本文由國際電子戰(zhàn)(EW21cn)授權(quán)轉(zhuǎn)載，周家波編譯
在多樣化作戰(zhàn)環(huán)境下，從戰(zhàn)術(shù)車輛到GPS制導(dǎo)導(dǎo)彈，軍隊越來越依賴全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行精準(zhǔn)的定位、導(dǎo)航和授時（PNT）。
然而，軍事行動越來越多地在GPS信號拒止、不穩(wěn)定或者不易接收的地區(qū)進(jìn)行，軍隊使用GPS系統(tǒng)從戰(zhàn)略優(yōu)勢變成了易受攻擊的弱點。軍事行動在多種環(huán)境下進(jìn)行，比如樓房、城市峽谷、茂密的樹叢、水下和地下，GPS信號很微弱或者無法接收。此外，敵方通過干擾、欺騙和其他GPS拒止手段，可以很容易阻塞GPS信號通道。
因此，需要定位、導(dǎo)航和授時的替代手段。美國陸軍正在進(jìn)行“確定的 PNT”項目，探索原子鐘、平臺分配PNT和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的可能性。該項目副經(jīng)理Christopher Brown少校說，軍用GPS系統(tǒng)面臨的威脅正快速出現(xiàn)并升級——一種是從互聯(lián)網(wǎng)輕而易舉就可以買到的小型商業(yè)干擾裝置數(shù)量劇增，另一種是大型軍事反介入和區(qū)域拒止（A2/AD）能力。
“戰(zhàn)斧”Block IV巡航導(dǎo)彈是一種GPS使能的導(dǎo)彈，但又不僅僅依賴GPS進(jìn)行導(dǎo)航。它同時使用激光、雷達(dá)和先進(jìn)導(dǎo)引頭制導(dǎo)。
美國陸軍情報、電子戰(zhàn)和傳感器項目執(zhí)行辦公室PNT項目總監(jiān)Kevin Coggins說，GPS目前是美國陸軍定位、導(dǎo)航和授時的主要技術(shù)手段。美國陸軍將GPS接收機(jī)集成到大多數(shù)戰(zhàn)場技術(shù)系統(tǒng)里，例如Stryker、Nett Warrior、Rifleman Radio、M777 howitzer以及許多其他系統(tǒng)。這些系統(tǒng)不同程度地依賴PNT實現(xiàn)某方面的功能。因為技術(shù)威脅持續(xù)增加，研發(fā)美國陸軍信任的適應(yīng)性強(qiáng)的PNT能力是一種挑戰(zhàn)，這是“確定的 PNT”項目的初衷。
Brown少校說，“確定的 PNT”項目的目標(biāo)并不是不依賴GPS，美國陸軍考慮PNT是一種能力，GPS是提供這種能力的解決方案之一。
Brown少校說，“確定的 PNT”是一種魯棒的能力，可以提供一定層次的確定的接入和可信任度——這種能力水平必須被準(zhǔn)確界定、度量和測試。GPS是達(dá)成該目標(biāo)的工具之一，同時也包括其他的非GPS手段。
Brown少校說，“確定的 PNT”方法并不是僅僅包括類似硬件和軟件的裝備解決方案，也需要美國陸軍的體系架構(gòu)、訓(xùn)練、測試和作戰(zhàn)概念設(shè)計。
該倡議來源于一系列聯(lián)合分析，指出了“有權(quán)使用”PNT信息和PNT信息完整性的分歧，我們認(rèn)識到只有GPS不足以應(yīng)對所有情況。美國陸軍已經(jīng)設(shè)立領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)應(yīng)對 “確定的 PNT”項目面臨的挑戰(zhàn)。
美國陸軍宣布啟動PNT系統(tǒng)體系架構(gòu)（SoSA），是邁向適應(yīng)性PNT的里程碑事件。過去的12年中，美國陸軍花費了數(shù)十億美元，用于研發(fā)、制造、集成和維護(hù)GPS接收機(jī)，卻沒有一個指導(dǎo)性的體系架構(gòu)。Coggins在最近的文章中指出，PNT系統(tǒng)體系架構(gòu)是一個開放式的系統(tǒng)體系架構(gòu)，能夠十分靈活地適應(yīng)附加的能力，并不需要昂貴的系統(tǒng)或者平臺集成和認(rèn)證費用——一種體系架構(gòu)能夠為未來創(chuàng)新提供一個路徑。
Coggins說，該體系架構(gòu)包括PNT項目正在進(jìn)行研發(fā)的PNT中樞，它可以集成類似芯片級原子鐘這樣的新技術(shù)，即使沒有GPS信號，也可以利用銫原子穩(wěn)定的震蕩保持穩(wěn)定的時間。富有創(chuàng)造性的工程師們著手解決以確定定位和定時，通過一種負(fù)擔(dān)得起的途徑將這種技術(shù)嵌入到PNT系統(tǒng)體系架構(gòu)兼容的產(chǎn)品。
“確定的 PNT”項目和國防先進(jìn)GPS接收機(jī)（DAGR）分布式裝置（D3）項目并入PNT系統(tǒng)體系架構(gòu)。分布式裝置是國防先進(jìn)GPS接收機(jī)的替換功能，可替換平臺上的8個GPS裝置，并升級至M碼，這種新信號是軍用GPS的導(dǎo)航手段，用來增強(qiáng)保密和反干擾特性。PNT系統(tǒng)體系架構(gòu)也可用來提供負(fù)擔(dān)得起的M碼轉(zhuǎn)換途徑。
