導(dǎo)讀：今年8月，美國國防部（DoD）公開了其2018年11月的《國防部定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）整體戰(zhàn)略——確保美國軍隊(duì)PNT優(yōu)勢(shì)》報(bào)告。該報(bào)告強(qiáng)調(diào)了4個(gè)方面：一是GPS可能會(huì)在全球受到干擾；二是接收機(jī)需要擁有多種不同的PNT源和模塊化開放系統(tǒng)；三是民間使用會(huì)阻礙軍方利用GPS取得軍事優(yōu)勢(shì)的努力；四是國防部PNT正在增強(qiáng)保密努力，不與民間用戶共享。

PNT（Positioning, Navigation and Timing）是三種不同功能的組合

   據(jù)美國交通部的定義，PNT（Positioning, Navigation and Timing）是三種不同功能的組合：

   定位（Positioning），是能夠參照標(biāo)準(zhǔn)大地測(cè)量系統(tǒng)（例如世界大地測(cè)量系統(tǒng)1984，或稱WGS84），以二維（或在需要時(shí)以三維）準(zhǔn)確和精確地確定一個(gè)人的位置和方向；

  導(dǎo)航（Navigation），是能夠確定當(dāng)前和所需（相對(duì)或絕對(duì)）位置，并對(duì)航向、方向和速度進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)在世界任何地方從地下到地面以及從地面到空間獲得所需位置；

   授時(shí)（Timing），是可以在世界上任何地方，在用戶定義的時(shí)效性參數(shù)范圍內(nèi)，從標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，或稱UTC）獲取并保持準(zhǔn)確和精確的時(shí)間。授時(shí)還包括時(shí)間轉(zhuǎn)移。

   2004年，美國總統(tǒng)簽署并頒布了《美國國家天基定位、導(dǎo)航與授時(shí)政策》（U.S. Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy），取代了1996年美國總統(tǒng)頒布的《美國全球定位系統(tǒng)政策》（U.S. Global Positioning System Policy），采用PNT概念取代GPS，標(biāo)志著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入以PNT為基本要素的新時(shí)代。2004年，成立“國家天基定位、導(dǎo)航和授時(shí)執(zhí)行委員會(huì)”（National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing），其作為軍民聯(lián)合體從國家層面對(duì)GPS項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)注和指導(dǎo)，并直接向白宮匯報(bào)。天基PNT包括GPS、GPS增強(qiáng)系統(tǒng)和其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。雖然“全球?qū)Ш较到y(tǒng)”（GPS）作為美國主要的天基PNT服務(wù)提供設(shè)施已在美國甚至全球擁有廣泛應(yīng)用，但其固有的脆弱性正逐步影響著PNT服務(wù)的可用性和魯棒性。

   2010年，美國總統(tǒng)新版《國家太空政策》指令指出，“維護(hù)和增強(qiáng)天基定位、導(dǎo)航和計(jì)時(shí)系統(tǒng)。美國必須在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的服務(wù)，提供和使用方面保持領(lǐng)先地位?！币虼?，美國軍方和商業(yè)公司等正在努力開發(fā)驗(yàn)證GPS新技術(shù)和PNT新技術(shù)。

一、導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星3/NTS-3

   2018年12月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）航天飛行器局向哈里斯公司（Harris Corp.）授予價(jià)值8040萬美元的NTS-3合同，其將使用諾斯羅普?格魯曼公司（Northrop Grumman）價(jià)值3000萬美元的ESPAStar平臺(tái)建造NTS-3。NTS-3（Navigation Technology Satellite-3，導(dǎo)航技術(shù)衛(wèi)星-3）是美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的一顆PNT試驗(yàn)衛(wèi)星，驗(yàn)證如何使GPS星座為核心構(gòu)建的軍用PNT體系架構(gòu)更具彈性，預(yù)計(jì)將在2023年發(fā)射到地球同步靜止軌道（GEO）進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。NTS-3旨在測(cè)試新的硬件，包括可在軌重新編程的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，其可使操作員在遇到電子威脅時(shí)可快速部署新信號(hào)。NTS-3是美國軍方自NTS-2后40年來首次開展的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)任務(wù)，尤其重點(diǎn)驗(yàn)證分散式、彈性PNT能力。

