● 文| 北方科技信息研究所 于洋

美國陸軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)發(fā)展分析

● 文| 北方科技信息研究所 于洋

GPS是美國陸軍定位導(dǎo)航與授時的能力基石，已經(jīng)裝備到“斯特賴克”戰(zhàn)車、“奈特勇士”系統(tǒng)、“步兵”無線電臺和M777榴彈炮等各類作戰(zhàn)單元。隨著GPS易被干擾、受地形限制等自身缺陷和戰(zhàn)場電子對抗激烈程度的不斷加劇，美國陸軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)的優(yōu)勢受到挑戰(zhàn)，促使國防部和陸軍開始發(fā)展更靈活和先進的定位導(dǎo)航與授時系統(tǒng)。

一、從頂層明確陸軍定位導(dǎo)航與授時的能力需求

美國國防部2010年出臺《國家定位導(dǎo)航與授時體系執(zhí)行計劃》，隨后陸軍基于該計劃出臺《定位導(dǎo)航與授時核心能力需求》，并于2013年發(fā)布《戰(zhàn)術(shù)可靠GPS區(qū)域性能力替代方案分析》，明確了陸軍在戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的定位導(dǎo)航與授時能力需求，潛在的技術(shù)和系統(tǒng)解決方案，以及不同的系統(tǒng)、作戰(zhàn)平臺和各級作戰(zhàn)梯隊在GPS失效環(huán)境中的可用替代技術(shù)與集成方案，并將實現(xiàn)“可靠定位導(dǎo)航與授時”能力作為最終目標(biāo)。美國陸軍計劃通過近期（2015-2017財年）和遠期（2017-2025財年）兩個階段，通過制定定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)體系，基于開放式的構(gòu)架和先進的技術(shù)，減少系統(tǒng)終端的種類和數(shù)量，實現(xiàn)以平臺為中心、以M碼GPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)的分布式可靠定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)。

二、美國陸軍定位導(dǎo)航與授時能力發(fā)展的核心內(nèi)容

美國陸軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)仍將GPS系統(tǒng)作為核心能力和基礎(chǔ)，在加強GPS信號強度、抗干擾能力的同時，以陸地導(dǎo)航、混合導(dǎo)航和自動導(dǎo)航技術(shù)彌補GPS的能力缺陷，并利用各類數(shù)據(jù)鏈、戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi等信息技術(shù)作為定位導(dǎo)航與授時信息的傳輸途徑，增加電子對抗的“魯棒性”，在兼顧尺寸、重量、成本、功耗的前提下，以推動創(chuàng)新，維持技術(shù)優(yōu)勢為主要目的，發(fā)展綜合定位導(dǎo)航與授時技術(shù)。

1.制定總體發(fā)展框架，提高靈活性和創(chuàng)新力

為了保證定位導(dǎo)航與授時技術(shù)的創(chuàng)新能力和優(yōu)勢地位，美國陸軍提出了定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)方案和“IT盒”概念。過去，陸軍在沒有總體方案指導(dǎo)下斥資數(shù)十億美元開發(fā)、采購了各種各樣的GPS接收機，性能、接口、種類和軟硬件沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為整合和維護帶來了挑戰(zhàn)。定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)是開放式體系結(jié)構(gòu)，靈活性高，能在不影響作戰(zhàn)平臺集成度、接口類型、作戰(zhàn)能力和成本的前提下，以硬件和軟件插入的形式，靈活兼容最新技術(shù)和產(chǎn)品。例如，美國陸軍在該構(gòu)架下應(yīng)用的定位導(dǎo)航與授時控制中樞（PNT Hub），能夠通過軟件和硬件的不同配置，無縫控制定位導(dǎo)航與授時信號的安全等級（共分4級），并能集成芯片級原子鐘（利用銫原子的穩(wěn)定振蕩來確保精確計時）等創(chuàng)新性技術(shù)。未來，陸軍將繼續(xù)以更靈活的方式，為定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)構(gòu)架中的系列產(chǎn)品集成最新的定位與授時技術(shù)方案。

2.減少終端數(shù)量，增加作戰(zhàn)效能

目前，美國陸軍地面車輛裝備的很多電子設(shè)備與系統(tǒng)都自帶定位導(dǎo)航與授時終端。例如，美國陸軍“斯特賴克”戰(zhàn)車裝備的21世紀(jì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮/藍軍跟蹤系統(tǒng)、AN/PRC-155 HMS便攜式無線電臺等都自帶導(dǎo)航定位終端，使車輛最多能同時擁有8個GPS接收機，以及相應(yīng)的8根天線和加密設(shè)備，導(dǎo)致功能冗余，系統(tǒng)復(fù)雜，工作負荷高，增加了車內(nèi)電纜的數(shù)量和重量，并且難以管理。為此，陸軍計劃以“斯特賴克”戰(zhàn)車為樣板，基于VICTORY車電架構(gòu)和未來的“機載能力環(huán)境”，為作戰(zhàn)平臺的不同電子系統(tǒng)終端提供對應(yīng)的導(dǎo)航定位信息，實現(xiàn)平臺的分布式定位導(dǎo)航與授時能力，從而能用一根自適應(yīng)抗干擾天線替換車輛的所有天線系統(tǒng)，并將研究成果逐漸應(yīng)用到其他平臺。

3.以M碼GPS系統(tǒng)為能力基礎(chǔ)

