛行試驗，驗證了視覺導航算法與機會信號導航算法相融合來提供導航服務的可行性。

AgilePod 吊艙集情報、監視與偵察功能于一體，以低成本、可重構、智能化為特征，其采用的開放式軟件架構與標準硬件接口設計旨在便捷集成多源PNT 技術，有效提升武器平臺在GPS 服務降級或拒止環境中獲取PNT 信息的能力。

3 對美軍PNT 體系發展的認識

從PNT 體系發展層面看，美軍軍事PNT 架構在抓主次矛盾方面思路清晰。

GPS 系統是美軍軍事PNT 架構的核心與基石

GPS 系統提供的全天時、全天候、高精度信號是美軍獲取定位、導航與授時服務的主要渠道，其還可為包含慣性導航等PNT 技術應用平臺提供長期誤差修正服務。正本固元，隨著GPS 系統的持續升級，未來從GPS-3F 型號開始，系統支持導航戰的能力將進一步提升，其預計將通過點波束信號功率增強實現區域軍事保護能力；通過全數字化任務數據單元實現導航信號在軌升級與信號重構；此外，新一代地面運控系統的賽博安全能力正分階段逐步實現，支持M 碼功能的、以軟件定義無線電為特征的軍事用戶設備的開發、測試及未來生產安排也在進行中，以上將進一步促進美軍導航戰能力的增強。

多源PNT 是美軍軍事PNT 架構的重要組成部分

由于機理存在差異的PNT 技術不易同時出現故障，所以多源PNT 十分必要。美軍在以陀螺儀、加速度計為敏感器件的慣性導航系統方面有長期的使用經驗及豐富的技術儲備，在便攜式平臺上進行精確授時的小型化原子鐘、圖像匹配分析導航等方面有著廣泛的軍事應用，在磁性導航、天體輔助導航技術等領域的研發也處于領先地位；同時也在逐步恢復對地基低頻技術的重視。

PNT 技術集成、PNT 信息交互傳遞和多源PNT 效能評估等能力的發展為美軍PNT 架構提供保障

以美國國防部PNT 科學技術發展計劃為例，在“模塊化開放式系統”計劃中，模塊化要求組件是離散的，彼此之間的依賴性較低，這可能會導致系統性能下降，需要做到使增加未來技術升級機會帶來的益處超出性能的潛在損失；架構和標準要適應不斷變化的要求和能力，需要考慮管理和維持問題……對這些問題的深入理解將為相關國防規劃與投資決策提供關鍵信息支持。