GPS拒止环境下的PNT技术发展

1、相关规划文件

出台规划文件，指导定位导航授时体系建设持续发展和布局

美国的PNT体系建设经历了数十年的发展，基本构建了较为完善的PNT体系。近几年，美国针对GPS不可用时的补充和备份能力建设出台了多份文件。

2018年，美国总统特朗普签署了《2018年国家授时弹性和安全法案》，提出建立GPS补充和备份授时系统。

2020年2月，美国白宫发布《通过负责任地使用定位导航与授时服务以增强国家弹性》行政令，旨在使依赖PNT信号的关键基础设施免受干扰和操纵，提升基于GPS PNT服务的安全性和弹性。

作为响应，美国国土安全部5月和12月分别发布了《GPS定位导航与授时备份与补充能力报告》和《弹性PNT合规性框架》，指导用户使用适当的PNT源，解决PNT系统被阻断或是受到干扰的风险，以实现PNT用户设备和服务的弹性。

2019年8月，美国防部发布公开版《定位导航与授时体系战略》，提出建立一种灵活的PNT体系，提升联合部队和盟军的作战能力。《战略》提出了以天基系统、陆基系统以及自主系统构建三层级PNT体系架构，一是服务于全球的PNT层；二是服务于部分国家和地区的区域PNT层；三是服务于区域的局域PNT层。

全球层以GPS或是美国盟友的全球导航卫星系统（GNSS）作为主要PNT源，区域层是以天基系统或是陆基系统作为卫星导航的备份源，以保障PNT的弹性能力。当全球或是区域PNT信息不可用时，可以使用局域层，这种局域层包括局域陆基射频PNT源、集成通信系统和数据网的混合PNT源以及自主PNT源。图1示出了规划中的综合多源PNT能力框图。

 图1  综合多源PNT能力实现框图

2、PNT技术

针对区域层和局域层几种典型的GPS拒止环境下的PNT技术如下。

美国的陆基导航技术按其作用距离分为区域陆基导航技术（locata）、陆基远程导航技术（eLoran）和陆基超远程导航技术（STOIC项目中的甚低频定位系统）。这三种技术均列入美国防部制定的“三层级PNT体系架构”的“区域PNT层”。

2.1.1 陆基区域导航技术

2017年6月，美国空军与澳大利亚洛克塔（Locata）公司合作完成高精度导航系统，并在GPS干扰和电子战环境中进行了测试。这种高精度导航系统抗干扰能力强，在GPS被干扰的电子战环境中也能提供高精度区域导航能力。

2020年1月，“GPS世界”公布了美空军2018年在白沙导弹靶场进行的非GPS定位系统（NGBPS）的GNSS精确时间传递和同步备份能力试验细节。试验采用了Locata无线电技术验证了其绝对和相对时间同步能力和频率稳定度。结果显示，非GPS定位系统可为较大区域提供优越的时间传递和频率稳定度，具有独立于GPS的高精度授时能力，可应用于美军具有高精度时频信息需求的武器装备项目。

2.1.2 陆基远程导航技术

陆基远程导航技术是GPS投入运行前的主要PNT系统，技术成熟度高。“增强罗兰导航系统”（eLoran）和卫星导航系统在工作体制、工作频率以及信号强度等方面互补性很强，其性能与卫星导航系统能够形成互补。2018年，美国涉及eLoran建设法案正式立法。2019年11月，eLoran导航技术列入美国交通部组织的GPS备份系统演示验证项目。2020年5月，美交通部、国土安全部发布的《GPS定位导航与授时备份与补充能力报告》中称，eLoran导航系统在授时、位置导航能力方面满足可替代PNT系统的需求。目前，美国交通部正在组织对该系统作为GPS有效备份和补充的相关演示验证和性能评估。

2.1.3 陆基超远程导航技术

2014年，美国防高级研究计划局（DARPA）启动“竞争环境中的空间、时间和方位信息”（STOIC）项目，聚焦于甚低频定位系统（VPS）、高稳定光钟以及精确时间传递三项技术领域，该项技术具有全球可用性、抗干扰能力强、基础设施成本低，性能与GPS相当等特点。据DARPA在2020年2月发布的“DARPA 2021财年预算评估报告”显示，STOIC项目取得如下进展：

一是通过研发的不依赖于GPS的时间传递和同步系统实现了精确的协同能力；

二是实现了不依赖于GPS的定位能力来保持协同移动用户之间的精确时间同步。

STOIC多项技术已完成了相关环境下的平台演示验证，并向海军移交。

2020年12月8日，美海军部通过小企业研究计划（SBIR）为“采用VLF信号的导航定位源”征集提案，寻求推动甚低频导航技术向成熟度发展的创新技术，以支持美国海军舰载平台的导航弹性。

