美国新一代导航系统发展现状与启示

● 文|中国电子信息产业发展研究院 张新征 张 力 李宏伟

近年来，美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO以及中国北斗卫星导航系统等全球导航卫星系统（GNSS）的重要性不断凸现，日益广泛地为军事、通信、海洋、交通、国土资源及大众消费市场提供高精度位置、定位和授时服务，特别是在军事应用领域，GPS系统已为美国的各类武器装备系统、高精度制导导弹提供精准导航位置信息服务。然而，对于依赖GNSS作为单一定位、导航与授时（PNT）信息源的用户而言，在导航卫星因故障、打击或电磁频谱干扰等条件或者在水下等所处位置难以接收卫星信号时，将可能面临致命的灾难，需要综合运用多种时空信息源的方式，确保各类武器装备平台及系统的生存和作战能力。

近期，为应对各种复杂环境下的作战需求，特别是卫星导航系统服务失效情形下，增强国防和军队定位、导航授时战术能力，美国积极探索发展各类综合导航位置信息服务综合解决方案。2018年1月，美国国防部在拉斯维加斯附近举行大规模红旗空中作战演习中，为了摆脱美国及盟国的空中武器装备对GPS系统的依赖，设置了“关闭”GPS，依靠无线电设备、惯性导航系统或者雷达导航等定位方式，开展打击任务的演习。

一、美国新一代导航系统建设的战略规划与进展

1.加强战略规划部署，增强复杂环境下服务的完备性

GPS系统是PNT体系的基础设施。为了解决美国高精度 PNT服务在可用性、可靠性面临着的潜在威胁，美国提出建设国家PNT体系，以GPS系统现代化为依托，以自主导航和各种可用导航信息源为补充，重点满足更高精度和完好性需求，增强物理遮蔽、电磁干扰等复杂环境下安全、可靠、实时的PNT能力。

在国家安全空间办公室（NSSO）主导下，美国国防部与运输部联合发布《国家PNT体系执行计划》（2010年），制定了2025年前国家PNT体系建设路线图，并对国防部相关下属机构及运输部、商务部和内政部等共31个联邦机构进行了任务分工。美国国防部系统在GPS的基础上，以自主导航、通信与PNT融合等为途径，满足未来对抗条件下的军用PNT需求；民用PNT管理机构在以GPS为首选方案并利用天基增强系统（WAAS）、地基增强系统提升服务性能的同时，部署和建立“增强型-罗兰”（e-LORAN）等GPS备份系统。

2.核心组件投资力度加大，主要项目通过实验室验证

DARPA微系统技术办公室（MTO）主导PNT核心组件技术、材料和制造工艺的研发，主要项目有微型定位导航与授时技术（Micro-PNT）、高稳定性原子钟（ACES） 等。Micro-PNT于2010年1月启动，主要是利用微机电系统（MEMS）技术来开发精度更高、稳定性更好的芯片级陀螺仪和时钟，主要合作伙伴有Qualtre和Honeywell Aerospace公司等。随着新增经费的投入，导航级的MEMS陀螺仪已经通过了实验室验证。高稳定性原子钟（ACES）于2016年启动，旨在取得抗精度衰减方面的突破，设计和制造出新一代超低功耗、超高稳定度的原子钟。ACES项目总预算达到5000万美元，计划分三个阶段实施，最终目标是将所有电子组件集成到50cm3的体积内，质量在100g以内。

3.系统级预研项目进展顺利，为装备开发和部署奠定基础

美国国防高级研究计划局（DARPA）战略技术办公室（STO）主导PNT系统级预研，主要项目有自适应导航系统（ANS）、对抗环境下的空间、时间与方向信息（STOIC）、精确鲁棒惯性制导弹药（PRIGM）等。ANS项目于2011年启动，主要研究冷原子干涉陀螺仪技术，开发可利用雷电等外部机会信号的导航校准新算法与软件结构，已先后完成了平台演示验证和端对端的演示验证，能够满足室内、“城市峡谷”、丛林、水下、地下等弱卫星信号环境及强对抗环境的PNT需求。其合作伙伴为Leidos公司、SRI公司和佐治亚理工学院等。STOIC系统于2015年春季开始，立足“量子辅助感知与读取”研究成果，开发稳健的远程参考信号源、漂移小于1ns/m的新型光学时钟和实现不同战术数据链之间的时钟精确转换，即将进入详细设计和样机系统开发阶段，合作伙伴包括Argon ST公 司、Leidos公 司、Draper实验室以及佛罗里达大学等。在Micro-PNT的基础上，PRIGM项目于2016财年启动，主要由诺格公司承担，计划投入1630万美元，应用微机电系统和集成光子技术，在GPS无法提供服务的情况下，提供弹药制导，以及在发射和飞行阶段的导航功能。