同時，美國國防部高級計劃研究局正在研究PNT的新途徑，例如一便士硬幣大小的慣性傳感器，脈沖激光器和追蹤閃電，能夠在GPS信號拒止的區(qū)域提供精確的位置信息。事實上，DARPA在GPS系統(tǒng)小型化技術(shù)方面進(jìn)行了早期投入，使得GPS設(shè)備如今無處不在，集成了從智能手機(jī)到精確彈藥在內(nèi)的眾多技術(shù)。
DARPA局長Arati Prabhakar說，位置、授時和定位就像氧氣一樣，是軍隊作戰(zhàn)的必需品?，F(xiàn)在我們正推行新的物理規(guī)則、新的裝置和新的運算法則，那樣我們的戰(zhàn)士和系統(tǒng)可以擺脫對GPS系統(tǒng)的依賴。
DARPA現(xiàn)有的PNT系統(tǒng)項目組合包括5個項目，全部或者部分運用了與PNT系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)。
可編程導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）項目正在開發(fā)新的運算法則和體系架構(gòu)，用于在不同平臺上快速安裝即插即用的PNT傳感器系統(tǒng)。DARPA目的是降低研發(fā)費用，將研發(fā)時間從數(shù)月縮短到數(shù)天?？删幊虒?dǎo)航系統(tǒng)項目致力于通過冷原子干涉測量制造更好的慣性制導(dǎo)裝置，冷原子干涉測量可以測量傳感器中原子云的相對加速度和旋轉(zhuǎn)。利用量子物理特性，研究人員希望制造更加精確的慣性制導(dǎo)裝置進(jìn)行授時和定位，這種裝置可以在不依賴外部數(shù)據(jù)輸入的情況下長期運行。
此外，可編程導(dǎo)航系統(tǒng)項目研究運用非導(dǎo)航電磁信號——包括商用衛(wèi)星、無線電和電視信號甚至是雷擊——提供附加的PNT手段。DARPA認(rèn)為，通過組合使用，這些多樣的信號源比GPS信號覆蓋范圍廣，信號強(qiáng)度也大，所以可以在沒有GPS信號和GPS信號衰弱的環(huán)境下提供位置信息。
目前，可編程導(dǎo)航系統(tǒng)項目處于第二階段，在不同平臺上進(jìn)行了子系統(tǒng)的戰(zhàn)場演示。2015財年，進(jìn)行了不依賴GPS的PNT系統(tǒng)端到端的系統(tǒng)演示。
“微型定位、導(dǎo)航與授時技術(shù)”（Micro-PNT）項目應(yīng)用了DARPA的小型化技術(shù)，該技術(shù)通過DARPA的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)已變成可能。微型PNT系統(tǒng)包含一組不同的研究計劃，共同致力于研發(fā)高穩(wěn)定和精確的芯片陀螺儀、計時器以及綜合集成的授時和慣性制導(dǎo)裝置。目前，DARPA研究人員以及研發(fā)了一個原型裝置，該裝置有3個陀螺儀，3個加速計和1個高精度的主時鐘，主時鐘易于安裝在一便士硬幣大小的芯片表面。
“量子輔助傳感和讀取”（QuASAR）項目計劃制造世界上最精確的原子鐘——目前還屬于實驗室階段——既穩(wěn)定又輕便。QuASAR項目研究人員已經(jīng)在實驗室研發(fā)了光學(xué)原子鐘，時間同步誤差50億年小于1秒。讓原子鐘變得精確輕便，可以對現(xiàn)有類似GPS的軍用系統(tǒng)加以改進(jìn)，也可用于改善新型雷達(dá)、激光雷達(dá)和計量應(yīng)用。
“超快激光科學(xué)與工程”（PULSE）項目采用了最新的脈沖激光技術(shù)，可以顯著改善原子鐘和微波源的精度和尺寸，遠(yuǎn)距離時可以進(jìn)行更精確的時間和頻率同步。
“對抗環(huán)境下的空間、時間和定位信息”（STOIC）項目致力于研發(fā)PNT系統(tǒng)，在對抗環(huán)境下，通過GPS水準(zhǔn)的時間控制，提供不依賴GPS的PNT系統(tǒng)。STOIC項目集成之后可能會提供不依賴GPS的全球PNT系統(tǒng)，它包括三個主要要素：穩(wěn)定的遠(yuǎn)程參考信號、超穩(wěn)定的戰(zhàn)術(shù)計時器以及為多個用戶提供PNT信息的多功能系統(tǒng)。
此外，DARPA宣布了一項與PNT系統(tǒng)相關(guān)的新計劃，該計劃稱為“高精度慣性制導(dǎo)武器：導(dǎo)航階段慣性測量裝置”。
PRIGM計劃面臨一項挑戰(zhàn)，即在沒有GPS信號的環(huán)境下，為低成本、小尺寸、重量輕、低功率的平臺提供精確的PNT信息，例如智能炸彈和制導(dǎo)武器。
