美军改进军事定位、导航与授时的新举措

+ 方志英

美军改进军事定位、导航与授时的新举措

+ 方志英

随着基于卫星导航系统的问世和部署，定位、导航与授时也在发生革命性的变化。1957年，约翰·霍普金斯大学的科学家们监测了来自苏联第一颗人造卫星的无线电传输信号，确定了一种基于无线电传输对物体进行精确定位的方法。随后，经过多年的艰苦工作，第一个卫星导航系统“经纬仪”于1959年通过了美国海军的测试，1964年具备了运行能力。“经纬仪”最后可提供的位置精度为200米、时间精度为50毫秒，这一能力在当时令人惊叹，以致后来连续地供给成千上万的军舰和远洋货轮使用，直到1991年，前后将近使用了30年。后来，这一技术不断发展成熟，最后发展成为了今天的全球定位系统（GPS），这也是全球迄今为止最为复杂的技术创新之一。GPS定位精度小于1米、时间精度小于100纳秒，现在不仅成为了消费者的电子产品以及从手机到电网等美国国家关键基础设施中一项无处不在的技术，而且也是全球军事用户和民事用户定位、导航与授时的黄金标准。如今，GPS已经变得如此普及、如此简便易用，以至于很多人都忘记了支撑它的赋能要素以及它们面临的各种脆弱性，特别是安全性。本文就美军如何改进军事定位、导航与授时功能而准备采取的新举措做一描述。

一、开发M代码技术

目前，美国陆军正在开发M代码（M-code）技术，它将是下一版本军事GPS能力的关键，眼下正在进行技术成熟评估和风险降低的工作。与当前P代码精度的军事信号相比，M代码的信号可得到极大改进，还可提供附加的信号功率和一种新的信号结构。根据2011年1月7日生效的美国《公共法》111-383第913条规定，2017财年之后，除非得到国防部长的豁免，否则将不得使用采购资金来购买不具备M代码信号接收能力的GPS接收机。又根据2013年5月1日生效的参联会主席6130.01E号指示的要求，到第24颗具备M代码能力的GPS卫星具备运行能力时，必须使用具备M代码能力的用户设备。该卫星预计将在5～7年内具备运行能力。

二、开发有保证的定位、导航与授时项目

有保证的定位、导航与授时项目，主要是在一种可伸缩的体系结构内提供弹性且鲁棒的定位、导航与授时。该体系结构能够涵盖各种不同的保护等级或定位、导航与授时保证等级。这种可伸缩的体系结构使陆军能够避免过度采购，因为旅战斗队就可以根据所需的定位、导航与授时保证等级进行伸缩，只有特定的分队才需要最高等级的弹性能力。有保证的定位、导航与授时项目由4个分项目组成，它们构成了弹性能力所需的一个系统族：

◆伪卫星可提供备用信号，该信号可以提高区域保护的弹性。

◆车载型定位、导航与授时可为车载平台提供一种可伸缩的体系结构，其技术赋能要素包括GPS、用于精确授时的芯片级原子钟、用于自基准定位的惯性测量装置，以及可随时集成其他定位、导航与授时赋能要素的开放式体系结构。

◆下车型定位、导航与授时，采用了相同的概念，但主要针对的是士兵平台。

◆抗干扰，指在聚焦有效的定位、导航与授时的同时，可阻拦威胁信号的技术和设备。

现在可以肯定的是，随着陆军转而采用有保证的定位、导航与授时解决方案，其中的各个分项目都将利用竞争性的样机和结构性测试来推动创新，推动技术的发展。

三、建立定位、导航与授时的多系统之系统体系结构

美国陆军将建立定位、导航与授时多系统之系统体系结构（SoSA），该结构是陆军实现有保证的定位、导航与授时战略的一个关键组成部分。陆军采办执行官下令建设定位、导航与授时多系统之系统体系结构，并将达到下面3个目标：