4.加速推进GPS全球合作，不断完善PNT产业生态

当前，美国政府采用全球合作的手段，完善GPS产业生态体系。在国家天基PNT执行委员会（EXCOM，由国防部、交通部、安全部、商务部等共同组成）中，成立GPS服务接口委员会和国际工作组及常设工作组，持续优化卫星导航应用的产业发展环境，不仅为3亿以上的民用和商业的全球用户提供搜索和救援服务，也服务于美国军队机关、美国海军气象天文台、美国国家地理空间情报局、美国国防信息系统局等国防和军队机构，此外主动开展国际合作，目前已与57个授权联合用户开展了25年以上的合作，与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO等全球卫星导航系统及日本、印度区域导航系统开展合作。

二、美国新一代PNT体系的特点与主要优势

1.加强军地部门协作，建立军民融合推进协调机制

卫星导航应用是典型的军民融合领域。美国政府高度重视军地部门在GPS卫星导航系统建设、运营和产业化中的作用，注重从顶层设计方面强化军民融合发展，积极建立运行机制，将GPS系统建设应用纳入到整个航天产业的范畴，统筹推进GPS的系统建设及应用。在2004年，美国成立直接向白宫负责的EXCOM。2018年2月，特朗普政府向国会提交的2019财年预算中，提出美国空军将积极引导优势民间力量和新兴民营企业参与GPS现代化计划，以便降低国防部财政预算。2018年3月，把价值6.4亿美元的合同分给了美国太空探索技术公司（SpaceX）和美国联合发射联盟（ULA），其中SpaceX获得了2.9亿美元的固定价格合同，将在2021年前利用猎鹰9号将三颗GPS卫星送入轨道，ULA获得了3.51亿美元的合同，使用宇宙神-5（Atlas V）火箭执行两次飞船发射任务。

2.采用开放式体系架构，将增强复杂环境适应性

美国制定了开放式PNT体系架构的“较大公分母策略”（GCDS），其核心思想是通过外部提供的、公共可用的方案，满足众多用户的核心需求；鼓励发展多机理技术，尽量采取可交互方案，以保证PNT的稳健性和对多样化资源的利用率；追求PNT与新兴通信技术的融合；促进跨机构协同和提升信息共享水平等。在国防部长办公室“PNT开放系统架构倡议”的框架下，美国陆军通信电子研发与工程中心（CERDEC）新兴技术办公室与空军理工学院（AFIT）联合开发以“蝎子”（Scorpion）软件为核心的即插即用传感器开放式架构，以实现对GPS、基于陀螺仪与加速度计的惯性测量单元（IMU）、视觉辅助导航设备，以及车载摄像头等原本不同用途传感器的集成与快速切换。作战人员能够根据实际拥有设备的不同，灵活选择相应传感器所提供的PNT信息，将显著增强对复杂电磁环境的适应性。

3.摆脱对GPS的依赖，将形成新的非对称信息优势

美军认为，除了能够干扰或摧毁GPS星座的电磁脉冲与反卫星武器外，针对GPS接收系统的低成本、低功耗干扰技术已呈全球扩散态势。实验表明，功率仅4W的GPS干扰机就能对145km外的机载GPS接收机造成干扰。研发GPS干扰对抗设备的美国Exelis公司称，只需25美元就可网购到能够屏蔽一辆汽车周围GPS信号的干扰机。美国在积极推动GPS保护（Protect）、强化（Toughen）和 增 强（Augment） 计 划（ 即PTA计划），确保采用立法、执法的方式，将卫星导航定位系统作为国家重要信息基础设施，用于惩罚对GPS系统的非法干扰的同时，汇聚多个政府部门、顶级大学和军工企业的力量，寻求GPS替代方案，谋求保证在GPS卫星出现故障、遭敌打击或干扰等情况下，依旧能提供稳健、可靠、高精度的PNT服务，形成新的军事信息系统非对称优势。

4.开辟PNT的新路径，将有效牵引颠覆性基础研究

PNT新路径的开辟，有效牵引量子信息科学等基础研究，促进微惯性导航、量子导航、脉冲星导航、自适应导航等技术不断成熟。美国国防部2013—2017年科技发展“五年计划”已将量子信息与控制技术列为未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一，重点投资精密导航、精确授时和安全量子网络等在国家安全领域的应用。2016年7月，美国国家科技委科学委员会和国土与国家安全委员会联合发布报告《推进量子信息科学发展：国家的挑战与机遇》，也把探测与计量列为量子信息科学影响最大的领域之首。