雷聲導(dǎo)彈系統(tǒng)公司“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈高級項目經(jīng)理Chris Sprinkle說，我們公司與DARPA在精確導(dǎo)航方面合作了許多項目，因此始終十分關(guān)注該研究機(jī)構(gòu)的科研項目。
Sprinkle說，“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈是高精度GPS精確制導(dǎo)武器，已經(jīng)在戰(zhàn)場上使用了2000次，飛行測試了500多次。盡管“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈使用GPS，但是該武器系統(tǒng)早在GPS出現(xiàn)之前就有了?！皯?zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈（Block III）首次采用GPS制導(dǎo)精確攻擊目標(biāo)。2004年研制的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈（Block IV）采用了GPS制導(dǎo)，并且使用了雷聲公司的抗干擾GPS接收機(jī)AGER IV。雷聲公司的系統(tǒng)包括衛(wèi)星導(dǎo)航、激光制導(dǎo)、高分辨率雷達(dá)、先進(jìn)導(dǎo)引頭和其他技術(shù)。
Sprinkle說，我們依然強(qiáng)調(diào)有能力在GPS信號消失或者衰弱的情況下導(dǎo)航。我們充分利用GPS，但是如果沒有GPS信號，我們同樣可以精確打擊目標(biāo)。
[據(jù)防務(wù)系統(tǒng)2016年7月12日報道] 由于GPS信號容易受干擾或其他破壞，美國軍方一直在尋求GPS備份導(dǎo)航方式。美陸軍研究人員最新提出了一種導(dǎo)航方式——利用像眼睛一樣的先進(jìn)敏感相機(jī)幫助用戶確定目標(biāo)的相對運動。
美國陸軍通信電子研究開發(fā)與工程中心（CERDEC）采用可以捕捉微小運動的微型相機(jī)，使用戶可以追蹤到某一個人的相對位置或移動。這將作為GPS信號削弱時增強(qiáng)定位、導(dǎo)航與授時（PNT）信息的一種手段。
美國陸軍通信電子研究開發(fā)與工程中心PNT分部研發(fā)了一種視覺輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，裝有單目攝像機(jī)，可以捕捉旋轉(zhuǎn)和平移運動，但是不能捕捉縱向深度變化。此外，該系統(tǒng)還具有慣性測量單元組件，如陀螺儀、加速器和其它傳感器等，用以傳遞運動和方向數(shù)據(jù)。結(jié)合單目攝像機(jī)和慣性測量組件，該系統(tǒng)提供了類似人眼的立體視覺，用以識別距離和運動。
PNT分部工程師艾瑞克·比克福德說，“視覺輔助導(dǎo)航系統(tǒng)依靠對目標(biāo)快速幀速率拍照的相機(jī)，通過對比每一幀目標(biāo)的特征來判斷目標(biāo)相對運動的距離和方向?！?/p>
美國陸軍通信電子研發(fā)工程中心稱，該視覺輔助導(dǎo)航系統(tǒng)很有可能會在地面戰(zhàn)車中首次使用，一些研究人員已在高速公路上做了試驗，相機(jī)即便以高速行駛也能夠拍到看到的一切事物，包括汽車、信號標(biāo)志、樹。
目前許多商業(yè)機(jī)構(gòu)依然使用GPS，且極度依賴GPS獲取定位和導(dǎo)航信息。隨著電磁頻譜獲取越來越緊張以及對手技術(shù)能力的增強(qiáng)，美國軍方加快步伐尋求GPS備份導(dǎo)航方式。
美國陸軍通信電子研發(fā)工程中心計劃研發(fā)“偽衛(wèi)星”，這是一種能夠在只有小幾千英尺（幾百米）的低高度軌道運行的衛(wèi)星，信號會增強(qiáng)且不易被干擾。該中心還在研制“芯片級原子鐘”，用以對GPS接收端提供精確授時，且具有反欺騙功能。同時，美國國防先期研究計劃局（DARPA）“對抗性環(huán)境中的空間、時間和方位信息”（STOIC）項目，旨在開發(fā)能夠提供GPS同等性能導(dǎo)航質(zhì)量的PNT系統(tǒng)。
戰(zhàn)場上GPS有效性已顯著提升了士兵們的導(dǎo)航能力，但是GPS極易受干擾。根據(jù)美國陸軍士兵及地面平臺定位、導(dǎo)航、授時的需求，美國陸軍通信電子研發(fā)工程中心將通過資金和研發(fā)備份導(dǎo)航方案來支持PM PNT發(fā)展，這將會解決士兵不同戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的PNT挑戰(zhàn)。
（來源：國防科技信息網(wǎng)，作者：工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報研究所 李婕敏）
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