NTS-3效果圖（AFRL）

NTS-3效果圖（AFRL）

   NTS-3的重量遠(yuǎn)低于GPS-3，NTS-3重1250公斤，而洛克希德?馬丁航天系統(tǒng)公司生產(chǎn)的GPS-3重4400公斤。NTS-3有效載荷不同于GPS-3，其具有完全可在軌重新編程能力，采用L波段直接數(shù)字合成方法實(shí)現(xiàn)100%數(shù)字化。NTS-3還將配備先進(jìn)的固態(tài)放大器和電子控制的相控陣天線，可使運(yùn)營商控制波束并向需要的地方集中。哈里斯公司為NTS-3開發(fā)的可控相控陣天線可以對(duì)波束進(jìn)行操控，是導(dǎo)航有效載荷的關(guān)鍵組成部分。相比之下，GPS-3的相控陣天線是衛(wèi)星平臺(tái)的組成部分，不能主動(dòng)操縱。NTS-3將整個(gè)信號(hào)生成和射頻鏈展示為一個(gè)集成的有效載荷，為未來的技術(shù)轉(zhuǎn)型和潛在的主要有效載荷展示了模塊化和可擴(kuò)展性。

   NTS-3還將展示太空和地面的新戰(zhàn)術(shù)來推進(jìn)天基PNT的發(fā)展。這些措施包括提高自動(dòng)化程度、加大使用商業(yè)地面資源以及新的網(wǎng)絡(luò)安全程序。據(jù)預(yù)測(cè)，NTS-3將影響未來GPS-3升級(jí)，或者可能會(huì)構(gòu)成一個(gè)全新的星座框架。從NTS-3獲得的技術(shù)驗(yàn)證將為未來幾代GPS發(fā)展以及GPS星座增強(qiáng)的潛在方案提供技術(shù)支撐。

二、適應(yīng)性導(dǎo)航系統(tǒng)/ANS

   為了解決軍隊(duì)在使用基于GPS的PNT服務(wù)時(shí)易受干擾和特殊環(huán)境無法訪問的挑戰(zhàn)，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出了“適應(yīng)性導(dǎo)航系統(tǒng)”（Adaptable Navigation Systems，ANS）尋求向軍事用戶提供GPS質(zhì)量的PNT，而不管其運(yùn)行環(huán)境如何。

   ANS通過其“精密慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”（Precision Inertial Navigation Systems，PINS）和“全源定位和導(dǎo)航”（All Source Positioning and Navigation，ASPN）的努力解決了3個(gè)基本挑戰(zhàn)：

 1）需要更少外部位置確定、更好的慣性測(cè)量單元（IMU）；

 2）用于外部位置確定的GPS替代源；

 3）為特定任務(wù)的新型和非傳統(tǒng)傳感器快速重新配置導(dǎo)航系統(tǒng)的新算法和體系結(jié)構(gòu)。

   作為DARPA正在開發(fā)具有導(dǎo)航級(jí)別或更高級(jí)別芯片級(jí)慣性傳感器的Micro-PNT項(xiàng)目補(bǔ)充，PINS正在開發(fā)一種使用冷原子干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行高精度導(dǎo)航而無需長時(shí)間依賴外部位置確定的慣性測(cè)量單元。原子干涉測(cè)量法涉及測(cè)量傳感器外殼內(nèi)原子云的相對(duì)加速度和旋轉(zhuǎn)度，其精度可能遠(yuǎn)高于當(dāng)今最先進(jìn)的慣性測(cè)量單元。