美国在自主导航技术的发展上处于国际领先，一方面持续发展惯性导航等主要的传统导航技术；另一方面积极探索全源定位导航技术、芯片级原子钟技术、地磁导航技术等新型导航技术。

2.2.1 惯性导航技术

惯性导航技术（INS）是一种可自主连续、全方位、全时空、不受外界干扰，敏感控制载体姿态轨迹的技术，其产品包括陀螺仪、加速度计等惯性仪表及其所构成的各类系统，广泛地应用于各军用平台。AN/WSN系列导航系统一直是美军主打的导航系统，对于美国海军未来导航至关重要。

2019年8月，美海军海洋系统司令部授予诺斯罗普·格鲁曼公司一份价值1580万美元的合同，继续用于新型环形激光陀螺导航（RLGN）系统生产和海军WSN-7导航系统的技术计划支持。WSN-7具有可靠性高、成本较低、体积较小的优点，采用环形激光陀螺技术，精度可以达到1海里/14天，是美海军主力舰载导航系统。AN/WSN-7惯性导航系统完全自主，不依赖于外部卫星导航信号，因此可免遭敌人的电子对抗攻击。同时，诺斯罗普•格鲁曼公司成功通过美国海军惯性导航系统换代产品WSN-12的初步设计评审，将用于取代WSN-7。

美军在针对精确、鲁棒性的惯性制导弹药（PRIGM）计划下开展光子集成的微机电惯性传感器技术研究，研制具有低成本、尺寸、质量和功耗特性的“先进微惯性传感性”技术，在GPS拒止环境下提供PNT能力。当GPS不可用时，这些惯性传感器可以提供自主PNT信息。

目前研究聚焦于两个技术领域：

一是到2022年，开发一种导航级惯性测量单元（NGIMU），这是一种最先进的MEMS设备，并将其应用于国防部平台上；

二是到2030年，开发先进的惯性MEMS传感器，能够为无GPS弹药提供高强度、高带宽、高动态范围的导航。

2.2.2 全源定位导航技术

2017年5月，美国空军研究实验室公布其成功研制出可在GPS拒止环境下进行导航的全源定位导航（ASPN）传感器吊舱。ASPN是将传统传感器源与情报信号、通信卫星、成像仪、机会信号等非传感器源通过新型导航算法进行融合，从而实现高精度自主PNT能力，是一种新型平台综合导航技术。

ASPN系统的发展与应用将全面解决卫星导航系统固有脆弱性引起的水下、地面、室内、高山与城市巷道等环境下的导航与授时问题。对军事用户而言，这种技术在未来战场上的智能武器、定位、瞄准、导航和制导等领域将发挥巨大作用。由美军公布信息来看，ASPN系统将用于跨海、陆、空多种武器平台的应用，可快速适用于各种任务需求，且能同时整体降低导航系统集成成本并缩短市场投放时间。从图1可以看出，ASPN将作为一种通用框架用于各军种PNT源的信息融合。这种全新的平台综合导航技术具有未来强对抗复杂战场环境下各平台获取高精度PNT能力的潜在能力。

2.2.3 芯片级原子钟技术

精确授时与同步对于美军通信、导航、侦察以及其他电子系统至关重要。

2002年，DARPA启动基于相干布局囚禁（CPT）原理的芯片级原子钟（CSAC）技术研发，聚焦于体积、功耗和频率稳定度，取得了突破性的进展。

2011年，美国迅腾公司（2013年被美高森美公司收购）推出了首款商用量产型CSAC产品，但成品存在频率漂移和对温度敏感等不足，需定期校准。

为此，2015年DARPA推出“高稳原子钟”（ACES）项目，探索研究下一代电池供电的CSAC物理体系架构。研究团队基于现有的冷原子钟、离子阱钟、光钟等基准原子钟上结合MEMS技术，损失部分精度，但体积和功耗有所降低。

2019年，该项目成功展示了芯片级光学时钟，体积、成本、温度控制、频率老化和复现都有很大的改进。

CSAC具备自主授时能力，加之体积小、功耗低，可广泛应用于各种作战平台，有助于摆脱当前对卫星导航系统精确授时的高度依赖，提高授时安全与定位精度，在航空航天、精确打击、协同作战等方面具有广泛的应用前景。

2.2.4 地磁导航技术

由于地磁场为矢量场在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其他地点的矢量，且与该地点的经纬度存在一一对应的关系，因此，理论上只要确定该点的地磁场矢量即可实现全球定位。地磁场可以为航空、航天、航海提供天然的坐标系，地磁导航具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、能耗低、抗干扰能力强的优良特征，可为潜艇、舰船、飞机、导弹等提供位置和方位等信息。

