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美軍定位、導航與授時(PNT)新技術發展概況

時間:2019-11-05發布者:明日情報瀏覽次數:1451次

   導讀:今年8月,美國國防部(DoD)公開了其2018年11月的《國防部定位、導航和授時(PNT)整體戰略——確保美國軍隊PNT優勢》報告。該報告強調了4個方面:一是GPS可能會在全球受到干擾;二是接收機需要擁有多種不同的PNT源和模塊化開放系統;三是民間使用會阻礙軍方利用GPS取得軍事優勢的努力;四是國防部PNT正在增強保密努力,不與民間用戶共享。


   據美國交通部的定義,PNT(Positioning, Navigation and Timing)是三種不同功能的組合:

   定位(Positioning),是能夠參照標準大地測量系統(例如世界大地測量系統1984,或稱WGS84),以二維(或在需要時以三維)準確和精確地確定一個人的位置和方向;

導航(Navigation),是能夠確定當前和所需(相對或絕對)位置,并對航向、方向和速度進行修正,以實現在世界任何地方從地下到地面以及從地面到空間獲得所需位置;

   授時(Timing),是可以在世界上任何地方,在用戶定義的時效性參數范圍內,從標準(協調世界時,或稱UTC)獲取并保持準確和精確的時間。授時還包括時間轉移。

   2004年,美國總統簽署并頒布了《美國國家天基定位、導航與授時政策》(U.S. Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy),取代了1996年美國總統頒布的《美國全球定位系統政策》(U.S. Global Positioning System Policy),采用PNT概念取代GPS,標志著衛星導航系統進入以PNT為基本要素的新時代。2004年,成立“國家天基定位、導航和授時執行委員會”(National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing),其作為軍民聯合體從國家層面對GPS項目進行關注和指導,并直接向白宮匯報。天基PNT包括GPS、GPS增強系統和其他全球導航衛星系統(GNSS)。雖然“全球導航系統”(GPS)作為美國主要的天基PNT服務提供設施已在美國甚至全球擁有廣泛應用,但其固有的脆弱性正逐步影響著PNT服務的可用性和魯棒性。

   2010年,美國總統新版《國家太空政策》指令指出,“維護和增強天基定位、導航和計時系統。美國必須在全球導航衛星系統(GNSS)的服務,提供和使用方面保持領先地位。”因此,美國軍方和商業公司等正在努力開發驗證GPS新技術和PNT新技術。

一、導航技術衛星3/NTS-3

   2018年12月,美國空軍研究實驗室(AFRL)航天飛行器局向哈里斯公司(Harris Corp.)授予價值8040萬美元的NTS-3合同,其將使用諾斯羅普?格魯曼公司(Northrop Grumman)價值3000萬美元的ESPAStar平臺建造NTS-3。NTS-3(Navigation Technology Satellite-3,導航技術衛星-3)是美國空軍研究實驗室的一顆PNT試驗衛星,驗證如何使GPS星座為核心構建的軍用PNT體系架構更具彈性,預計將在2023年發射到地球同步靜止軌道(GEO)進行試驗驗證。NTS-3旨在測試新的硬件,包括可在軌重新編程的數字信號發生器,其可使操作員在遇到電子威脅時可快速部署新信號。NTS-3是美國軍方自NTS-2后40年來首次開展的衛星導航技術任務,尤其重點驗證分散式、彈性PNT能力。


NTS-3效果圖(AFRL)

   NTS-3的重量遠低于GPS-3,NTS-3重1250公斤,而洛克希德?馬丁航天系統公司生產的GPS-3重4400公斤。NTS-3有效載荷不同于GPS-3,其具有完全可在軌重新編程能力,采用L波段直接數字合成方法實現100%數字化。NTS-3還將配備先進的固態放大器和電子控制的相控陣天線,可使運營商控制波束并向需要的地方集中。哈里斯公司為NTS-3開發的可控相控陣天線可以對波束進行操控,是導航有效載荷的關鍵組成部分。相比之下,GPS-3的相控陣天線是衛星平臺的組成部分,不能主動操縱。NTS-3將整個信號生成和射頻鏈展示為一個集成的有效載荷,為未來的技術轉型和潛在的主要有效載荷展示了模塊化和可擴展性。

