2021年外军定位导航与授时领域发展综述

魏艳艳

(中国电子科技集团公司第二十研究所, 陕西 西安 710068)

0 引 言

2021年，“导航战”“抗干扰”和“可替代导航”成为定位导航与授时(PNT)领域的关注热点。美国针对2019年《定位导航与授时体系战略》提出的全球、区域和局域三层综合PNT体系应用构想，战略规划上积极布局，技术发展上不断创新，并持续开展应用试验，继续保持技术领先地位。同时，俄、欧等在发展自身卫星导航系统的基础上，积极推进可替代导航技术和抗干扰技术，以支撑其国家PNT体系发展和对抗。

1 以战略规划引领和强调导航战的发展布局

国家层面上，2021年1月，美白宫发布新版太空政策7号令——“天基定位导航授时政策”，在2004版的基础上纳入了导航战、网络安全、频谱应用以及使用国外天基PNT服务等相关规定，旨在保持美国在提供服务和负责任地使用包括全球定位系统(GPS)及国外系统在内的全球导航卫星系统上的领导地位[1]。7月，欧盟提出了“基于弹性天基PNT和卫星通信的导航战态势感知计划”，旨在通过精密测绘和威胁分析，实现竞争环境中的互操作性和弹性的军事卫星通信，提高欧盟导航战能力[2]。结合计划，欧盟防务基金项目发布了《陆基和空基导航战监视》征求书，对导航战未来的活动和功能需求进行了描述，并针对导航战相关技术进行研究[3]。

军种层面上，陆军方面，2021年3月，美国陆军通过了《导航战态势感知(NAVWAR-SA)能力发展简略文件》，为构建NAVWAR-SA能力提供了试验和快速原型设计途径。NAVWAR-SA可增强作战人员获取实时可靠PNT态势感知的能力，并支持部队远程精确火力和大规模地面作战行动[4]。8月，陆军发布的修订版《陆军电子战和网络空间战》中明确指出，态势感知、A-PNT和导航战攻击是成功实施导航战的有效方式，导航战能力可有效支持陆军多域作战[5]。太空军方面，美国太空军于6月发布新版“联合导航战中心”文件，明确了“联合导航战中心”在太空军的地位和三项职责，包括建立PNT优势并提供导航战信息；获取PNT优势以及实现PNT优势制度化[6]。

技术发展层面上，2021年5月10日，美国政府问责局(GAO)发布《国防导航能力技术评估》报告，针对GPS面临的潜在故障、敌方施加的干扰欺骗的风险，对可替代PNT技术的发展、集成、挑战等方面进行了全面评估，并对该项技术面临的挑战提出了建议。报告指出，决策者“可以选用最具弹性的PNT技术作为军事应用的基石，而不是以GPS作为首选应用。[7]”

2 全球卫星导航技术部署日趋完善，并推动装备应用和可替代导航技术发展

从全球卫星导航技术发展来看，美国着重发展基于M码的GPS可信PNT信息传输，为此完成了GPS卫星的全运行能力部署，并同步开展了M码用户设备的部署和应用；俄罗斯和欧洲则以现有卫星系统的升级为基础，并开展可替代导航技术和设备的应用和部署。

(1)美国完善基于M码的GPS卫星的部署和用户段设备应用

空间段上，2021年6月17日，第五颗GPS III卫星成功发射，标志着美军24颗全运行能力的M码卫星部署完毕，具备全M码信号广播能力。地面段上，目前正在进行相关升级工作，尚不具备完全控制在轨M码卫星的能力。用户段上，1月，美国问责局发布《GPS现代化——美国防部持续发展新型抗干扰能力》报告，对M码用户设备现状及存在问题进行了梳理，并明确了后续研制工作，预计将于2028年前投入全面应用[8]。在M码装备研制方面，5月和11月，BAE系统公司先后从美国国防后勤局获得总价值6.41亿美元的先进M码通用GPS模块(CGM)生产合同，在竞争环境下为地面部队、车辆、飞机和精确制导弹药提供可靠安全的PNT数据。9月，柯林斯航空航天公司发布了全球首款M码军用水下导航系统(MUNS-M)，可为作战人员在执行危险、复杂的水下任务时提供精确定位和安全抗干扰能力。在用户段应用方面，5月，美国陆军授予诺斯罗普·格鲁曼公司一份价值1.677亿美元的合同，通过更换GPS精确制导套件大幅提高老旧炮弹打击能力，填补GPS制导智能弹药的空白。

