美國陸軍PNT能力發展趨勢分析

眾所周知，GPS容易（yì）受到各類（lèi）幹擾和欺騙（piàn）的影響，且在一些有遮擋的區（qū）域，會發生（shēng）收不到GPS信號或信號較弱的現象，這導致（zhì）GPS難以滿足現代複雜戰場網絡電磁強對抗環（huán）境的應用需求。針對PNT係統的攻防（fáng），1997年美軍曾提出導航戰的概念，2017年美空軍又提出了授時戰的（de）概念。此外，電（diàn）子戰(含自適應電子戰（zhàn）、認知電子戰)、信息戰、網絡戰等概（gài）念也曾應用於 PNT 係統的（de）攻防（fáng）。

美國國防（fáng）高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)在PNT領域曾支持過微定位導航與授時(Micro-PNT)、對抗環境下的空間（jiān）時間和方向信息 (Spatial，Temporal，and Orientation Informationin Contested Environments，STOIC)、適應性導航係統 (Adaptable NavigationSystems，ANS)、深海定位導航係統(Positioning System for Deep Ocean Navigation，POSYDON)、超快激光科學（xué）與工程 (Programin Ultrafast Laser Scienceand Engineering，PULSE)、量子輔助（zhù）傳感與（yǔ）讀取 (Quantum-Assisted Sensing and Readout，QuASAR)等相關項目。在此基礎上，美國陸（lù）軍一直在研發可（kě）靠 PNT(A-PNT)技術，以滿足 GPS 拒止環境下高複雜（zá）性動態變化的環境要（yào）求。

2015年初，美國（guó）陸軍專門組建了PNT項目辦公室（shì），以推動從傳統 GPS 能（néng）力向（xiàng）A-PNT能力的快速轉型。

美國陸軍A-PNT項目包含4個子項目:1)基於地麵無線電導航係統的偽衛星項目;2)為車輛係統提供 PNT 項目;3)為單兵提供 PNT 項目;4)抗幹（gàn）擾的（de） PNT 天線項目。A-PNT 項目經理 Kevin Coggins在2017年5月（yuè）表示（shì）， A-PNT 項目可使陸軍進（jìn）入戰爭中（zhōng）的下一（yī）個導航級別，並將超越 GPS 的能力。

為提高未來美（měi）陸（lù）軍PNT能力，提供步兵和戰車等武器更加可靠和精確的PNT技術，美國陸軍進行了多項舉措，相應的技術發展將成為 GPS 的補充和備份。

1、偽衛星係統

由於 GPS 信號可能被友方或敵方的電磁信號或天然障礙降級或拒止，美國陸軍希望通過使（shǐ）用（yòng）地麵或近地麵（miàn）無線電發射機廣播類GPS信號，以此建立偽衛星係統，以支持和增強GPS信號，提高態勢（shì）感知能力，從而提高任（rèn）務指揮效率和效果。在GPS信號中度（dù）降級環境下，偽衛星係（xì）統有助於獲取GPS衛星信號;在嚴重降級環境下，偽衛星係統可用作定位和授時源。在GPS可用時，偽衛星（xīng）係統依靠 GPS 信號（hào）將獲得（dé）更為精準的位置、速度和時間(Position Velocityand Time，PVT)信息（xī）。美國（guó）陸軍希望偽衛星係統具有以下能力:

1)指揮和（hé）控製軟件具有分析（xī）能（néng）力，有助於偽衛星係統（tǒng）的定位;

2)指揮和控製數據鏈能與陸（lù）軍任務指揮係統相兼容;

3)可兼容抗幹（gàn）擾（rǎo） GPS天（tiān）線;

4)具有異形光束輸（shū）出天線;

5)具有共形天線;

6)具有分布式孔徑天線;

7)具備防篡改技術;

8)具有高效率、快（kuài）速響應的功率放大器;

9)能夠為天文導航設備提供備用位置源（yuán）;

10)可通過偽衛星（xīng）係統發送 GPS差分校正;

11)能為偽衛星係統提供精確授時的替代（dài）技術。

2、車輛導航（háng）係統

美國（guó）陸軍希望車輛導航係（xì）統在 GPS 受到（dào）幹擾或拒（jù）止（zhǐ）環境中，依然能夠為車輛提供PNT信息（xī），以提高戰場（chǎng）任務指揮和（hé）決策能力。具體要求如下（xià）:

1)車輛導航（háng）係統的設計應該是可配（pèi）置的，以平衡基本組件的最小化，從而平衡係統的總成本，與任務和作戰功能相匹配;

2)車輛導航係統的設計應（yīng）可允許升級到 GPS 軍用碼( M 碼（mǎ）);

3)車輛導航係（xì）統應該高度集成，使 SWaP-C 最小化;

4)車輛導航係統應該兼容網絡（luò）時間協議(Network Time Protocol，NTP)和精確時間協議(Precision Time Protocol，PTP)，並能夠利用車輛的輔助傳感器提高導航和授時能力。

