美军探索GPS导航拒止环境下的"替代式"导航技术

　  据C4ISR网站10月12日报道，美陆军正致力于研发可靠的“定位、导航与授时”（PNT）技术，以满足应对动态变化的威胁环境需求。伪卫星原型可为GPS拒止服务区域提供高功率信号，相关工作正在全面开展；陆军正在研发“体系架构”（SoSA），为“可靠PNT”(A-PNT) 解决方案的未来创新工作提供一个框架。

产生于军事目的，实际上军民两用的GPS卫星系统

　  长期以来，判别敌我位置一直是世界各国军队迫切渴求的能力。随着1957年苏联第一颗人造地球卫星（Sputnik-1）发射成功，人类的眼光又投向了天际。1958年，美国海军开始研制子午仪卫星定位系统，1960年开始发射卫星并于1964年正式投入使用。尽管这个为核潜艇开发的定位系统具有诸多弊端，但对比传统的定位方式而言已经是一场革命了。

　  针对上述不足，美国海军提出了“测时”（Timation）计划，试验了星载原子钟，为海军舰艇尤其是核潜艇提供低动态的2维定位服务；同期美国空军提出了621B计划，使用伪随机码为基础的测距原理，621B计划为空军提供高动态3维服务。1973年美国国防部将海空军的方案合二为一，建立国防导航卫星系统，这是现有GPS正式的源头。此后不久，国防导航卫星系统改名为Navstar，即授时和测距导航卫星或者说是全球定位系统，后来简称GPS。

　  GPS卫星导航系统是美国为军事目的开发，历时20多年，耗资200多亿美元建立起来的。1983年，时任美国总统里根建议GPS扩展到民用领域。在1991年的海湾战争中，美军的全球定位系统大显身手，为美军实施精确轰炸立下了赫赫战功，同时，这也刺激了它在商业领域的应用。

　  1993年，美国正式向全球民间用户免费开放其研发的全球定位系统，并承诺不会中断服务，甚至外国军队都可以使用它。但为了防范“某些国家”利用该系统威胁美国，全球定位系统对外国只提供低精度的卫星导航信号。一旦发生威胁自身安全的军事冲突，美国会马上切断卫星导航服务。

　  就目前而言，GPS已经是一个军民两用系统，提供两个等级的服务。随着GPS向民用开放，它所蕴藏的巨大商机被发掘出来。GPS不仅用于导弹、飞船的导航定位，更是广泛用于飞机、汽车、船舶的导航定位，公安、银行、医疗、消防等用它建立监控、报警、救援系统，企业用它建立现代物流管理系统，农业、林业、环保、资源调查、物理勘探、电信等都离不开导航定位，特别是随着卫星导航接收机的集成微型化，出现各种融通信、计算机、GPS于一体的个人信息终端，使卫星导航技术从专业应用走向大众应用，成为继通信、互联网之后的IT第三个新的增长点。

“天、地、用户”三大部分衔接而成GPS导航卫星结构体系

　  GPS卫星导航由三大部分构成：空间部分、地面控制系统和用户设备部分。其中：GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55°。此外，还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。

　  地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。用户设备部分即GPS 信号接收机，其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。

　  根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。

　  随着卫星导航技术的不断成熟与广泛应用，用户对GPS提出了更高的要求。军事用户要求GPS抗干扰能力更强，可实施安全可靠的高精度导航定位，并且不同类型的GPS用户应有不同的使用范围和权限；民用用户要求进一步提高导航定位精度，加强系统的完好性，扩大服务覆盖范围和改善服务的持续性。

　  于是，1999年1月25日，美国副总统提出实施GPS的现代化计划，通过对GPS卫星平台、卫星载荷和导航信号、地面设施、接收机等各个方面的技术改进，使GPS为美军赢得战争胜利提供更强有力的支持，并保持GPS在全球民用卫星导航领域中的主导地位。按计划，GPS星座的现代化分三个阶段进行：第一阶段，从2003年开始发射12颗改进型GPS IIR-M型卫星，进行星座的更新；第二阶段，从2005年底开始发射GPS IIF卫星；第三阶段，最初计划首颗GPS III卫星于2009年发射，2016-2017年完成满星座部署。

美军构建GPS拒止环境下的“定位、导航与授时”（PNT）能力

　  潜在对手对当前GPS能力的攻击日益复杂，部队需在GPS面临挑战的远程、高风险环境中作战，因此，“可靠PNT”对于所有军种而言都是必需能力。4月，美海军向工业界寻求创新方法，以改进未来导航套件，从而在GPS拒止环境中导航。此外，2月，美空军特种作战司令部战场空军办公室从罗克韦尔•柯林斯公司订购了远程安全接收器，以保护GPS系统免受不断增长的干扰和欺骗威胁。

