● 文| 李耐和張永紅席歡

1.工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 2.中國(guó)國(guó)防科技信息中心

美正在開(kāi)發(fā)的PNT新技術(shù)及幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

● 文| 李耐和1張永紅2席歡2

1.工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 2.中國(guó)國(guó)防科技信息中心

介紹了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局正在開(kāi)展的5項(xiàng)PNT新技術(shù)的研究目的、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域、開(kāi)發(fā)步驟和研究進(jìn)展，并簡(jiǎn)要總結(jié)了PNT新技術(shù)可能產(chǎn)生的影響。

GPS是實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）所不可或缺的重要手段，幾乎所有的美國(guó)軍用系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺(tái)都依靠GPS或基于GPS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。但GPS導(dǎo)航存在信號(hào)較弱、穿透能力差、易受干擾、易受網(wǎng)絡(luò)攻擊等缺陷，在電子環(huán)境日益復(fù)雜、頻譜對(duì)抗日趨激烈的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中面臨嚴(yán)重威脅。為繼續(xù)掌握未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)制導(dǎo)、導(dǎo)航權(quán)，維持在PNT領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，避免過(guò)度依賴GPS而帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）正在將新物理技術(shù)、新設(shè)備和新算法投入到PNT相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作中。近年來(lái)，DARPA陸續(xù)開(kāi)展了5項(xiàng)技術(shù)研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是努力提高現(xiàn)有武器裝備的導(dǎo)航水平，并保證在GPS功能降級(jí)或不可用時(shí)提供可靠、高精度的PNT功能。

一、微型定位、導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)

微型定位、導(dǎo)航與授時(shí)（微型PNT）項(xiàng)目旨在以微電子技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)出體積小、功耗低的慣性導(dǎo)航核心組件，即微型、高精度的時(shí)鐘和慣性傳感器單元，并通過(guò)微尺度的集成制造技術(shù)將其組合在一起，制造出能夠在多種作戰(zhàn)場(chǎng)景下使用、高穩(wěn)定性的芯片級(jí)慣性測(cè)量裝置。

該項(xiàng)目于2010年1月啟動(dòng)，共有40多家機(jī)構(gòu)參與，包括美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA等10家政府機(jī)構(gòu)，密歇根、斯坦佛、康利、麻省理工等14家大學(xué)，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、噴氣推進(jìn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等6家實(shí)驗(yàn)室，以及波音、諾格、霍尼韋爾等20家國(guó)防承包商。

微型PNT項(xiàng)目致力于研發(fā)超穩(wěn)且精確的儀器，包括芯片大小的陀螺儀、時(shí)鐘和完整集成的授時(shí)與慣性測(cè)量裝置。它涉及4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域：時(shí)鐘、慣性傳感器、微尺度集成及測(cè)試評(píng)估。DARPA將采用新型制造和深度集成等先進(jìn)制造技術(shù)，將微型時(shí)鐘和慣性傳感器單元集成到單個(gè)芯片上，最終開(kāi)發(fā)出芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航儀，實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的微型化。

目前，DARPA研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了集成3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速度計(jì)、1個(gè)高精度主時(shí)鐘的樣機(jī)，其尺寸比一美分硬幣還小。與當(dāng)前傳感器相比，這種自校準(zhǔn)、高性能和成本效益高的微型傳感器，可顯著提升現(xiàn)有傳感器功率，并有效降低尺寸、重量。2014年，美陸航和導(dǎo)彈研發(fā)工程中心授予諾格公司一份“芯片級(jí)組合式原子導(dǎo)航”（C-SCAN）項(xiàng)目合同，用于研發(fā)微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括NMR陀螺儀技術(shù)成熟化、縮小該裝置當(dāng)前尺寸并研發(fā)新型精確光學(xué)加速度計(jì)，該項(xiàng)目是微型PNT項(xiàng)目的組成部分。諾格公司將通過(guò)綜合運(yùn)用聲體波微電子機(jī)械系統(tǒng)陀螺儀和核磁共振陀螺儀技術(shù)，將微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)和原子慣性制導(dǎo)技術(shù)集成到一個(gè)慣性測(cè)量裝置，以縮短啟動(dòng)時(shí)間并長(zhǎng)期提供穩(wěn)定的性能。這些先進(jìn)芯片級(jí)導(dǎo)航傳感器的潛在應(yīng)用包括：瞄準(zhǔn)、定位、制導(dǎo)、導(dǎo)航和智能武器。

二、自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)

