美國陸軍PNT能力發展趨勢分析

來源 |《導航定位與授時》（2019年3月）

作者 | 葛悅濤，薛連莉，李婕敏

針對當前全球定位系統(GPS)易受幹擾和攻擊的影響，定位、導航與授時(PNT)系統需靈活應對多種複雜戰場環境，分析了美國陸軍未來發展先進 PNT 技術的背景。

然後重點分析了美國陸軍 PNT 能力的發展趨勢，其中主要包括了偽衛星系統、車輛導航系統、慣性導航、定位、導航系統輔助傳感器、導航傳感器融合、導航仿生技術、授時、PNT 建模與仿真、導航戰技術應用、自主與人工智慧在 PNT 中的應用等11個方面的發展趨勢。

最後給出了簡要總結，認為美陸軍將注重改進單兵和車輛態勢感知能力，以提高未來支持戰場指揮官的任務指揮和決策能力，同時重點關注了開放式系統架構、SWaP-C優化、自主技術和人工智慧技術，以提升 PNT 的整體能力。

據聯邦技術(FedTech)雜誌網2018年5月11日報導，近30年來，美國國防部依託全球定位系統(GlobalPositioningSystem，GPS)對美國軍事作戰行動提供了至關重要的定位、導航與授時(Positioning，Navigation，andTiming，PNT)服務。

然而，在過去的幾年當中，以其高可用性和精確性而著稱的全球導航 衛 星 系 統 (Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)一直受到各種各樣的幹擾和攻擊。美國陸軍可靠 PNT 跨職能團隊 (Cross Functional Teams，CFT)主任，陸軍太空與飛彈防禦司令部/陸軍戰略司令 部 (USASMDC/ARSTRAT)項目和技術主任William Nelson表示，「我們仍然相信 GPS 是一個非常強大的系統，我們的目標不是取代它，而是在 GPS 降級的環境中增強 GPS 的可信度，以提供可靠的 PNT。」

美國空軍上校，史丹福大學教授，國家航天 PNT 諮詢委員會副主席，被稱為 GPS 之父的 Bradford Parkinson 表示，「我們不取代 GPS ，而是要協助和備份 GPS 。」事實上，除水下裝備外，美國幾乎所有的武器裝備和平臺都會用到 GPS 進行 PNT，而在戰場前沿等有時 GPS 出現不可用的情況下，會採用其他代替或補充的方式進行 PNT。

2013年美國陸軍發布了《戰術可靠 GPS 區域性能力替代方案分析》，明確了其在戰術環境下的 PNT 能力發展需求，相關潛在技術、相應系統解決方案，以及不同系統、平臺在 GPS 不可用環境中的替代技術與集成方案，並將實現可靠 PNT 能力作為最終目標。

GPS是美國陸軍 PNT 能力的基礎，陸軍已經將 GPS 裝備到各種飛機、戰車和單兵裝備等各類作戰單元。而隨著 GPS 易受地形、建築、電子對抗等自然和人為因素幹擾的影響，使得美國陸軍的 PNT 優勢受到挑戰。

然而，美國陸軍仍然將 GPS 作為 PNT 體系的核心能力和基礎，在加強 GPS 信號強度、提高抗幹擾能力的同時，以陸地導航、混合導航和自動導航等技術彌補 GPS 的能力缺陷，並利用各類數據鏈、戰術網絡、無線保真(WiFi)等技術作為 PNT 的傳輸途徑，增加電子對抗的魯棒性，在兼顧尺寸、質量、功耗和成本(SWaP-C)的前提下，以推動創新、維持技術優勢為主要目的，發展綜合 PNT 技術。美國陸軍已經依靠可靠 PNT 等項目發展 GPS不可用時的 PNT 技術，同時陸軍也在發展更靈活、更先進的 PNT 系統，以提高美陸軍的 PNT 能力。