6月，“导航技术卫星”-3(NTS-3)项目首颗卫星平台正式交付，进入卫星集成阶段，达到项目研制关键节点。NTS-3是美军时隔40年再次开展的导航卫星技术试验项目，计划研制一套包括地面段、控制段和用户段在内的完整的卫星导航系统。NTS-3卫星涉及区域覆盖可控波束、基于在轨更新的可重编程软件定义的有效载荷等先进技术，有望提高GPS IIIF卫星的能力。

(2)俄罗斯计划部署新一代GLONASS-K2卫星，同时推进GLONASS替代卫星系统的研制

2021年9月，俄罗斯第一颗GLONASS-K2卫星制造完毕，并计划发射入轨。新的GLONASS-K2卫星将发射9个导航信号，在所有GLONASS频段(L1、L2和L3)同时广播频分多址(FDMA)信号和码分多址(CDMA)信号，并将有效提高北极地区导航精度。9月，俄罗斯推进“领事”定位系统的研制工作，主要目标是弥补现有系统抗干扰能力低、在城市峡谷和其他恶劣条件下不可用等弱点[9]。

(3)欧洲启动第二代Galileo卫星评估工作和未来卫星关键技术的验证工作

2021年8月，空客防务与航天公司和泰利斯阿莱尼亚航天公司使用其新型Galileo导航有效载荷试验平台(GPLTB)对第二代Galileo卫星(G2)的导航有效载荷进行了评估，验证了相关设计理念，并进行技术问题预测和性能评估，以提高第二代卫星导航有效载荷的生产效率。

2021年2月，德国航空航天中心和空客公司签署了一份价值1 680万欧元的合同，首次对“开普勒”卫星系统的光钟进行在轨验证。“开普勒”系统是基于德国通信导航研究所2014年光学通信模型设计发展，将发射新的低轨道地球卫星(LEO)，采用一个地面站和多个时间同步系统，应用先进的星间光学通信、精确定轨以及光学原子钟技术，构建面向未来的新型卫星导航系统。其代表了欧洲Galileo系统的一个发展方向。

3 发展多种导航源技术，完善全源定位导航系统架构

从区域/局域导航技术发展来看，美国着眼于多个独立导航源的协同共用，开展全源定位导航架构研究和部署应用；并针对大范围导航定位的作战需求，推进陆基远程导航技术和陆基超远程导航技术的应用发展，补充卫星导航信号弱的短板。

(1)全源定位导航技术

美国空军成功开展全源定位导航技术和“敏捷吊舱”集成试验。2021年4月，美国空军在科罗拉多州森特尼尔空军基地成功完成“敏捷吊舱”在GPS拒止环境下与基于“机会信号”的全源定位导航技术(ASPN)的集成飞行试验，并完成了与T-38喷气式飞机的适配性测试。11月1日—10日，美国空军完成了“PNT敏捷吊舱”原型系统飞行试验，实现了三项重要试验目标：首次高动态范围平台集成试验、基于全远程接口及可替代PNT数据传输以及基于陆上/水上能力转换演示。美国空军拟通过基于开放软件体系架构的“敏捷吊舱”与视觉导航、机会信号和磁异常导航等PNT技术的集成飞行试验，探索GPS拒止环境下的新型精确导航和授时理念及其应用。这几次试验表明，集成ASPN技术的“敏捷吊舱”以“即插即用”方式集成各类传感器，将大幅提高导航系统的环境适用性和可靠性，支撑空军对鲁棒PNT和导航战、以及基于弹性无人机系统导航的空战指挥的需求。

(2)陆基远程导航技术

美国持续开展增强罗兰导航系统的应用研究。据“2021联合导航会议”资料显示，美国海军资助五月花公司开发APEL系统，该系统是一种基于eLoran的可替代PNT系统(APEL)。该系统集成了惯性测量单元(IMU)、芯片级原子钟(CSAC)、军用GPS接收机和eLoran接收机，可在GPS受到干扰和欺骗时提供可靠和准确的PNT服务。目前测试结果表明，APEL系统能够通过eLoran接收机提供的精确时间完成M码的直捕。