2020年，美空军地磁导航技术取得进展。美空军联合麻省理工学院，研究利用地球磁场为飞机等提供导航。研究结果显示，地磁导航定位精度可达10米。虽然，该指标低于GPS的3米精度，但其信号不易受到干扰。磁场图、传感器、算法和校准是地磁导航的四大核心要素。磁场图可以从工业、军事以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）、美国国家航空航天局（NASA）和美国国家地理空间情报局（NGA）等政府机构中获取。标量磁强计传感器和算法的发展也相对成熟。未来亟待解决的问题是如何更好地补偿（校准）传感器所在平台（飞机/舰船）的局部磁场，以及建立更完善、质量更高的海、陆磁场图。

2.3.1 基于数据链的通信导航技术

2019年，美国CTSi公司透露增强型链路导航系统（ELNS）的技术特点及未来应用方向。ELNS主要提供GPS拒止条件下基于舰载数据链的高精度无人机着降引导，具有抗干扰、低截获、易于安装等特点。

2018年完成样机研制并在马里兰州机场进行了152次进近飞行试验，定位精度在1公里处达到6厘米。ELNS还可应用于各型无人机，包括如MQ-25需要高完好性的无人机，以及承载受限的小型无人机，是首个将GPS拒止导航能力引入小型无人机的系统，未来将在加油机上进行验证。

2.3.2 低轨卫星导航技术

卫星时间和位置（STL）是一种基于低轨道铱卫星的PNT系统，于2016年6月正式开始服务。STL具有轨道高度低和通信速率高两大特点。与GPS相比，具有四大优势：

一是信号穿透能力强，可在特殊环境下应用；

二是卫星几何位置变化快，可完成实时、快速的高精度定位；

三是信号加密，不易受到干扰和欺骗；

四是通信速率高，电文传输快。

因此，基于铱星的PNT技术的优势特点可以弥补GPS的性能缺陷，可以作为一种有效的GPS备份解决方案。

在军用领域，当GPS信号不能使用或是仅能间断性使用时，STL可以提供增强PNT服务，可以应用于车上、车下，以及特殊环境下的反恐作战等。在民用领域，可以作为独立的GPS备份，或是用来增强GPS能力，提供可靠的授时和同步。2019年，STL入选美国交通部“GPS备份技术”演示验证。2020年3月，成功验证了GPS信号被干扰、欺骗或不可用情况下的PNT能力。

DARPA开展的“黑杰克”（Blackjack）项目是基于低轨道军事通信与监视卫星项目，通过部署20颗光学星间链路卫星来验证军方利用低轨网络开展通信、导弹跟踪和导航。其星载Pit Boss处理器上搭载有PNT有效载荷，将验证对GPS的能力增强。

3、可替代导航技术

探索研究GPS拒止环境下的可替代导航技术

未来多样化的作战环境下，卫星导航因其被干扰、欺骗和其他卫星导航拒止手段，使应用卫星导航的装备平台从对敌的战略优势变成了易受攻击的弱点，可替代导航技术可作为卫星导航拒止时恢复PNT能力的一种解决方案。

据2020年2月美陆军发布的“2021财年预算评估报告”显示，美陆军将在2021年开展这一领域的相关技术研究，聚焦于颠覆性技术向可部署PNT解决方案过渡。在GPS拒止环境下，将其他如GNSS射频信号和其他卫星通信源（非射频源）集成到PNT产品和用户设备，通过多频和多样性源来对抗GPS干扰，为用户提供可替代导航能力。该项研究工作将于2021财年启动，预算1884万美元。项目将通过快速原型设计和建模仿真，关键单兵接触点、实验室和现场评估，对初始能力的军事效用进行评估，确定技术成熟度，以与陆军车载A-PNT系统（MAPS）、单兵A-PNT系统（DAPS）和其他平台进行集成。

美太空也将在2021年启动可替代导航技术研究，旨在提升太空PNT有效载荷的弹性能力。可替代导航技术作为前沿技术，或将成为未来PNT技术发展的一个方向。

结 语

从2020年美各军种、DARPA以及国防部长办会室公布的“2021财年预算评估报告”中涉及的PNT研发项目来看，美军《定位导航与授时体系战略》规划所列部分PNT技术或是已取得突破，或是已规划部署。在区域部署上，陆基超远程导航技术完成了典型环境试验，已向美海军过渡。该系统采用甚低频工作体制，结合天基系统应用，将会形成新的导航战频谱优势。局域部署上，持续发展先进INS技术、天文导航技术、时钟技术等。此外，美各军种还积极探索可替代导航技术研究，以提升其PNT装备的弹性能力，以期在未来复杂的导航战作战环境下，其PNT装备能够适应不断变化的作战环境，能够抵御服务中断，并迅速恢复。