美国军事定位、导航与授时能力发展

刘春保（北京空间科技信息研究所）

美国军事定位、导航与授时能力发展

刘春保（北京空间科技信息研究所）

2013年8月，美国空军航天司令部发布了《弹性和分散空间体系》（Resiliency and Disaggregated Space Architectures）白皮书，在全面分析美国正在以及面临的军事航天战略环境的条件下，提出了美国未来军事航天系统发展应采取的“弹性”与“分散”策略。

作为美国重要的空间基础设施与军事航天系统，GPS在美国国家安全、军事作战能力和经济发展等领域均发挥着极其重要的作用。《弹性和分散空间体系》白皮书将对GPS系统的未来发展产生什么影响，GPS系统与美国军事定位、导航与授时（PNT）技术与能力将如何发展，是一个值得我们关注的问题。

1　背景与目标

成本问题成为难以承受之重

截至2012年底，GPS系统的总投入已经超过360亿美元，且正在以每年12亿～15亿美元的速度增长。按GPS现代化计划，2013－2030年间还需投入约250亿美元，成本、费用已经成为影响GPS系统未来发展的重要问题。在国会削减国防预算的背景下，与美国其他军事航天系统一样，GPS系统也必须面对成本、费用缩减的挑战。

实际上，美国军事航天系统的发展早已遇到了严竣的技术与成本挑战。20世纪90年代中、后期开始发展的“未来成像系统”（FIA），在研发工作进行了近10年、投入近200亿美元却仍看不到成功希望的情况下，不得不予以终止，使美国军事航天系统的发展受挫，也蒙受了巨大的经济损失。

美国军事航天系统面临潜在威胁

美国已经清晰、明确地认识到，空间安全环境正在发生重大变化，且影响深远。同时，日趋严重的空间碎片问题也对空间系统的安全造成了日益严重的威胁，特别是低轨道航天系统。

自2001年以来，美国组织了多次施里弗太空战演习。初期的施里弗太空战演习的重点是通过威慑保证美国航天系统的安全，特别是军事航天系统，以保证利用空间的能力。最近几年的演习则更加关注强对抗条件下的空间能力，以及如何维持和保持空间安全、稳定和空间能力的应用。

因此，随着空间环境的变化与航天技术的发展，包括GPS系统在内的美国军事航天系统所面临的潜在威胁正在不断加大。

美国空间安全观的变化

随着空间安全环境的变化，美国的空间安全观也在悄然发生变化。受美国空军的委托，2010年兰德公司完成了《空间威慑和首次打击的稳定性》研究，2011年、2012年又先后发布了《国家安全空间战略》与《国防部空间政策》，其利用空间武器来维护空间安全的空间安全观已经发生了转变。

美国国防部与军方已经意识到，不论美国拥有如何强大的天战能力，只要存在对空间系统或能力的依赖，其对手必然会发展不对称的空间攻防能力，并藉此对美国发动致命一击。为此，美国开始寻求以维持空间安全与稳定的方式，构建与传统核威慑理论分离的空间威慑理论，强调利用包括政治、经济、外交、军事等多种手段，阻止敌方对其空间系统进行攻击，并利用体系的冗余和强健性提高其空间系统在敌方攻击下的生存能力。

卫星导航系统的脆弱性难以避免

脆弱性是卫星导航系统的固有特性，只能缓解，不能消除。为此，美国军方在努力增强GPS系统导航战能力的同时，正在积极发展不依赖GPS系统的高精度定位、导航与授时技术与手段，以在GPS系统无法提供满足需求的高精度定位、导航与授时服务时，填补GPS系统的能力缺口，提供高精度军事定位、导航与授时服务能力。

2　弹性与分散空间体系构想

《弹性和分散空间体系》白皮书将“分散”定义为：将天基任务、功能或传感器分散到一个或多个轨道平面、平台、载具或多域的多个系统之中。按《弹性和分散空间体系》白皮书的构想，空间系统的分散有5种形式：