   NTS-3還將展示太空和地面的新戰術來推進天基PNT的發展。這些措施包括提高自動化程度、加大使用商業地面資源以及新的網絡安全程序。據預測,NTS-3將影響未來GPS-3升級,或者可能會構成一個全新的星座框架。從NTS-3獲得的技術驗證將為未來幾代GPS發展以及GPS星座增強的潛在方案提供技術支撐。

二、適應性導航系統/ANS

   為了解決軍隊在使用基于GPS的PNT服務時易受干擾和特殊環境無法訪問的挑戰,美國國防高級研究計劃局(DARPA)提出了“適應性導航系統”(Adaptable Navigation Systems,ANS)尋求向軍事用戶提供GPS質量的PNT,而不管其運行環境如何。

   ANS通過其“精密慣性導航系統”(Precision Inertial Navigation Systems,PINS)和“全源定位和導航”(All Source Positioning and Navigation,ASPN)的努力解決了3個基本挑戰:

 1)需要更少外部位置確定、更好的慣性測量單元(IMU);

 2)用于外部位置確定的GPS替代源;

 3)為特定任務的新型和非傳統傳感器快速重新配置導航系統的新算法和體系結構。

   作為DARPA正在開發具有導航級別或更高級別芯片級慣性傳感器的Micro-PNT項目補充,PINS正在開發一種使用冷原子干涉測量技術進行高精度導航而無需長時間依賴外部位置確定的慣性測量單元。原子干涉測量法涉及測量傳感器外殼內原子云的相對加速度和旋轉度,其精度可能遠高于當今最先進的慣性測量單元。

   即使是可持續(工作)長時間的慣性測量單元都需要最終的定位,因此ASPN正針對性開發使用機會信號的傳感器,這些機會信號是來自電視、廣播、手機信號塔和衛星,以及如閃電等自然現象的非導航信號。將不同的傳感器、地圖和其他組件集成和調整到導航系統中既昂貴又緩慢,因此需要針對平臺和特定任務的解決方案。為了應對這一集成挑戰,ASPN也在努力開發新的融合算法和即插即用處理體系結構,以在導航系統上快速集成和近實時重新配置或升級傳感器、慣性測量單元設備、地圖和數據庫。通過允許現有導航傳感器和新導航傳感器的靈活組合,ASPN尋求在各種平臺、環境和任務中改善導航系統的準確性、魯棒性和成本。


2019年6月6日公布的最新ASPN項目概覽(DARPA)

   DARPA官網顯示,ASPN已在空中、陸地和海上平臺上完成了多次現場演示。其中,該項目在2015財年的機載驗證中,進行了導航的快速配置/現場集成,使用了慣性測量單元(IMU)、地球觀測圖像、空速(計)、磁強計、雷達高度計等傳感器,實現了無GPS情況下保持約20米的定位精度。


ASPN項目2015財年機載驗證(DARPA)

三、對抗環境中的空間、時間和方向信息/STOIC


STOIC項目系統示意(DARPA)

   美國國防高級研究計劃局(DARPA)的“對抗環境中的空間、時間和方向信息”(Spatial, Temporal, and Orientation Information in Contested Environments,STOIC)項目旨在開發一種備用PNT系統,該系統可提供GPS級別性能而無需依賴GPS即可獲得更好的性能。STOIC包含3個技術領域(或功能),這些技術領域整合后將有可能提供獨立于GPS的全球PNT服務:

 1)使用甚低頻(VLF)信號的地面固定導航;

 2)基于DARPA的QuASAR項目開發技術的可部署光學時鐘;

 3)通過數據鏈路進行精確的時間傳輸和測距。

上述3個相對獨立的功能的要求或目標如下:

 1)甚低頻定位系統:全方位、穩健的參考信號提供GPS級精度

 2)超穩定的光學時鐘:堅固耐用的下一代高精度時鐘為關鍵應用維持GPS定時,一年以上無需與外部源同步;

 3)戰術數據鏈路上的精確時間傳輸:使用現有通信鏈路進行10納秒(基本要求)時間傳輸以保持相對定時;進行1皮秒(目標要求)時間傳輸以實現相干效果。


截至2019年6月6日的STOIC項目關鍵成就(DARPA)