12月，基于降低对易受干扰的天基信号的依赖，UrsaNav公司通过将eLoran技术与Locata公司的高精度局域locata技术相结合，联合设计了一种可靠的弹性PNT解决方案。eLoran提供纳秒级授时、米级定位和短消息服务；Locata提供厘米级定位和皮秒级授时服务。后续将结合应用相关技术，开发弹性、可控、灵活的国家级陆基定位和授时系统，以满足远距骨干网和局域高精度关键基础设施的需求。

(3)陆基超远程导航技术

美国海军发布甚低频导航定位技术征集提案。2021年1月，美国海军部通过小企业研究计划为“采用甚低频信号的导航定位源”征集提案，寻求推动甚低频导航技术的成熟创新技术，以支持美国海军舰载平台的导航弹性。该项技术是基于“竞争环境中的空间、时间和方位信息(STOIC)”项目的研究成果，聚焦两项研究主题：处理甚低频信号的改进型接收机和信号提取算法。潜在应用领域包括采矿、航空、勘探、农业、海洋和娱乐等商业领域的导航和定位，以及包括水面、潜艇和空中导航在内的多种军用海上任务[10]。

4 开展多种导航新技术研究以补足PNT体系短板

针对卫星导航的短板，通过低轨卫星技术、智能数据处理技术和极地导航技术等专项研究，对卫星导航的功能和服务进行补充，不断完善PNT体系。

(1)美国DARPA开展基于软件定义的PNT载荷的研发工作

2021年9月，DARPA基于“黑杰克”项目启动了基于软件定义的PNT载荷的第二阶段研发工作。拟开发的PNT载荷将采用诺斯罗普·格鲁曼公司的可重构GNSS嵌入架构的导航与授时软件，在不依赖现有卫星导航系统的情况下，为军事用户提供低轨卫星的灵活信号。

(2)美国空军启动基于人工智能的认知定位导航与授时原型系统的研制工作

2021年9月，美空军向KBR公司授出“隐形与认知敏捷导航系统”(SCANS)项目合同，旨在设计一种基于GPS拒止环境的先进可替代的PNT原型系统，基于人工智能、机器学习和新一代认知计算技术，利用惯性导航陀螺仪和航位推算来设计新型实时导航方法，并通过关键PNT自动化处理提高处理速度以实现精确授时。该项目将支持如专家系统、神经网络、机器人和认知电子战系统等认知应用。

(3)美国海军和陆军资助用于北极的可替代导航技术研究

2021年9月，美国全球海军研究办公室与陆军发展司令部共同主办了第二届年度Global-X挑战赛，以解决GPS在高纬度地区(极地)的定位问题。日本、英国、美国和芬兰组成研究团队，创新性地使用μ介子辐射源取代GPS卫星信号，展示一种与GPS精度相当、用于北极的可替代导航系统的概念验证。

5 以导航战概念为核心，开展基于联合作战的系统作战试验以及装备验证试验

系统级作战试验方面，美、俄等国基于导航战和体系对抗思想，通过现有导航设备参与系统作战试验和演习，以干扰和抗干扰技术的应用为实施途径，为联合作战提供PNT服务支撑；在装备级作战试验方面，美、英等国针对军种具体的作战任务，开展基于PNT可信信息传输和应用的多层次试验，验证了不同平台的装备应用能力。

(1)系统级作战试验

1)美军组织GPS综合试验和干扰试验。据收集资料显示，美军于2021年全年进行了GPS综合试验、GPS干扰试验计35次，涉及美国国防部、陆军、海军、空军、海军陆战队、太空军(包括联合导航战中心)。试验基地包括白沙导弹靶场，内华达州试验和训练场，海军军港，空军和陆军航空兵军用机场，另外还有第四航母打击群组织的两次离岸试验。主要科目包括接口适配、编队相对定位、空海平台定位信息传输、设备干扰和抗干扰技术应用、备份GPS源应用等。针对系统测试和设计，通过在军事演习期间创造模拟实战环境，美国国防部和相关各军兵种近些年已经多次组织实施GPS干扰试验，以验证其平台在GPS受干扰环境下导航定位和使用武器装备的能力。