　  “可靠PNT”包含四个子项目：伪卫星、下车PNT、乘车PNT和抗干扰天线。这些子项目分别处于不同的技术成熟度阶段。到目前为止，伪卫星是唯一进入技术成熟和风险降低（TMRR）阶段的项目，已授出竞争性的原型合同。伪卫星是可提供类似GPS信号的系统，这种信号可被传统军事GPS接收器使用。区域防护可通过部署伪卫星发射器来实现，支持旅级作战部队的作战区域。伪卫星子项目可使依赖PNT的系统持续作战，如蓝军跟踪系统、通信网络和精确制导弹药。

　  传统GPS接收器只需进行软件升级即可接收并处理伪卫星信号，无需购买其他硬件项目。伪卫星发射器可以部署在空中、地面的机动或固定平台上，也可以机动地穿过战场，抵达GPS干扰集中的特定区域。该发射器由不同部件组成，包括GPS抗干扰接收天线、惯性导航装置、信号发生器、功率放大器和发射天线等。除了发射器，伪卫星的组成还包括升级的接收器和指挥与控制部件，该部件可使军官评审态势感知数据，以在特定区域部署伪卫星，满足士兵需求。

　  根据6月举行的美国导航学会会议消息，美陆军通信电子、研究、发展与工程中心（CERDEC）先前已在白沙导弹靶场，研发并验证了伪卫星的效能以及接收器的软件升级，该项目达到了技术成熟度6。在技术成熟阶段，CERDEC正致力于解决波形因数、集成、频谱审批等问题，并推进伪卫星发射器特定部件工作。

　  陆军也在向工业界寻求帮助，以开发伪卫星解决方案。远程通信解决方案供应商数据通路公司已获得“全球先进战术通信系统”（GTACS）合同，以支持陆军“可靠PNT”伪卫星TMRR项目阶段工作。由于该工作的机密性，公司官员拒绝讨论合同细节。该合同将由数据通路及其前母公司罗克韦尔•柯林斯公司合作完成。

　  哈里斯公司也参与了伪卫星相关PNT技术的研发。公司发言人埃伦•米切尔表示，公司正致力于信号生成工作以及指挥与控制系统，以在未来控制美陆军伪卫星。哈里斯公司曾与无人机供应商合作研制全数字有效载荷，成功在无人机上进行飞行试验。

美军为PNT项目设计便于接纳新技术的体系架构（SoSA）

　  2015年年初，美陆军成立PNT项目办公室，该办公室隶属体系工程与集成理事会，项目经理直接向负责采办、后勤和技术（ASA/ALT）陆军副部长汇报，此举进一步强化了一体化方法。PNT项目经理凯文•科金斯表示，通过ASA/ALT部门管理项目，陆军可处理更加广泛的项目和PNT计划，并为未来十年将会发生的重大转变做出规划，包括从传统GPS能力过渡到“军事GPS用户设备”和“可靠PNT”能力。PNT项目在ASA/ALT投资组合内进行协调，并联合项目执行办公室和陆军项目经理共同开展工作，以确保陆军在PNT项目中集成企业化管理方法。

　  美陆军PNT“体系架构”（SoSA）工作目前正在进行当中。SoSA是一个开放式系统架构，具有足够的灵活性，可容纳额外的能力且不会提高系统或平台的集成与认证成本。根据科金斯，该框架有助于实现未来创新。

　  科金斯表示，目前，陆军PNT SoSA项目正致力于提供PNT接口标准和实施指南，用于陆军通用操作环境（COE）指挥所、乘车、移动/手持计算环境以及所有陆军采办项目。PNT SoSA项目还对“PNT跨领域能力”文件所指导的研发工作产生影响。

　  SoSA框架将包括“可靠PNT”项目下正在研发的PNT中枢，可实现“芯片级原子钟”等创新技术的集成。该原子钟可利用铯原子的稳定振荡来保持精确授时，即使在没有GPS的情况下也能确保功能。工程师采用创新方法来实现定位和授时，并以经济可承受的方式将这些技术嵌入到兼容PNT SoSA的产品中。

　  科金斯表示，PNT中枢是乘车PNT子项目的潜在产品，正在进行研究与发展活动，但尚未授出具体合同或交付成果。未来乘车PNT的解决方案将包含PNT SoSA特性，并补充陆军事业级的PNT方法。陆军仍处于先进PNT能力的评估与测试过程早期阶段。下车PNT、乘车PNT和抗干扰天线子项目都尚未通过成功的里程碑决策，这种里程碑决策可使项目过渡到TMRR阶段。伪卫星子项目已在5月进入TMRR阶段。

　  基于特定子项目的采办阶段，相关实验室测试和现场测试活动以及训练将在未来不同时间进行。科金斯表示，已进行了一些评估活动，可从中获知如何在未来测试、部署这些技术以及进行训练。最近对一些商业抗干扰天线进行了初步评估，并在进行结果分析。下车PNT原型的一些早期评估也已经完成。