自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）項(xiàng)目將通過(guò)開(kāi)發(fā)新的算法和體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)平臺(tái)PNT傳感器的快速即插即用集成，從而降低開(kāi)發(fā)成本，并將部署時(shí)間從數(shù)月縮短至數(shù)天。

ANS基于DARPA正在開(kāi)展的兩個(gè)項(xiàng)目分別是精確慣導(dǎo)系統(tǒng)和全源定位導(dǎo)航系統(tǒng)。精確慣導(dǎo)系統(tǒng)利用冷原子干涉儀的量子物理特性提升測(cè)量精度，制成精度極高的慣性測(cè)量裝置。這種裝置可以長(zhǎng)時(shí)間工作，無(wú)需依賴外部數(shù)據(jù)確定時(shí)間和方位。全源定位導(dǎo)航系統(tǒng)利用非GPS信號(hào)，如激光雷達(dá)、激光測(cè)距儀、商用衛(wèi)星、廣播電視信號(hào)、甚至閃電等提供的PNT參考信息，多渠道獲取信息，實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航與授時(shí)。由于這些不同信號(hào)來(lái)源非常充足，將提供比GPS更強(qiáng)的信號(hào)，可在GPS受阻和降級(jí)環(huán)境中提供位置信息，從而大幅度提高導(dǎo)航定位的精度及可靠性。

ANS項(xiàng)目包括3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：1）更好的慣性測(cè)量裝置。它需要較少的外部定位數(shù)據(jù)。2）非GPS信號(hào)源。通過(guò)軍、民領(lǐng)域的多種傳感器信號(hào)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航與授時(shí)。3）新的算法和體系結(jié)構(gòu)。可根據(jù)具體任務(wù)，利用新型非傳統(tǒng)傳感器，迅速重新配置導(dǎo)航系統(tǒng)。

目前，精確慣導(dǎo)系統(tǒng)和全源定位導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目均處于第2階段，2014財(cái)年在多種平臺(tái)上完成子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)演示，2015財(cái)年將進(jìn)行端-端系統(tǒng)演示。

三、量子輔助感知與讀出

量子輔助感知與讀出（QuASAR）項(xiàng)目將在現(xiàn)有的原子控制與讀出技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)下一代磁場(chǎng)、力學(xué)和時(shí)間量子傳感器，用于美國(guó)國(guó)防部各領(lǐng)域，特別是生物成像、慣性導(dǎo)航和精確守時(shí)等領(lǐng)域。

該項(xiàng)目包括3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：1）電磁場(chǎng)感知。利用原子和類原子系統(tǒng)的量子特性，開(kāi)發(fā)具有亞納米級(jí)分辨率和高靈敏度的電磁傳感器。2）力學(xué)感知。開(kāi)發(fā)新型加速度計(jì)和新型測(cè)力計(jì)，前者具有接近量子極限的靈敏度，帶寬大于10千赫。后者在標(biāo)準(zhǔn)量子極限（SQL）附近工作，易于集成。3）守時(shí)技術(shù)。將利用實(shí)驗(yàn)室原子鐘技術(shù)的最新成果，開(kāi)發(fā)下一代便攜式時(shí)鐘，其分頻穩(wěn)定度將比基于微波的美國(guó)現(xiàn)有頻率標(biāo)準(zhǔn)高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，接近10-17/天。

該項(xiàng)目于2010年啟動(dòng)，為期5年，分為3個(gè)階段。第1階段（2年）：完成可行性分析、部件研發(fā)和傳感器設(shè)計(jì)。第2階段（2年）：完成部件集成和原理證明實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)演示，達(dá)到傳感器的性能里程碑。第3階段（1年）：研究量子輔助感知與讀出傳感器在國(guó)防部的應(yīng)用前景，并提交技術(shù)成果轉(zhuǎn)化可行性計(jì)劃。

目前，該項(xiàng)目研究人員已在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)出光學(xué)原子鐘，其授時(shí)誤差在50億年內(nèi)不到1s，是世界上最精確的原子鐘。未來(lái)，研究人員將進(jìn)一步改進(jìn)其性能并實(shí)現(xiàn)便攜化。

四、超快激光科學(xué)與工程

超快激光科學(xué)與工程（PULSE）項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)生成和控制超快光脈沖的技術(shù)，利用最先進(jìn)的脈沖激光技術(shù)，顯著提高原子鐘和微波源的精度和尺寸，遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)更精確的時(shí)間和頻率同步。