M碼（軍碼）GPS目前正處于技術(shù)發(fā)展和風(fēng)險規(guī)避階段，比現(xiàn)有的P（Y）碼信號具備更高的定位精度、信號功率和新的信號結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強。美國法典規(guī)定：除非國防部長批準(zhǔn)，否則軍方自2017財年后不能采購不具備M碼功能的GPS接收機。2013年5月1日生效的美軍參謀長聯(lián)席會議第6130.01E號指令“定位導(dǎo)航與授時控制計劃”規(guī)定：第24顆M碼GPS衛(wèi)星按計劃在2018-2020年投入使用后，軍方全部使用具備M碼功能的GPS終端。但是，要充分發(fā)揮M碼的優(yōu)勢，必須為所有作戰(zhàn)單位統(tǒng)一增加M碼模塊，而美國陸軍目前尚未建立完善的定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)構(gòu)架，單兵、各類平臺和裝備系統(tǒng)中充斥著數(shù)量龐大的GPS接收機，為這些終端更換M碼模塊需要消耗大量經(jīng)費和時間。因此，定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)是實現(xiàn)M碼GPS系統(tǒng)經(jīng)濟可承受的唯一途徑。

三、陸軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，美國陸軍正在通過可靠定位導(dǎo)航與授時項目和國防高級GPS接收機分布式裝置項目，研究原子鐘、平臺分布定位導(dǎo)航與授時、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)。這些技術(shù)雖然將非GPS技術(shù)作為重點，但并不是完全獨立于GPS，而是將其納入其中，共同形成一種可靠的綜合解決方案。此外，陸軍的項目不僅涉及硬件和軟件，還包括陸軍體系構(gòu)架、培訓(xùn)、測試和作戰(zhàn)概念驗證。同時，國防高級研究計劃局也在探索新的精確定位導(dǎo)航與授時技術(shù)，并為新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

1.陸軍重在為定位導(dǎo)航與授時系統(tǒng)“瘦身”

國防高級GPS接收機分布式裝置項目是國防高級GPS接收機的功能替換裝置，可替換各類平臺上的冗余GPS裝置，并升級至M碼。2015年，美國陸軍的定位導(dǎo)航與授時技術(shù)研發(fā)項目進入關(guān)鍵時期。陸軍將在G-6、陸軍訓(xùn)練與條令司令部等部門的支持下，基于“通用操作環(huán)境”中各類計算環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)有的定位導(dǎo)航與授時技術(shù)研發(fā)項目進行評估，并作為2016財年項目后續(xù)決策制定的重要依據(jù)。

2.國防高級研究計劃局將提供更先進的解決方案

美國國防高級研究計劃局已經(jīng)啟動了很多項目研究新的定位導(dǎo)航與授時技術(shù)，其中的自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)項目、定位導(dǎo)航與授時微技術(shù)項目和量子輔助感知與讀出項目，都具備應(yīng)用于陸軍定位導(dǎo)航與授時多系統(tǒng)之系統(tǒng)架構(gòu)中的潛力。這些項目將開發(fā)新的算法實現(xiàn)定位導(dǎo)航與授時傳感器在各類平臺的“即插即用”能力，新的高穩(wěn)定和精確的芯片級陀螺儀、時鐘，并提高原子鐘的堅固耐用性，增強GPS等現(xiàn)有系統(tǒng)的性能。

此外，國防高級研究計劃局新啟動了導(dǎo)引頭低成本轉(zhuǎn)變項目，為智能彈藥和制導(dǎo)彈藥等低成本、尺寸小、輕量化、低功耗平臺提供GPS對抗環(huán)境下的“魯棒”精確定位導(dǎo)航與授時技術(shù)，并進一步減小彈藥尺寸。項目研發(fā)的新導(dǎo)引頭將融合被動捷聯(lián)電光/紅外傳感器、GPS接收機、慣性測量組件以及為未來升級潛力預(yù)留的各類接口；具有寬/窄兩種視場和與之相對應(yīng)的兩種分辨率，在飛行導(dǎo)航階段使用大視場，具備低級到中級分辨率；在末制導(dǎo)階段采用窄視場，具備中級到高級分辨率。據(jù)國防高級研究計劃局預(yù)測，該導(dǎo)引頭在遭遇對抗環(huán)境前借助GPS進行導(dǎo)航，此后則利用成像傳感器進行導(dǎo)航、目標(biāo)定位和識別、打擊部位選擇和末制導(dǎo)。項目的目標(biāo)是末制導(dǎo)精度達到或超過當(dāng)前導(dǎo)引頭的精度。

四、結(jié)束語

美國陸軍只是美軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中的組成部分。美軍定位導(dǎo)航與授時技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是：到2025年，能夠以通用的定位導(dǎo)航與授時解決方案，融合所有可用的信息源，利用各種信息傳輸渠道，在各種地面環(huán)境和對抗條件下，為作戰(zhàn)部隊提供實時、有效、精確的定位導(dǎo)航與授時信息，保證實時指揮控制和態(tài)勢感知能力。美軍對定位導(dǎo)航與授時技術(shù)的應(yīng)用理念與當(dāng)前的“云計算”非常相似，因此有專家提出了“云定位導(dǎo)航與授時”概念，并與“賽博”技術(shù)的相互關(guān)系越來越緊密。

［1］Army Seeks Technology Supplers for Assured PNT navigation in GPS-Denied Conditions， Army Technology， 2015.03.15.

［2］After GPS: The Future of navigation， www.c4isr. net， 2015.03.31.