據美國聯邦商業機會 (Federal Business Opportunities，FBO)網站2017年11月24日報導，美國陸軍通信-電子研究開發和工程中心發布了廣泛徵集公告 BAA W56KGU-18-R-PN22，以開展一項廣泛的、為期5年的研究計劃，旨在開發可在戰場使用的全新的 PNT 技術，以改進並增強當前和未來陸軍的作戰能力、靈活性和快速響應能力，增強在對稱和非對稱環境中的作戰能力。

本文將主要通過梳理該 BAA 需求信息內容，分析美國陸軍 PNT 能力的發展趨勢，以期為讀者提供有益的參考。

眾所周知， GPS 容易受到各類幹擾和欺騙的影響，且在一些有遮擋的區域，會發生收不到 GPS 信號或信號較弱的現象，這導致 GPS 難以滿足現代複雜戰場網絡電磁強對抗環境的應用需 求。針對 PNT 系統的攻防，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概念。此外，電子戰(含自適應電子戰、認知電子戰)、信息戰、網絡戰等概念也曾應用於 PNT 系統的攻防。

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

2015年初，美國陸軍專門組建了 PNT 項目辦公室，以推動從傳統 GPS 能力向 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)基於地面無線電導航系統的偽衛星項目;2)為車輛系統提供 PNT 項目;3)為單兵提供 PNT 項目;4)抗幹擾的 PNT 天線項目。A-PNT 項目經理 Kevin Coggins在2017年5月表示， A-PNT 項目可使陸軍進入戰爭中的下一個導航級別，並將超越 GPS 的能力。

為提高未來美陸軍 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。

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用地面或近地面無線電發射機廣播類 GPS 信號，以此建立偽衛星系統，以支持和增強 GPS 信號，提高態勢感知能力，從而提高任務指揮效率和效果。在GPS信號中度降級環境下，偽衛星系統有助於獲取GPS衛星信號;在嚴重降級環境下，偽衛星系統可用作定位和授時源。在 GPS 可用時，偽衛星系統依靠 GPS 信號將獲得更為精準的位置、速度和時間(Position Velocityand Time，PVT)信息。美國陸軍希望偽衛星系統具有以下能力:

1)指揮和控制軟體具有分析能力，有助於偽衛星系統的定位;

2)指揮和控制數據鏈能與陸軍任務指揮系統相兼容;

3)可兼容抗幹擾 GPS天線;

4)具有異形光束輸出天線;

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;

10)可通過偽衛星系統發送 GPS差分校正;

11)能為偽衛星系統提供精確授時的替代技術。

美國陸軍希望車輛導航系統在 GPS 受到幹擾或拒止環境中，依然能夠為車輛提供 PNT 信息，以提高戰場任務指揮和決策能力。具體要求如下:

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

2)車輛導航系統的設計應可允許升級到 GPS 軍用碼( M 碼);

3)車輛導航系統應該高度集成，使 SWaP-C 最小化;

4)車輛導航系統應該兼容網絡時間協議(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。

美國陸軍希望持續推進慣性導航技術發展，改進單兵和車輛態勢感知能力，並提高戰場指揮官的任務指揮和決策能力。陸軍希望應用微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、機械、光學和原子等技術設計並開發出新型陀螺儀和加速計傳感器，以滿足單兵和車輛平臺的 SWaP-C 最小化目標。此外，陸軍還希望開發傳感器自校準、速度更新和範圍輔助等技術，以保證導航的長期性能。

美國陸軍希望使用多種外部信息來確定位置信息，如 GPS、多全球導航衛星系統(Multi-GNSS)、無線電導航、天文導航、地形匹配導航、機會信號導航(Navigationvia Signals of Opportunity，NAVSOP)和無線電大氣信號導航等，以提高戰場任務指揮和決策能力。陸軍希望重點突破:

1)先進 GPS 接收機硬體，包括新穎的射頻前端設計、與傳統射頻相關器不同的配置和設計、新型天線設計、軟體定義 GPS 接收器、實現 GPS 信號或 GPS 導航解決方案的完整性監控等;