3、慣性導航

美國陸軍希望持續推進慣性導航技（jì）術發展（zhǎn），改進單兵和車輛態勢（shì）感知能力，並提高戰場指揮官的任務指揮和決策能力。陸（lù）軍希望應用微機電係統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、機械、光學和（hé）原子等技術設計並開發出（chū）新型（xíng）陀螺儀和加速計傳感（gǎn）器，以滿足單兵和車輛平台（tái）的 SWaP-C 最（zuì）小化目標。此外，陸軍還希望開發傳感器自校準、速度更新和（hé）範（fàn）圍輔助等技術，以保證導航的長期性能。

4、定位

美國陸軍希望使用多種外部信息來確定位置信息，如GPS、多全球導航衛星（xīng）係統(Multi-GNSS)、無（wú）線電（diàn）導航、天文導航、地形匹配導航、機會信（xìn）號導航(Navigationvia Signals of Opportunity，NAVSOP)和無線電大氣信號導航等，以提高戰場（chǎng）任務指（zhǐ）揮（huī）和決策（cè）能力（lì）。陸軍希望（wàng）重點突破:

1)先進 GPS 接收機（jī）硬件，包括新（xīn）穎的射頻前端（duān）設計、與傳（chuán）統射頻相關器不（bú）同的配置（zhì）和（hé）設計、新型天線設計、軟件定義 GPS 接收器、實現 GPS 信號或 GPS 導航解決方案（àn）的完（wán）整性（xìng）監控等;

2)充（chōng）分利用 GNSS信號（hào），如允許標準 GPS 接收機跟（gēn）蹤非 GPS 信號（hào）的方法(如軟件（jiàn）修改 GPS 接收機用於跟蹤伽利略導航衛星信號);

3)利（lì）用（yòng）新興的（de）和計劃的未來信號，例如升級到M 碼信號，以及（jí）包括跟蹤和采集（jí）算法的（de）新型接收機架構。這些算法可減少首（shǒu）次定位時間 (Time To First Fix，TTFF)或提高（gāo）抗幹擾能力;

4)開發抗幹（gàn）擾 GPS 或 GNSS 天線，以及相關抗幹擾技術。

5、導航係統輔助傳感器

美國陸軍希望（wàng）開（kāi）發用於單兵和車輛平台的導航輔助技術，在有 GPS信號（hào）時，通過輔助傳感器提高 GPS的定位（wèi）精度;在無（wú） GPS信號時，能夠（gòu）保持較長一（yī）段時間（jiān）內與 GPS 相當的定位精度。陸軍認為這種輔助傳感器應該是無電磁輻射的，或是具有少量輻射的（de），或輻射是受控的;另外物理硬（yìng）件和軟件應該是模塊化的、易於嵌入的，且是可調可優化的，以適應各種軍事平台(如步兵、戰車和航空器)，從而保障未來係統的升級。 在陸軍通（tōng）用操作環境（jìng）(Common Operational Environment，COE)中，係統應能夠正常工作並遵循預期（qī）的（de）體係（xì）架構。陸軍對於軍事（shì）導（dǎo）航係統輔助傳感器（qì）的發展主要包（bāo）括（kuò）:

1)基於視覺的導航係統和技術（shù），包（bāo）括先進的計算機跟蹤、映射、特征（zhēng）識別（bié）和（hé）提取算法，光學鏡頭技術、照相機、微型固態材料及相應設備等;

2)基 於 光 探（tàn） 測 和（hé） 測 距 (Light Detectionand Ranging，LIDAR)或激光探測和測距（jù）(Laser Detectionand Ranging，LADAR)係統;

3)低功耗（hào）、窄（zhǎi）帶（dài）的無線電射頻測距係統（tǒng），以降低對臨（lín）近的無線電通信係統的幹擾;

4)速度傳感器、速度檢測器、磁（cí）強計和其他用於先進定位和（hé）導航技術的無源傳感器;

5)網絡（luò）輔助導航概念和係統。

6、導航傳感器融合

美國（guó）陸軍希望通過多種導航（háng）輔助傳感器(如照相（xiàng）機、磁強計、激光測距（jù）儀等（děng）)的信息（xī）融合，以提高車輛（liàng）和步兵的定位導航能力。陸軍希望導航傳感（gǎn）器融合發展主要包（bāo）括（kuò）以下幾個方麵:

1)開放式係統架構傳（chuán）感器融（róng）合設計應（yīng）該是通（tōng）用的、靈活的，便（biàn）於修改和定製（zhì），以（yǐ）滿足各種任務要求，並簡化多種新型和現有傳感（gǎn）器的接口和集成（chéng）;

2)即插即用係統架構需要滿足標準化軟件、電氣和（hé）機械（xiè）接口，以降低傳感（gǎn）器集（jí）成和配置複（fù）雜性，並降低開發（fā）時間和成本;