1）分解（fractionation）：即由多个以无线方式相互连接与作用的模块组成的系统或体系，提供单一系统的功能与能力。

2）功能分散（f u n c t i o n a l disaggregation）：将一颗卫星上的多个载荷或多项任务分散到多个卫星上。

3）搭载有效载荷（hosted payload）：将有效载荷和任务搭载在其他卫星上。

4）多轨道分散（m u l t i - o r b i t disaggregation）：利用部署在多个轨道平面的航天器（可理解为多轨道分散部署）提高系统或体系弹性。

5）多域分散（m u l t i - d o m a i n disaggregation）：将能力分散于海、陆、空、天、网多域，相互冗余和备份。

3　GPS系统与美军定位、导航与授时能力的未来发展

GPS系统为美军提供最重要的、覆盖全球的高精度定位、导航与授时能力。但美国军方从未将GPS系统作为提供定位、导航与授时能力的惟一手段，一直在谋求GPS之外的高精度定位、导航与授时能力，谋求通过组合、融合的方式实现满足强对抗战场环境要求的高精度定位、导航与授时能力。

目前，美国的军事定位、导航与授时技术和能力的发展分为两个重点：其一，在缩减经费的前提下，提升GPS系统的服务性能，增强GPS系统的导航战能力，重点是抗干扰、抗欺骗能力；其二，解决GPS系统不能提供定位、导航与授时服务条件下的高精度定位、导航与授时能力问题。

GPS系统现状与发展计划

GPS－3是美国GPS空间段现代化计划的最后阶段，也是实现2004年发布的美国天基定位、导航与授时策略的重要环节。GPS－3采取循序渐进的发展策略，包括3个型号，分别为GPS－3A、GPS－3B 和GPS－3C。

1）GPS－3 A：在GPS－2 F全部能力的基础上，GPS－3A将增强军用M码信号对地球的覆盖功率，在L1频段增加与“伽利略”（Galileo）系统完全兼容，并具有互操作性的L1C民用信号，且GPS－3 A所采用的洛马公司的A2100卫星平台将作为全部GPS－3发展的基础。同时，特别值得关注的是GPS－3A将开展GPS星间链路的演示与验证工作，为GPS星间链路的建立奠定基础。

与GPS卫星已经具有的星间链路不同，GPS－3星间链路采用Ka频段(原为UHF频段)，星间链路的信号播发方式也由广播式改为点对点的传输，大大提高了安全性。星-星与星-地间的通信能力也提高到100Mbit/s。

2）GPS－3 B：除具备GPS－3 A的全部能力外，GPS－3B将增加星间链路能力，从而提高GPS系统导航服务的精度、完好性，以及导航战所要求的指挥与控制能力。此外，GPS－3B还将采用高速上、下行链路天线，并增加搜索与救援功能，为国际搜索与救援服务提供支持。同时，GPS－3B将开展导航战点波束能力的在轨演示与验证工作，为GPS系统最终具有点波束能力进行最后的验证与确认工作。

3）GPS－3 C：除具备GPS－3 B的全部能力外，GPS－3C将实现支持导航战的点波束能力，具有灵活的载荷配置能力和完好性监测能力，并增加空间环境探测有效载荷。

GPS现代化计划中，美军正在研发选择可用性抗欺骗技术（SAASM），将装备未来美军的国防先进GPS接收机（DAGR），抗干扰能力可望达到80dB（目前美军的GPS组合导航设备的抗干扰能力最高为50dB）。

美国空军：GPS系统低成本解决方案

应美国国会的要求，美国空军于2013年4月向国会提交了《全球定位系统低成本解决方案》报告，就降低GPS系统未来发展与维持成本，增强GPS系统发展的可持续性进行了论述。针对GPS系统发展的可持续、可承受问题，美国空军提出了9个候选方案。

目前，“一箭双星”的发射方案已经确定，初步设想是取消核爆探测载荷，以降低卫星质量。2011年11月，美国空军与联合发射联盟公司共同完成了相关研究工作，结果表明：GPS－3“一箭双星”发射可节省7亿～15亿美元的发射费用。2012年12月，美国空军将全面研发合同授予了联合发射联盟公司。

2012年，美国空军将380万美元的GPS小卫星（Nav Sat卫星）研究合同授予了波音公司、ITT Exelis公司和萨里卫星技术（美国）公司，开展了GPS小卫星的研究（三家公司分别在GPS卫星、GPS卫星有效载荷和小卫星领域拥有丰富的经验）。其目标是利用18个月的时间，以创新的研究方式，通过减小有效载荷的质量、体积与功率（SWAP-C），增加GPS系统的可承受性和可维持性。