2)充分利用 GNSS信號，如允許標準 GPS 接收機跟蹤非 GPS 信號的方法(如軟體修改 GPS 接收機用於跟蹤伽利略導航衛星信號);

3)利用新興的和計劃的未來信號，例如升級到M 碼信號，以及包括跟蹤和採集算法的新型接收機架構。這些算法可減少首次定位時間 (Time To First Fix，TTFF)或提高抗幹擾能力;

4)開發抗幹擾 GPS 或 GNSS 天線，以及相關抗幹擾技術。

美國陸軍希望開發用於單兵和車輛平臺的導航輔助技術，在有 GPS信號時，通過輔助傳感器提高 GPS的定位精度;在無 GPS信號時，能夠保持較長一段時間內與 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，或輻射是受控的;另外物理硬體和軟體應該是模塊化的、易於嵌入的，且是可調可優化的，以適應各種軍事平臺(如步兵、戰車和航空器)，從而保障未來系統的升級。 在陸軍通用操作環境(Common Operational Environment，COE)中，系統應能夠正常工作並遵循預期的體系架構。陸軍對於軍事導航系統輔助傳感器的發展主要包括:

1)基於視覺的導航系統和技術，包括先進的計算機跟蹤、映射、特徵識別和提取算法，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 測 和 測 距 (Light Detectionand Ranging，LIDAR)或雷射探測和測距(Laser Detectionand Ranging，LADAR)系統;

3)低功耗、窄帶的無線電射頻測距系統，以降低對臨近的無線電通信系統的幹擾;

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

5)網絡輔助導航概念和系統。

美國陸軍希望通過多種導航輔助傳感器(如照相機、磁強計、雷射測距儀等)的信息融合，以提高車輛和步兵的定位導航能力。陸軍希望導航傳感器融合發展主要包括以下幾個方面:

1)開放式系統架構傳感器融合設計應該是通用的、靈活的，便於修改和定製，以滿足各種任務要求，並簡化多種新型和現有傳感器的接口和集成;

2)即插即用系統架構需要滿足標準化軟體、電氣和機械接口，以降低傳感器集成和配置複雜性，並降低開發時間和成本;

3)壓縮感知算法，使用建模和採樣等技術，有效地獲取和處理最佳傳感器數據，以提高定位導航精度;

4)超定傳感器技術，融合和優化傳感器數據、功能和應用，以提供魯棒的、準確的導航解決方案;

5)人工智慧，通過自適應感知環境變化，智能地融合各種傳感器數據，以增強傳感器融合能力。

美國陸軍系統希望能夠受到生物學的啟發，應用仿生技術來提高 PNT 能力。主要包括以下幾個方面:

1)研究脊椎動物和無脊椎動物物種(如箭蟻、滷蟲蜂、候鳥、魚類等)，獲得仿生過程、模型、系統和技術，用於應對複雜任務和環境的 PNT 系統。陸軍感興趣的項目主要包括應用於姿態、定向和導航的、基於仿生過程的新型傳感器，以及應用於PNT 的仿生定製算法;

2)仿生技術與傳統 PNT 和材料的融合;

3)通過應用生物啟發系統優化 PNT 系統的SWaP-C。

美國陸軍希望推進先進精確授時時鐘源和時間傳遞技術發展，主要包括以下幾個方面:

1)微型原子鐘、原子頻率標準、緊密耦合的 GPS 接收機/時鐘，該項主要考慮:①軍事規範相適應環境下的授時精度、長期和短期穩定性，以及低相位噪聲;②高精度時鐘，為陸軍提供在 GPS拒止環境下的精準授時;③ 步兵、地面/空中的有人/無人平臺所涉及的SWaP-C優化;

2)保證授時準確性的無線電傳送方式。

建模與仿真應用於技術開發的各個階段，美國陸軍希望突破以下幾個方面:

1)支持技術開發中的設計權衡;

2)對系統組件、系統、體系進行性能分析;

3)在各種環境下，分析作戰任務中 PNT 的影響;

4)支持任務規劃和決策，同時了解 PNT 可用性、重要性和影響;

5)應用基於模型的系統工程工具和實踐來支持 PNT 技術的開發。

導航戰技術是指在不影響戰區外和平使用GPS/GNSS導航信息的同時，使美國及其友方能夠有效利用 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提高在戰場上的反介入/區域拒止(A2AD)能力，主要包括以下幾個方面:

1)GPS幹擾源的實時檢測、地理定位和特徵描述技術;

2)GPS接收機欺騙、幹擾和攻擊的實時檢測，通過偽信號或者重播等方法重新獲取優良的 PNT 數據;

3)通過利用 GPS接收機和/或傳感器集成來進行態勢感知;

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

美國陸軍認為自主和人工智慧技術將為作戰人員提供更為先進的作戰能力[26-30]，主要包括以下幾個方面:

1)利用人工智慧技術可以增強傳感器融合，提高對環境變化的自適應能力;

2)提高各種傳感器的智能融合能力;

3)利用人工智慧提高士兵的態勢感知能力;

4)利用人工智慧，使導航系統了解 GPS和其他傳感器的環境、路徑和實際測量結果，以改進 GPS 和其他傳感器的性能，提高導航精度;

5)利用自主技術提供先進的避障能力;

6)應用自主和人工智慧技術提高自主導航定位速度;

7)應用自主和人工智慧技術提高傳感器的實時數據處理能力;

8)利用人工智慧技術提高學習和自適應 PNT 的能力，以對抗敵方的威脅;

9)人工智慧相關算法的開發和應用，以提高整體 PNT 能力。

雖然 GPS容易受到遮擋、欺騙、幹擾等各種因素的影響，使得 GPS有時不可用或不可靠，但其仍是美國 PNT 的主要手段。為滿足各種動態變化的高對抗作戰環境需求，美國陸軍希望通過發展一系列先進的 PNT 技術，在 GPS可用時，提高其 PNT 能力，不可用時也能維持相當的 PNT 能力。

1)注重改進單兵和車輛態勢感知能力，提高支持戰場指揮官的任務指揮和決策能力。

在 PNT 的發展過程中，美國陸軍一直注重提升本軍種相關的武器裝備、平臺和單兵作戰的態勢感知能力，通過多來源的感知和認知 PNT 數據來不斷提升戰場的指揮和決策能力。

2)開發開放式的系統架構，軟體和硬體齊頭並進發展。

美國陸軍希望開發開放式的系統架構，使用模塊化、易嵌入、標準化、可調的 PNT 軟硬體，滿足各種武器裝備和平臺的發展需求，以及各種作戰任務的需求，降低各型元器件、傳感器和裝備的集成和配置複雜性，並降低開發時間和成本，以保障未來系統的升級。

3)注重SWaP-C優化，提高 PNT 系統性價比。

在各種設計考慮中，特別是小型化裝備和單兵PNT 需求，美國陸軍十分注重尺寸、質量、功耗和成本之間的權衡、協調和優化，期望能夠全面降低SWaP-C，提升車輛和單兵 PNT 能力，並降低成本。

4)應用自主技術、人工智慧等前沿技術，提升整體 PNT 能力。

隨著大數據、雲計算技術、人工智慧、無人自主技術等前沿顛覆性技術的發展，美國陸軍希望充分利用自主技術和人工智慧技術等前沿技術，提高車輛和單兵的環境適應性、態勢感知能力、自主導航和協同導航能力，最終提升陸軍整體的 PNT 能力。

本文轉載自「《導航定位與授時》（2019年3月）」，原標題《美國陸軍PNT能力發展趨勢分析》，作者 | 葛悅濤，薛連莉，李婕敏

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