上述3個獨立功能在目前試驗過程中達到的關鍵成就:

 1)甚低頻定位系統:兩個參試的結果顯示約450米定位誤差(無EIW補償),EIW預測提供約40米的范圍誤差,綜合結果支持該項目在海上約40米(精度)的(定位)應用;

 2)光學時鐘:生產激光等部分組件并配置組裝實驗室工作臺;

 3)戰術數據鏈路上的時間傳輸:平均誤差(<5納秒)滿足現有硬件的閾值度量。

四、可靠定位、導航和授時/A-PNT

美國陸軍在美國國防部指導下開展“可靠PNT”(Assured Positioning, Navigation and Timing,A-PNT)研究,于2017年成立“A-PNT跨職能團隊”(Assured Positioning, Navigation and Timing Cross-Functional Team,A-PNT CFT),并于2018年1月批準了A-PNT CFT的技術路線圖(the A-PNT CFT Roadmap)。

A-PNT CFT主要針對PNT、戰術空間和導航戰等3個方面,正在開展一系列研究、開發和測試工作,并連續2年(2018和2019年)在白沙靶場舉行PNT評估演習(PNT Assessment Exercise,PNTAX),最快預計2021財年形成初始作戰能力(IOC)。以下僅列舉其中公開發布的3個項目——“可拆卸可靠定位、導航和授時”、“安裝的可靠定位、導航和授時”/“抗干擾天線系統”和“偽衛星”。

“可拆卸可靠定位、導航和授時”(Dismounted A-PNT)將提供單一來源的A-PNT,以支持通信、命令和控制、后勤、瞄準和效果。它將替代“國防高級全球定位系統(GPS)接收器”和支持Nett Warrior Ensemble的商用GPS,并具有獨立功能。當其與Nett Warrior一起使用時,其還將優化功率以利用共享的便攜可穿戴電池。當天基PNT GPS可能受到限制或拒絕的情況下,“可拆卸A-PNT”將為陸軍的單兵用戶提供準確且可信的PNT信息。


可拆卸A-PNT示意圖(ARMY)

   “安裝的可靠定位、導航和授時”(the mounted A-PNT)/“抗干擾天線系統”(Anti-Jam Antenna System,AJAS)將是可擴展的、可升級的系統安裝平臺,適用于地面和無人飛行器。它將全球定位系統(GPS)與備用導航和授時技術融合在一起,為客戶平臺和系統提供可信的PNT。它可以將PNT數據直接和通過網絡分發到多個系統,而無需在單個平臺上使用多個GPS設備。預計AJAS將與已安裝的系統集成,以達到性能要求,并使已安裝的接收器能夠在面臨挑戰的環境中訪問GPS信號。“安裝的A-PNT/AJAS”將向陸軍安裝平臺提供準確可靠的PNT信息,以便在天基PNT GPS可能受到限制或拒絕的情況下繼續作戰/戰斗節奏。


史崔克步兵戰車上安裝的A-PNT數據分發概念(ARMY)

   “偽衛星”(Pseudolites)是類衛星發射器,可在電子或物理挑戰環境中使用大功率信號為地面和機載無線電導航提供類似于全球定位系統(GPS)的服務,以支持旅戰斗隊(Brigade Combat Team)的行動區域。偽衛星將提供可部署的機載配置,在挑戰性環境中提供類似GPS的服務,從而允許A-PNT支持的系統繼續運行。其廣播類似于GPS的信號,可以在無法訪問GPS衛星時補充或替代GPS衛星的信號。現有技術可以使可編程的接收器在干擾環境中確定位置、速度和時間。

偽衛星概念圖(ARMY)

五、彈性定位、導航和授時/RPNT

   彈性PNT(Resilient PNT,RPNT)是PNT技術與非傳統和新興技術的融合,旨在改善空中、陸地和海上關鍵任務應用的可靠性、性能和安全性。在即使數據精度、可用性和穩定性方面出現最小差異就可能導致任務失敗、生命損失或戰場劣勢,以及重大經濟損失的情況下,彈性PNT解決方案就派上用場了。


彈性PNT(Orolia)