◆该结构必须领先于定位、导航与授时所面临的威胁；

◆必须提高效率，消除冗余；

◆提供一种可负担的向M代码迁移的方法。

第一个目标旨在实现一种可负担的开放式系统体系结构，该体系结构应该足够灵活，以便在建成较廉价的系统或进行平台集成和认证的同时，吸纳附加能力，即建设一种能够实现未来创新之路的框架。

实际上目前就存在这种类似的结构，那就是“IT盒”概念，该概念可通过一种框架来添加附加的硬件和软件，而且不会对接口和端功能造成影响。其中的一个例子就是有保证的定位、导航与授时项目目前正在开发的定位、导航与授时集线器（PNT Hub）。该集线器允许陆军通过软件和硬件配置来控制定位、导航与授时的保证等级，并且对于平台来说是无缝的。它还能实现芯片级原子钟（CSAC）等创新技术的集成，其还有一个优点是，即便在没有GPS可用时，芯片级原子钟也能够利用铯原子的稳定振荡来保持精确的时间。因此在未来，它将以一种可负担的方式，插入到符合定位、导航与授时多系统之系统体系结构的产品中。

第二个目标是提高效率、消除冗余。该目标实现起来比较简单，这可以使用“斯特赖克”车来说明。“斯特赖克”车有10种不同的功能变体，其中每一种都混合利用了多种辅助性电子装置，包括从21世纪部队旅和旅以下作战指挥系统和蓝军跟踪识别设备，到AN/PRC-155 HMS背负式电台。有些“斯特赖克”车上共有8部GPS接收机，这意味着共有8副天线和8台设备，它们都需要通过加密密钥来访问保密的军事GPS信号。但定位、导航与授时多系统之系统体系结构则可通过定位、导航与授时的平台分发概念，为平台提供一个定位、导航与授时源，再将其分发给每一个需要定位、导航与授时数据的客户端系统，从而可以轻松解决该问题。

第三个目标是提供一种可负担的向M代码迁移的方法。这可通过诸如指挥、控制、通信、计算机、情报、监视与侦察/电子战互操作性车辆集成（VICTORY）之类的数据网络来实现，该数据网络是平台分发的重要赋能器，其好处是降低了士兵的负重，而且还减少了车辆上所需的线缆，从而也减轻了车辆上的重量。这种整合使得平台能够转而采用1副抗干扰天线，并以可负担的方式实现下一个目标，即实现向M代码的迁移。在美军的旅战斗队（BCT）之类的作战要素的每一个平台和系统都使用M代码时，就可以最大程度地实现M代码的优势。

在定位、导航与授时产品主管、陆军部首席信息官/G-6、美陆军训练与条令司令部及其他多家机构（包括通用操作环境的参与者）的支持下，陆军负责采办、后勤与技术的助理部长下面的多系统之系统工程与集成处正在率先发起冲锋，倾力开发这种体系结构。

目前美军正在开发的多种装备解决方案都将采用定位、导航与授时多系统之系统体系结构，包括国防高级GPS接收机（DAGR）分布式装置（D3）和有保证的定位、导航与授时项目。分布式装置是国防高级GPS接收机的功能换代产品，最多可取代一个平台上的8台GPS接收机，而且能够升级到M代码。分布式装置的优势包括平台分发以及能够以可负担方式升级到M代码。另外，作为陆军军用GPS用户装备项目的首要装置，“斯特赖克”车上的分布式装置也可安装到多种地面平台上，例如“铠甲骑士”车上。

四、结语

从上面的描述可以看出，在定位、导航与授时领域，独到性和创新性正在强势回归，包括从通过芯片级原子钟利用原子的动态性来实现自基准授时，到利用定位、导航与授时信息的平台分发来实现经济效益。定位、导航与授时多系统之系统体系结构的实施将可提供一种框架，用于实现陆军所有系统之间的高效性和弹性，而有保证的定位、导航与授时能力的部署，将为美军最重要的客户——士兵提供最佳的定位、导航与授时服务。