   即使是可持續(xù)（工作）長時(shí)間的慣性測(cè)量單元都需要最終的定位，因此ASPN正針對(duì)性開發(fā)使用機(jī)會(huì)信號(hào)的傳感器，這些機(jī)會(huì)信號(hào)是來自電視、廣播、手機(jī)信號(hào)塔和衛(wèi)星，以及如閃電等自然現(xiàn)象的非導(dǎo)航信號(hào)。將不同的傳感器、地圖和其他組件集成和調(diào)整到導(dǎo)航系統(tǒng)中既昂貴又緩慢，因此需要針對(duì)平臺(tái)和特定任務(wù)的解決方案。為了應(yīng)對(duì)這一集成挑戰(zhàn)，ASPN也在努力開發(fā)新的融合算法和即插即用處理體系結(jié)構(gòu)，以在導(dǎo)航系統(tǒng)上快速集成和近實(shí)時(shí)重新配置或升級(jí)傳感器、慣性測(cè)量單元設(shè)備、地圖和數(shù)據(jù)庫。通過允許現(xiàn)有導(dǎo)航傳感器和新導(dǎo)航傳感器的靈活組合，ASPN尋求在各種平臺(tái)、環(huán)境和任務(wù)中改善導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、魯棒性和成本。

ASPN項(xiàng)目概覽

2019年6月6日公布的最新ASPN項(xiàng)目概覽（DARPA）

   DARPA官網(wǎng)顯示，ASPN已在空中、陸地和海上平臺(tái)上完成了多次現(xiàn)場(chǎng)演示。其中，該項(xiàng)目在2015財(cái)年的機(jī)載驗(yàn)證中，進(jìn)行了導(dǎo)航的快速配置/現(xiàn)場(chǎng)集成，使用了慣性測(cè)量單元（IMU）、地球觀測(cè)圖像、空速（計(jì)）、磁強(qiáng)計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)等傳感器，實(shí)現(xiàn)了無GPS情況下保持約20米的定位精度。

ASPN項(xiàng)目2015財(cái)年機(jī)載驗(yàn)證（DARPA）

ASPN項(xiàng)目2015財(cái)年機(jī)載驗(yàn)證（DARPA）

三、對(duì)抗環(huán)境中的空間、時(shí)間和方向信息/STOIC

STOIC項(xiàng)目系統(tǒng)示意（DARPA）

STOIC項(xiàng)目系統(tǒng)示意（DARPA）

   美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的“對(duì)抗環(huán)境中的空間、時(shí)間和方向信息”（Spatial, Temporal, and Orientation Information in Contested Environments，STOIC）項(xiàng)目旨在開發(fā)一種備用PNT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供GPS級(jí)別性能而無需依賴GPS即可獲得更好的性能。STOIC包含3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域（或功能），這些技術(shù)領(lǐng)域整合后將有可能提供獨(dú)立于GPS的全球PNT服務(wù)：

 1）使用甚低頻（VLF）信號(hào)的地面固定導(dǎo)航；

 2）基于DARPA的QuASAR項(xiàng)目開發(fā)技術(shù)的可部署光學(xué)時(shí)鐘；

 3）通過數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行精確的時(shí)間傳輸和測(cè)距。

上述3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能的要求或目標(biāo)如下：

 1）甚低頻定位系統(tǒng)：全方位、穩(wěn)健的參考信號(hào)提供GPS級(jí)精度

 2）超穩(wěn)定的光學(xué)時(shí)鐘：堅(jiān)固耐用的下一代高精度時(shí)鐘為關(guān)鍵應(yīng)用維持GPS定時(shí)，一年以上無需與外部源同步；

 3）戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路上的精確時(shí)間傳輸：使用現(xiàn)有通信鏈路進(jìn)行10納秒（基本要求）時(shí)間傳輸以保持相對(duì)定時(shí)；進(jìn)行1皮秒（目標(biāo)要求）時(shí)間傳輸以實(shí)現(xiàn)相干效果。