美国空间与导弹系统中心提出的主要指标包括：功率1000W，有效载荷质量200～250kg，设计寿命3～5年，指向精度优于0.2°。

按目前的设想，Nav Sat卫星最早于2015年获得研发授权，2018年首次发射，主要任务包括6个方面：

1）选择用于Nav Sat卫星的现有商用平台；2）政府提供的有效载荷与选定商用平台的集成；

3）在有效载荷与平台集成前与集成后进行平台适应性设计与工艺验证；

4）提供发射场支持和卫星健康状态测试；

5）参与卫星发射与早期在轨测试活动；

6）在卫星寿命周期内提供卫星异常处理方面的支持。

强对抗战场环境下先进定位、导航与授时技术的研发

美国军方认为，多轨道分散部署的GPS系统不能满足未来强对抗环境条件下的高精度定位、导航与授时需求，多域分散、多种技术手段的融合才是解决美军未来强对抗战场环境下高精度定位、导航与授时需求的可行途径。

目前，美国强对抗战场环境下先进定位、导航与授时技术研发重点分为3个方面：

1）高精度自主导航基础技术，即先进原子钟（包括芯片级原子钟、冷原子钟等）与高精度惯性导航技术[包括微机电惯性系统、冷原子（量子）惯性导航技术等]；可在无GPS服务的条件下提供短时间（30min）的高精度定位、导航与授时能力。

首个商品化的芯片级原子钟

冷原子惯性导航装置

2）以提供长时间高精度自主导航能力为目标的多源融合导航技术，主要研究项目为美国国防高级研究计划局（DARPA）开展的“全源导航”计划，主要关键技术包括融合架构、算法等。

3）以为战区提供高精度区域导航能力为目标的地基伪卫星无线电导航技术，代表项目为美国空军正在白沙导弹靶场进行测试的澳大利亚Locata公司LocataNET导航技术。其初步测试结果表明，定位精度可以达到厘米级。

美国陆军定位、导航与授时能力发展路线图

4　美国军事定位、导航与授时能力的发展分析

美国军方已经充分认识到在未来强对抗的战场环境下，军事航天系统的安全面临严峻的挑战；GPS系统的脆弱性使其提供高精度定位、导航与授时服务的能力受到较大威胁，不可完全依赖。

目前，G P S系统采用2 4＋3基线轨位空间星座，实际在轨运行并提供服务的卫星有3 1颗，分布在6个轨道面上。与“全球导航卫星系统”（GLONASS）、“伽利略”等导航卫星系统相比，其轨道分布更加分散，更加符合美国空军航天司令部《弹性和分散空间体系》白皮书的要求。然而，GPS系统的生存与安全，并不代表其可提供满足美国军方对未来强对抗战场环境下高精度定位、导航与授时能力的需求。

为此，美国军方从体系的角度出发，设想以多域分散的方式满足美军的未来需求，即将高精度定位、导航与授时服务能力分散至陆、海、空、天、网等各域，并通过集成、融合的方式构建体系化的定位、导航与授时能力。美国军方正在开展的以量子惯性技术和芯片级原子钟为代表的导航基础技术研究；多源、全源导航技术的集成、融合研究，以及地基伪卫星无线电导航技术的试验与验证，都是从体系的角度出发，以多域分散的思路为指导，构建美国未来军事导航能力的重要努力。

然而，不论美国军事定位、导航与授时能力如何发展，GPS系统都将是美国军事定位、导航与授时能力的基础与核心。至少在可预见的未来，卫星导航系统提供的全天时、全天候、可覆盖地球表面至上空6000km高度的低成本、高精度的定位、导航与授时能力是无可替代的。

综上所述，未来美国军事的定位、导航与授时能力将由以GPS系统为核心，由广泛分布于陆、海、空、天、网的自主导航能力，以及区域导航能力为补充的定位、导航与授时体系提供；目标是满足未来强对抗战场环境下对高精度定位、导航与授时能力需求。

Development Of U.S. Military Positioning, Navigation, And Timing Capability