   基于彈性PNT(RPNT)概念,美國Orolia公司基于“下一代銥星”(the Iridium Next)衛星星座提供“替代導航”(或稱AltNav)服務,該星座高達66顆的衛星分布在約800km的低地球軌道(LEO)。相比分布在約20000km中地球軌道(MEO)的GPS星座,其AltNav產生的信號比GPS強1000倍,能夠“深入室內”穿透,而且高度抗干擾和欺騙,并能精確到30~50米。AltNav服務基于該公司與Satelles合作在銥星星座上提供星基時間和位置服務的信號技術——STL(Satellite Time + Location),使用了重新設計的大功率尋呼信道,該技術與GNSS的簡要對比見下表。

表 GNSS與STL主要性能對比

   由于戰略原因,STL只能在一些特定的國家商用,盡管技術層面上是全球性的。此外,作為一種相對較新的信號,STL接收機還不如GNSS接收機容易獲得。目前,STL接收機只有模塊級的形式,但是STL的信號處理要求即使不簡單也與GNSS相似,因此人們期望STL接收最終將集成在許多低成本、低功耗、單片GNSS接收機里。


Orolia公司PNT解決方案(Orolia)

該公司基于PNT提供的解決方案包括:

   GPS和GNSS技術涵蓋了所有基于衛星的時間和定位信號,包括加密的軍用SAASM和M代碼接收機、GPS、Galileo、GLONASS、IRNSS和QZSS。內部時間和頻率設備制造,包括緊湊型的銣標準和符合太空的氫原子鐘標準。高功率、基于衛星的技術——STL(衛星時間和位置)可以穿透建筑物、障礙物并具有抗干擾能力,可以用作補充GPS和其他GNSS衛星信號的可靠機會信號。上述使每個應用更加準確、安全并且不易受到干擾和攻擊。

   BroadShield干擾和欺騙檢測系統使用超過75種經過驗證的檢測算法來檢測GPS信號和GPS頻譜中的干擾和欺騙。

   備用PNT信號和機會信號(Signals of Opportunity)接收器利用eLORAN等可用信號來增加維護準確PNT信息的可能性。漏洞測試系統可以評估依賴于GNSS信號系統的干擾和欺騙的影響。

   集成了各種慣性傳感器,包括基于MEMS和FOG的傳感器,這些傳感器在沒有GPS參考的情況下為位置和導航系統的提供了一定水平的獨立性能。強化產品可以擴展到惡劣的戰術操作環境中,并可抵抗網絡攻擊。更智能地使用整個PNT生態系統,包括功能豐富的GPS接收硬件和智能軟件技術,以及來自多個星座、多頻信號和增強系統的接收。

   2018年4月,Orolia公司旗下子公司McMurdo Inc.獲得了美國陸軍價值33986800美元的無限期交付/不確定數量(ID/IQ)合同,用于制造個人救援設備(Personnel Recovery Device,PRD)。該PRD是一種雙模式MIL-SPEC個人定位信標,它將被集成到陸軍的個人救援支持系統(Personnel Recovery Support System,PRSS)中。PRD易于在人員救援行動中使用,基于Orolia全新的、堅固的小型PNT平臺,專用于徒步士兵可靠PNT應用。

總結:

   當美軍逐步意識到單純依賴GPS等GNSS提供的天基PNT服務存在極大風險的情況下,不僅是在升級和增強GPS上下功夫,更是致力于開發更加彈性、可靠、開放和模塊化的PNT新技術。這些PNT新技術絕大多數不以GPS為核心,但并不完全獨立,而是在GPS無法到達的地下、水下、室內等特殊環境或在軍事對抗與電子干擾情況下成為備份PNT,彈性、可靠地向軍事用戶提供可信的PNT信息。

   然而,目前公開的部分在研PNT新技術雖有強度高、覆蓋廣等優點,但尚有精度不高、使用不便等問題,并且研發進展相對較慢,短期并不能真正推廣使用,甚至是形成初步作戰能力。但是,基于美國現今國家層面統一的PNT綜合體系和政策,必會將之前圍繞GPS開展的多種PNT技術與裝備并存卻無法統一使用的現象徹底結束,建立起一個彈性、可靠、互補、穩健的強大國家PNT體系架構,支持國家軍事、經濟和社會等。

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