STOIC項(xiàng)目關(guān)鍵成就

截至2019年6月6日的STOIC項(xiàng)目關(guān)鍵成就（DARPA）

上述3個(gè)獨(dú)立功能在目前試驗(yàn)過程中達(dá)到的關(guān)鍵成就：

 1）甚低頻定位系統(tǒng)：兩個(gè)參試的結(jié)果顯示約450米定位誤差（無EIW補(bǔ)償），EIW預(yù)測(cè)提供約40米的范圍誤差，綜合結(jié)果支持該項(xiàng)目在海上約40米（精度）的（定位）應(yīng)用；

 2）光學(xué)時(shí)鐘：生產(chǎn)激光等部分組件并配置組裝實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)；

 3）戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路上的時(shí)間傳輸：平均誤差（<5納秒）滿足現(xiàn)有硬件的閾值度量。

四、可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)/A-PNT

  美國陸軍在美國國防部指導(dǎo)下開展“可靠PNT”（Assured Positioning, Navigation and Timing，A-PNT）研究，于2017年成立“A-PNT跨職能團(tuán)隊(duì)”（Assured Positioning, Navigation and Timing Cross-Functional Team，A-PNT CFT），并于2018年1月批準(zhǔn)了A-PNT CFT的技術(shù)路線圖（the A-PNT CFT Roadmap）。

  A-PNT CFT主要針對(duì)PNT、戰(zhàn)術(shù)空間和導(dǎo)航戰(zhàn)等3個(gè)方面，正在開展一系列研究、開發(fā)和測(cè)試工作，并連續(xù)2年（2018和2019年）在白沙靶場(chǎng)舉行PNT評(píng)估演習(xí)（PNT Assessment Exercise，PNTAX），最快預(yù)計(jì)2021財(cái)年形成初始作戰(zhàn)能力（IOC）。以下僅列舉其中公開發(fā)布的3個(gè)項(xiàng)目——“可拆卸可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)”、“安裝的可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)”/“抗干擾天線系統(tǒng)”和“偽衛(wèi)星”。

“可拆卸可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)”（Dismounted A-PNT）將提供單一來源的A-PNT，以支持通信、命令和控制、后勤、瞄準(zhǔn)和效果。它將替代“國防高級(jí)全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器”和支持Nett Warrior Ensemble的商用GPS，并具有獨(dú)立功能。當(dāng)其與Nett Warrior一起使用時(shí)，其還將優(yōu)化功率以利用共享的便攜可穿戴電池。當(dāng)天基PNT GPS可能受到限制或拒絕的情況下，“可拆卸A-PNT”將為陸軍的單兵用戶提供準(zhǔn)確且可信的PNT信息。

可拆卸A-PNT示意圖（ARMY）

可拆卸A-PNT示意圖（ARMY）

   “安裝的可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)”（the mounted A-PNT）/“抗干擾天線系統(tǒng)”（Anti-Jam Antenna System，AJAS）將是可擴(kuò)展的、可升級(jí)的系統(tǒng)安裝平臺(tái)，適用于地面和無人飛行器。它將全球定位系統(tǒng)（GPS）與備用導(dǎo)航和授時(shí)技術(shù)融合在一起，為客戶平臺(tái)和系統(tǒng)提供可信的PNT。它可以將PNT數(shù)據(jù)直接和通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到多個(gè)系統(tǒng)，而無需在單個(gè)平臺(tái)上使用多個(gè)GPS設(shè)備。預(yù)計(jì)AJAS將與已安裝的系統(tǒng)集成，以達(dá)到性能要求，并使已安裝的接收器能夠在面臨挑戰(zhàn)的環(huán)境中訪問GPS信號(hào)?！鞍惭b的A-PNT/AJAS”將向陸軍安裝平臺(tái)提供準(zhǔn)確可靠的PNT信息，以便在天基PNT GPS可能受到限制或拒絕的情況下繼續(xù)作戰(zhàn)/戰(zhàn)斗節(jié)奏。