3)壓縮感知算法，使用建（jiàn）模和采樣等技術（shù），有效（xiào）地獲取和處理最佳傳感器（qì）數據，以提高定位導航精（jīng）度;

4)超定傳感（gǎn）器技（jì）術，融合和優化傳感器數（shù）據、功（gōng）能和應用，以（yǐ）提供魯棒的、準確（què）的導航解決方案;

5)人工（gōng）智能，通過自適應（yīng）感知環境變化，智能地融合（hé）各種傳感器數據，以增強傳（chuán）感（gǎn）器融（róng）合能力。

7、導航仿生技術（shù）

美國陸軍（jun1）係統希望（wàng）能夠受到生物學的啟發，應用仿（fǎng）生技術來提高 PNT 能力。主要包括以下幾個方麵:

1)研究脊椎（zhuī）動物（wù）和無脊（jǐ）椎動物物種(如箭蟻、鹵蟲蜂、候鳥、魚類等)，獲得仿生過程、模型（xíng）、係統和（hé）技術，用（yòng）於應對複雜任務和環境的 PNT 係統。陸軍（jun1）感興趣的（de）項目主要包括（kuò）應用於姿態、定（dìng）向（xiàng）和導航（háng）的、基於（yú）仿生過（guò）程的新型傳感器，以及應用於PNT 的仿生定製算（suàn）法;

2)仿生技（jì）術與傳統 PNT 和材料（liào）的融合;

3)通過應用生物啟發係統優化 PNT 係統的SWaP-C。

8、授時

美國陸軍希望（wàng）推進先進精確授時時鍾源和時間傳遞技術發展，主（zhǔ）要包（bāo）括以下（xià）幾個方麵（miàn）:

1)微型原子鍾、原子頻率標準、緊密耦合（hé）的 GPS 接收機/時鍾，該項主要考慮:①軍事規範相適（shì）應環境下的授時精度、長期和短期穩定性，以及低相（xiàng）位噪聲;②高精度時鍾，為（wéi）陸軍提供在 GPS拒止環境下的精準授時;③ 步兵、地麵/空中的有人/無人平（píng）台所涉及的SWaP-C優化（huà）;

2)保證授時準確性的（de）無線電傳送方式。

9、PNT建模與仿真（zhēn）(M&S)

建模（mó）與仿真（zhēn）應用於技術開發的各個階段，美國陸軍希望（wàng）突破以下幾個（gè）方（fāng）麵:

1)支持技術開發中的設計權衡;

2)對係統組件、係統、體係（xì）進行性能分（fèn）析;

3)在各種環境下，分析作戰任務中 PNT 的影響;

4)支持（chí）任務規劃和決策，同時了解 PNT 可用性、重要性和影響;

5)應用基於（yú）模型的係統工（gōng）程工具和實踐來支持 PNT 技術的開發。

10、導航戰(NAVWAR)技術應用

導航戰技術是指在不影響戰區外和平使用GPS/GNSS導航信息的同（tóng）時，使美國及其友方（fāng）能夠有效利（lì）用 GPS/GNSS 導航信息，並阻止敵方使用GPS/GNSS導航信息。美國陸軍希望通過導航戰來（lái）提高在戰場上（shàng）的反介入/區域拒止(A2AD)能力，主要包括以下幾個方麵:

1)GPS幹擾源的實時檢測、地理定位和特征（zhēng）描述技術;

2)GPS接收機欺（qī）騙、幹擾和攻擊的實時檢測，通（tōng）過偽信號或者重播等方法重新獲取（qǔ）優良（liáng）的 PNT 數據（jù）;

3)通過利用 GPS接收機和/或傳感器集成來進行態勢感知;

4)有選擇（zé）地拒止敵方使用 PNT 信息，同時保護中立和友軍的 PNT 信息。

11、自主與人工智能(AI)在PNT中的應（yīng）用

美（měi）國陸軍認為自主和人工智（zhì）能技術將為作戰（zhàn）人員提供（gòng）更為先進的作戰能力[26-30]，主要包括以下幾（jǐ）個方麵（miàn）:

1)利用人（rén）工智能技術可以增強傳感器融合，提高對環境變化的自適應（yīng）能力;

2)提（tí）高各（gè）種傳感器的智能融合能力;

3)利用人工智能提高士兵的態勢感知能力（lì）;

4)利用人工智能，使導航係統了解 GPS和其他傳感器（qì）的環境、路徑和實際測量結果，以改進 GPS 和其他傳感器的性能，提高導航精（jīng）度;

5)利用自主技術提供先進的（de）避障能力;

6)應（yīng）用自主和人工（gōng）智能技（jì）術（shù）提高自主導航定位速度;

7)應用自主和人工智能技術提高（gāo）傳感器的實時數據處（chù）理能力;

8)利用人工智能技術提高學習和自適應 PNT 的（de）能力，以對抗（kàng）敵方的威脅;

9)人工智能相關算法的開（kāi）發和應用（yòng），以提高整體 PNT 能（néng）力（lì）。