該項(xiàng)目包括4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：1）開(kāi)發(fā)兩種靈巧的低噪聲射頻振蕩器，包括基于鎖模激光器的機(jī)架安裝光頻分振蕩器和芯片級(jí)光頻分振蕩器。2）演示最精確的光鐘分發(fā)技術(shù)。開(kāi)發(fā)可在實(shí)際系統(tǒng)中使用的光學(xué)時(shí)間傳遞技術(shù)，包括單向光纖時(shí)間傳遞技術(shù)和自由空間時(shí)間傳遞技術(shù)。3）開(kāi)發(fā)激光驅(qū)動(dòng)二次輻射源。重點(diǎn)開(kāi)發(fā)3D相干X射線成像系統(tǒng)，可在2.3～4.4nm范圍工作，成像亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)分辨率低于5nm。4）開(kāi)展原秒（10-18s）科學(xué)研究。重點(diǎn)是通過(guò)原秒泵浦-原秒探測(cè)光譜方法，開(kāi)展復(fù)雜系統(tǒng)（如凝聚態(tài)物質(zhì)、等離子體）中原秒電子動(dòng)力學(xué)的研究。

項(xiàng)目于2012年啟動(dòng)，為期5年，分為3個(gè)階段。第1階段（2年）：開(kāi)發(fā)部件，并進(jìn)行原理證明演示。第2階段（2年）：完成部件集成和實(shí)驗(yàn)室演示，達(dá)到性能里程碑。第3階段（1年）：在相關(guān)軍用環(huán)境下全面演示有關(guān)能力。

五、在對(duì)抗環(huán)境下獲得空間、時(shí)間和定位信息

在對(duì)抗環(huán)境下獲得空間、時(shí)間和定位信息（STOIC）項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)能夠在作戰(zhàn)等環(huán)境下提供不依賴于GPS、能夠達(dá)到GPS等級(jí)的PNT系統(tǒng)。

該項(xiàng)目包括4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：1）魯棒的遠(yuǎn)程基準(zhǔn)信號(hào)。開(kāi)發(fā)不依賴GPS、無(wú)處不在的抗干擾PNT系統(tǒng)，可在對(duì)抗環(huán)境下使用。地面基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)射機(jī)間隔至少10000km，無(wú)需在對(duì)抗環(huán)境內(nèi)部或附近部署和維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施。系統(tǒng)授時(shí)精度低于30ns，定位精度低于10m。2）超穩(wěn)定戰(zhàn)術(shù)時(shí)鐘。開(kāi)發(fā)超穩(wěn)定戰(zhàn)術(shù)時(shí)鐘，其穩(wěn)定度比目前銫束鐘高100倍，具有作戰(zhàn)所需的足夠魯棒性。STOIC時(shí)鐘的艾倫偏差優(yōu)于10-14/s和10-16/月。3）利用多功能系統(tǒng)提供PNT信息。STOIC將為戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)平臺(tái)協(xié)同開(kāi)發(fā)不依賴GPS的時(shí)間分發(fā)和定位方法，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)之間相對(duì)時(shí)間精度為10ns（閾值）和10ps（目標(biāo)）。4）輔助技術(shù)。重點(diǎn)為上述3個(gè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)新的部件、工藝、傳感器和建模方法。

該項(xiàng)目為期4年左右，分為4個(gè)階段（見(jiàn)圖1）。第1階段（1年）：主要進(jìn)行各技術(shù)領(lǐng)域的分析與設(shè)計(jì)。第2階段（1年）：主要進(jìn)行各技術(shù)領(lǐng)域原型（或時(shí)鐘）構(gòu)建與測(cè)試。第3階段（1年）：主要進(jìn)行各技術(shù)領(lǐng)域系統(tǒng)（或時(shí)鐘）構(gòu)建與測(cè)試。第四階段（時(shí)間未知）：主要進(jìn)行集成系統(tǒng)的演示。

圖1 STOIC項(xiàng)目進(jìn)度

六、幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

當(dāng)前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍最大、應(yīng)用范圍最廣、用戶使用最便捷，在信號(hào)可用的情況下，仍然是目前最可靠和最有效的導(dǎo)航定位手段。PNT新技術(shù)在覆蓋范圍、應(yīng)用領(lǐng)域、易用程度上與衛(wèi)星導(dǎo)航存在巨大差距，作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充和備份，能夠有效提高PNT服務(wù)的精度和可靠性。