史崔克步兵戰(zhàn)車上安裝的A-PNT數(shù)據(jù)分發(fā)概念（ARMY）

史崔克步兵戰(zhàn)車上安裝的A-PNT數(shù)據(jù)分發(fā)概念（ARMY）

   “偽衛(wèi)星”（Pseudolites）是類衛(wèi)星發(fā)射器，可在電子或物理挑戰(zhàn)環(huán)境中使用大功率信號(hào)為地面和機(jī)載無線電導(dǎo)航提供類似于全球定位系統(tǒng)（GPS）的服務(wù)，以支持旅戰(zhàn)斗隊(duì)（Brigade Combat Team）的行動(dòng)區(qū)域。偽衛(wèi)星將提供可部署的機(jī)載配置，在挑戰(zhàn)性環(huán)境中提供類似GPS的服務(wù)，從而允許A-PNT支持的系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。其廣播類似于GPS的信號(hào)，可以在無法訪問GPS衛(wèi)星時(shí)補(bǔ)充或替代GPS衛(wèi)星的信號(hào)。現(xiàn)有技術(shù)可以使可編程的接收器在干擾環(huán)境中確定位置、速度和時(shí)間。

偽衛(wèi)星概念圖（ARMY）

偽衛(wèi)星概念圖（ARMY）

五、彈性定位、導(dǎo)航和授時(shí)/RPNT

   彈性PNT（Resilient PNT，RPNT）是PNT技術(shù)與非傳統(tǒng)和新興技術(shù)的融合，旨在改善空中、陸地和海上關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的可靠性、性能和安全性。在即使數(shù)據(jù)精度、可用性和穩(wěn)定性方面出現(xiàn)最小差異就可能導(dǎo)致任務(wù)失敗、生命損失或戰(zhàn)場(chǎng)劣勢(shì)，以及重大經(jīng)濟(jì)損失的情況下，彈性PNT解決方案就派上用場(chǎng)了。

彈性PNT（Orolia）

彈性PNT（Orolia）

   基于彈性PNT（RPNT）概念，美國Orolia公司基于“下一代銥星”（the Iridium Next）衛(wèi)星星座提供“替代導(dǎo)航”（或稱AltNav）服務(wù)，該星座高達(dá)66顆的衛(wèi)星分布在約800km的低地球軌道（LEO）。相比分布在約20000km中地球軌道（MEO）的GPS星座，其AltNav產(chǎn)生的信號(hào)比GPS強(qiáng)1000倍，能夠“深入室內(nèi)”穿透，而且高度抗干擾和欺騙，并能精確到30～50米。AltNav服務(wù)基于該公司與Satelles合作在銥星星座上提供星基時(shí)間和位置服務(wù)的信號(hào)技術(shù)——STL（Satellite Time + Location），使用了重新設(shè)計(jì)的大功率尋呼信道，該技術(shù)與GNSS的簡(jiǎn)要對(duì)比見下表。

表 GNSS與STL主要性能對(duì)比

表 GNSS與STL主要性能對(duì)比

   由于戰(zhàn)略原因，STL只能在一些特定的國家商用，盡管技術(shù)層面上是全球性的。此外，作為一種相對(duì)較新的信號(hào)，STL接收機(jī)還不如GNSS接收機(jī)容易獲得。目前，STL接收機(jī)只有模塊級(jí)的形式，但是STL的信號(hào)處理要求即使不簡(jiǎn)單也與GNSS相似，因此人們期望STL接收最終將集成在許多低成本、低功耗、單片GNSS接收機(jī)里。