2)俄军组织卫星导航信息支持能力和干扰能力演习。2021年9月10日—16日，俄罗斯和白俄罗斯武装部队进行了2021年度Zapad大规模军事演习，并在演习中对相关导航支持和干扰能力进行了演练。9月11日，俄罗斯西部军区的侦察部队在穆里诺训练基地针对敌方模拟目标演练无人机空中连续侦察以及GLONASS卫星的持续定位任务，以支持和掩护火力部队。9月16日，波罗的海舰队第841电子战中心进行了电子战演习，以干扰敌人的导航和无线电通信，对抗竞争对手可能实施的导航战行动。从本次实验可以看出，俄罗斯已经充分具备利用卫星信息进行战场支持和保障的能力，并针对竞争对手有了较为完备的干扰策略和有效的作战方式[11]。

(2)装备级作战试验

1)美国陆军完成A-PNT系统的装备测试。2021年9月，美国陆军完成了“车下A-PNT”系统(DAPS)执行侦察和火力任务的能力和适应性实战测试。DAPS可帮助作战人员在GPS性能降级环境中实施射击、机动和通信，并作为M码GPS合规性战略的组成部分，支撑“PNT体系架构(PNTA)A-PNT地面作战域”形成作战能力。10月，美国陆军第4步兵师第1斯特瑞特旅战斗队在“2021年度PNT评估演习”(PNTAX 21)中测试了下一代“车载A-PNT”系统(MAPS)，验证了作战人员能够在GPS竞争环境中保持位置完好性和授时能力。新型MAPS将集成到陆军轮式和履带式平台上，可支持指挥控制并有效缓解电子战攻击[12]。

2)美国海军和海军陆战队完成联合精密进近着舰/着陆系统作战试验。2021年5月，美国海军宣布“联合精密进近着舰系统”(JPALS)在全天候和海面条件的作战试验中，成功引导固定翼战术舰载机在航空母舰和两栖攻击舰上实现精密进近和着舰，已具备初始作战能力。JPALS将为舰载F-35C提供全天候精确导航进近和着舰能力，未来还将用于MQ-25A“黄貂鱼”舰载无人机。7月，美国雷声公司在尤马海军陆战队航空站进行“远征联合精密进近和着陆系统”(eJPALS)的能力验证试验，对装备eJPALS的飞机进行了直线进近、垂直着陆、远距离着陆等测试试验。eJPALS可为包括F-35在内的适装机型提供辅助着陆服务。鉴于未来海上作战任务日趋复杂，JPALS具备的高效精确的着舰/着陆能力将满足未来舰载机、无人机在苛刻条件下的着舰/着陆需求。

3)美国海军陆战队完成基于联合轻型战术车的GPS M码测试。2021年8月—9月，美国海军信息战中心大西洋分部在白沙导弹靶场对海军陆战队联合轻型战术车(JLTV)多个车载M码接收机板卡性能进行了用户评估(FUE)试验。本次试验在JLTV上安装和集成了所有关键设备和技术，验证了M码板卡生成的信息以及受限环境中PNT服务的可靠性。

4)英国陆军完成“轻龙骑兵”A-PNT技术抗干扰试验。2021年5月，英国陆军“轻龙骑兵”对A-PNT进行测试，以验证陆军轻骑兵团在电子战环境中的抗干扰能力。测试结果显示，GPS抗干扰天线成功抵御了GPS L1和L2以及Galileo E1频率的干扰，对车载定位系统提供了保护。

6 结 语

从2021年PNT领域的发展状况来看，美国按照全球、区域和局域三层级综合PNT体系应用构想，重视战略规划引领和强调导航战发展布局；发展卫星导航系统、区域/局域导航系统和应用完善PNT体系；并基于军种任务和体系短板，进行多层次多手段的技术应用；同时基于导航战体系对抗的实施，开展基于联合作战的系统作战试验以及装备验证试验，使得基于PNT体系的导航战框架和应用逐步实现。俄、欧等竞争对手则以完善系统体系和应用为主，开展相关可替代技术研究，实现体系对抗层面的适应性发展。