1. PNT新技術(shù)將有效降低依賴GPS的風(fēng)險(xiǎn)

由于GNSS存在的許多固有弊端，如在地下、水下、室內(nèi)、城市或高山峽谷，以及干擾環(huán)境下難以提供可靠、高精度PNT服務(wù)，單獨(dú)使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在極大隱患，不僅某些區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位，而且在軍事對(duì)抗等條件下，由于電子干擾、地形障礙等原因，可能導(dǎo)致GPS性能降級(jí)或失效。對(duì)GPS的依賴越大，其被干擾或毀壞的風(fēng)險(xiǎn)也就越大，一旦服務(wù)失效將對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和軍事領(lǐng)域造成嚴(yán)重影響。PNT新技術(shù)特有的優(yōu)勢(shì)，能在GPS不可用時(shí)提供高精確度的導(dǎo)航定位服務(wù)，如自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)能有效解決建筑物內(nèi)和地下深處等地方的導(dǎo)航問(wèn)題，在對(duì)抗環(huán)境下也能獲得空間、時(shí)間和定位信息，將使美軍擁有除GPS之外的備份定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力，確保美軍精確行動(dòng)的靈活性和便利性。

2. PNT新技術(shù)將提供更強(qiáng)的定位導(dǎo)航能力

PNT新技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)，不僅可以用于建筑物深處、地下、水下等GPS信號(hào)無(wú)法覆蓋的環(huán)境，而且精度和靈敏度更高。隨著武器裝備小型化成為重要發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中將有更多的小型甚至微型作戰(zhàn)平臺(tái)加入作戰(zhàn)序列。微型PNT項(xiàng)目不僅有望解決小型甚至微型作戰(zhàn)平臺(tái)慣性導(dǎo)航的難題，而且能夠彌補(bǔ)GPS能力的不足，有效提高導(dǎo)彈和精確制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)效能：將使士兵、設(shè)備具備更好的和更可靠的態(tài)勢(shì)感知能力，確保導(dǎo)彈更好的飛行；使配備量子羅盤(pán)的無(wú)人機(jī)，無(wú)需衛(wèi)星導(dǎo)航，更易于飛行，飛行過(guò)程更加安全。量子輔助傳感與可讀項(xiàng)目一旦成功，其所實(shí)現(xiàn)的地理位置感知能力可能會(huì)比現(xiàn)有任何系統(tǒng)精確1000倍；能有效保障隱私性，僅需依賴原子特性即可確定實(shí)際地理位置，無(wú)需從空間獲取信號(hào)；成本更低廉，且具有基于位置搜索功能的潛能。

3. PNT新技術(shù)將具有廣闊的應(yīng)用空間

美軍開(kāi)發(fā)新型導(dǎo)航技術(shù)主要是基于軍事目的，但這些技術(shù)也擁有巨大的民用潛力。和GPS一樣，PNT新技術(shù)也可以利用民用市場(chǎng)贏得發(fā)展空間，進(jìn)一步完善在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。美媒體研究人員將原子級(jí)GPS（包括C-SCAN和QuASAR）作為可能產(chǎn)生比互聯(lián)網(wǎng)更大影響的四大技術(shù)之一。微型PNT技術(shù)被美國(guó)網(wǎng)站評(píng)為20項(xiàng)“最有可能改變生活的技術(shù)”之一。此外，量子輔助感知與讀出項(xiàng)目在雷達(dá)、測(cè)量等軍事領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用前景，包括新型雷達(dá)、激光雷達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)等。超快激光科學(xué)與工程項(xiàng)目成果將改進(jìn)輻射源，提供更強(qiáng)的定位、導(dǎo)航、相干成像和探測(cè)等能力。

［1］Beyond GPS: 5 Next-Generation Technologies for Positioning， Navigation & Timing （PNT）. http://www.darpa.mil/news-events/2014-07-24

［2］Adaptable Navigation Systems （ANS）. http://www.darpa.mil/program/adaptablenavigation-systems.

［3］Micro-Technology for Positioning， Navigation and Timing （Micro-PNT）. http://www.darpa.mil/program/micro-technologyfor-positioning-navigation-and-timing.

［4］Quantum-Assisted Sensing and Readout （QuASAR）. http://www.darpa.mil/program/quantum-assistedsensing-and-readout.

［5］Program in Ultrafast Laser Science and Engineering （PULSE）. http://www.darpa.mil/program/program-inultrafast-laser-science-and-engineering.

［6］DARPA takes another look at precise positioning without GPS in upcoming STOlC program. h t t p://w w w.milit a r y a e ro s p a c e.c o m/ articles/2014/06/darpa-stoic-briefings.html.