Orolia公司PNT解決方案（Orolia）

該公司基于PNT提供的解決方案包括：

   GPS和GNSS技術(shù)涵蓋了所有基于衛(wèi)星的時(shí)間和定位信號(hào)，包括加密的軍用SAASM和M代碼接收機(jī)、GPS、Galileo、GLONASS、IRNSS和QZSS。內(nèi)部時(shí)間和頻率設(shè)備制造，包括緊湊型的銣標(biāo)準(zhǔn)和符合太空的氫原子鐘標(biāo)準(zhǔn)。高功率、基于衛(wèi)星的技術(shù)——STL（衛(wèi)星時(shí)間和位置）可以穿透建筑物、障礙物并具有抗干擾能力，可以用作補(bǔ)充GPS和其他GNSS衛(wèi)星信號(hào)的可靠機(jī)會(huì)信號(hào)。上述使每個(gè)應(yīng)用更加準(zhǔn)確、安全并且不易受到干擾和攻擊。

   BroadShield干擾和欺騙檢測(cè)系統(tǒng)使用超過75種經(jīng)過驗(yàn)證的檢測(cè)算法來檢測(cè)GPS信號(hào)和GPS頻譜中的干擾和欺騙。

   備用PNT信號(hào)和機(jī)會(huì)信號(hào)（Signals of Opportunity）接收器利用eLORAN等可用信號(hào)來增加維護(hù)準(zhǔn)確PNT信息的可能性。漏洞測(cè)試系統(tǒng)可以評(píng)估依賴于GNSS信號(hào)系統(tǒng)的干擾和欺騙的影響。

   集成了各種慣性傳感器，包括基于MEMS和FOG的傳感器，這些傳感器在沒有GPS參考的情況下為位置和導(dǎo)航系統(tǒng)的提供了一定水平的獨(dú)立性能。強(qiáng)化產(chǎn)品可以擴(kuò)展到惡劣的戰(zhàn)術(shù)操作環(huán)境中，并可抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊。更智能地使用整個(gè)PNT生態(tài)系統(tǒng)，包括功能豐富的GPS接收硬件和智能軟件技術(shù)，以及來自多個(gè)星座、多頻信號(hào)和增強(qiáng)系統(tǒng)的接收。

   2018年4月，Orolia公司旗下子公司McMurdo Inc.獲得了美國陸軍價(jià)值33986800美元的無限期交付/不確定數(shù)量（ID/IQ）合同，用于制造個(gè)人救援設(shè)備（Personnel Recovery Device，PRD）。該P(yáng)RD是一種雙模式MIL-SPEC個(gè)人定位信標(biāo)，它將被集成到陸軍的個(gè)人救援支持系統(tǒng)（Personnel Recovery Support System，PRSS）中。PRD易于在人員救援行動(dòng)中使用，基于Orolia全新的、堅(jiān)固的小型PNT平臺(tái)，專用于徒步士兵可靠PNT應(yīng)用。

總結(jié)：

   當(dāng)美軍逐步意識(shí)到單純依賴GPS等GNSS提供的天基PNT服務(wù)存在極大風(fēng)險(xiǎn)的情況下，不僅是在升級(jí)和增強(qiáng)GPS上下功夫，更是致力于開發(fā)更加彈性、可靠、開放和模塊化的PNT新技術(shù)。這些PNT新技術(shù)絕大多數(shù)不以GPS為核心，但并不完全獨(dú)立，而是在GPS無法到達(dá)的地下、水下、室內(nèi)等特殊環(huán)境或在軍事對(duì)抗與電子干擾情況下成為備份PNT，彈性、可靠地向軍事用戶提供可信的PNT信息。

   然而，目前公開的部分在研PNT新技術(shù)雖有強(qiáng)度高、覆蓋廣等優(yōu)點(diǎn)，但尚有精度不高、使用不便等問題，并且研發(fā)進(jìn)展相對(duì)較慢，短期并不能真正推廣使用，甚至是形成初步作戰(zhàn)能力。但是，基于美國現(xiàn)今國家層面統(tǒng)一的PNT綜合體系和政策，必會(huì)將之前圍繞GPS開展的多種PNT技術(shù)與裝備并存卻無法統(tǒng)一使用的現(xiàn)象徹底結(jié)束，建立起一個(gè)彈性、可靠、互補(bǔ)、穩(wěn)健的強(qiáng)大國家PNT體系架構(gòu)，支持國家軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等。