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美军定位、导航与授时(PNT)新技术发展概况

时间:2019-11-05发布者:明日情报浏览次数:133次

   导读:今年8月,美国国防部(DoD)公开了其2018年11月的《国防部定位、导航和授时(PNT)整体战略——确保美国军队PNT优势》报告。该报告强调了4个方面:一是GPS可能会在全球受到干扰;二是接收机需要拥有多种不同的PNT源和模块化开放系统;三是民间使用会阻碍军方利用GPS取得军事优势的努力;四是国防部PNT正在增强保密努力,不与民间用户共享。


   据美国交通部的定义,PNT(Positioning, Navigation and Timing)是三种不同功能的组合:

   定位(Positioning),是能够参照标准大地测量系统(例如世界大地测量系统1984,或称WGS84),以二维(或在需要时以三维)准确和精确地确定一个人的位置和方向;

导航(Navigation),是能够确定当前和所需(相对或绝对)位置,并对航向、方向和速度进行修正,以实现在世界任何地方从地下到地面以及从地面到空间获得所需位置;

   授时(Timing),是可以在世界上任何地方,在用户定义的时效性参数范围内,从标准(协调世界时,或称UTC)获取并保持准确和精确的时间。授时还包括时间转移。

   2004年,美国总统签署并颁布了《美国国家天基定位、导航与授时政策》(U.S. Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Policy),取代了1996年美国总统颁布的《美国全球定位系统政策》(U.S. Global Positioning System Policy),采用PNT概念取代GPS,标志着卫星导航系统进入以PNT为基本要素的新时代。2004年,成立“国家天基定位、导航和授时执行委员会”(National Executive Committee for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing),其作为军民联合体从国家层面对GPS项目进行关注和指导,并直接向白宫汇报。天基PNT包括GPS、GPS增强系统和其他全球导航卫星系统(GNSS)。虽然“全球导航系统”(GPS)作为美国主要的天基PNT服务提供设施已在美国甚至全球拥有广泛应用,但其固有的脆弱性正逐步影响着PNT服务的可用性和鲁棒性。

   2010年,美国总统新版《国家太空政策》指令指出,“维护和增强天基定位、导航和计时系统。美国必须在全球导航卫星系统(GNSS)的服务,提供和使用方面保持领先地位。”因此,美国军方和商业公司等正在努力开发验证GPS新技术和PNT新技术。

一、导航技术卫星3/NTS-3

   2018年12月,美国空军研究实验室(AFRL)航天飞行器局向哈里斯公司(Harris Corp.)授予价值8040万美元的NTS-3合同,其将使用诺斯罗普•格鲁曼公司(Northrop Grumman)价值3000万美元的ESPAStar平台建造NTS-3。NTS-3(Navigation Technology Satellite-3,导航技术卫星-3)是美国空军研究实验室的一颗PNT试验卫星,验证如何使GPS星座为核心构建的军用PNT体系架构更具弹性,预计将在2023年发射到地球同步静止轨道(GEO)进行试验验证。NTS-3旨在测试新的硬件,包括可在轨重新编程的数字信号发生器,其可使操作员在遇到电子威胁时可快速部署新信号。NTS-3是美国军方自NTS-2后40年来首次开展的卫星导航技术任务,尤其重点验证分散式、弹性PNT能力。


NTS-3效果图(AFRL)

   NTS-3的重量远低于GPS-3,NTS-3重1250公斤,而洛克希德•马丁航天系统公司生产的GPS-3重4400公斤。NTS-3有效载荷不同于GPS-3,其具有完全可在轨重新编程能力,采用L波段直接数字合成方法实现100%数字化。NTS-3还将配备先进的固态放大器和电子控制的相控阵天线,可使运营商控制波束并向需要的地方集中。哈里斯公司为NTS-3开发的可控相控阵天线可以对波束进行操控,是导航有效载荷的关键组成部分。相比之下,GPS-3的相控阵天线是卫星平台的组成部分,不能主动操纵。NTS-3将整个信号生成和射频链展示为一个集成的有效载荷,为未来的技术转型和潜在的主要有效载荷展示了模块化和可扩展性。

   NTS-3还将展示太空和地面的新战术来推进天基PNT的发展。这些措施包括提高自动化程度、加大使用商业地面资源以及新的网络安全程序。据预测,NTS-3将影响未来GPS-3升级,或者可能会构成一个全新的星座框架。从NTS-3获得的技术验证将为未来几代GPS发展以及GPS星座增强的潜在方案提供技术支撑。

二、适应性导航系统/ANS

   为了解决军队在使用基于GPS的PNT服务时易受干扰和特殊环境无法访问的挑战,美国国防高级研究计划局(DARPA)提出了“适应性导航系统”(Adaptable Navigation Systems,ANS)寻求向军事用户提供GPS质量的PNT,而不管其运行环境如何。

   ANS通过其“精密惯性导航系统”(Precision Inertial Navigation Systems,PINS)和“全源定位和导航”(All Source Positioning and Navigation,ASPN)的努力解决了3个基本挑战:

 1)需要更少外部位置确定、更好的惯性测量单元(IMU);

 2)用于外部位置确定的GPS替代源;

 3)为特定任务的新型和非传统传感器快速重新配置导航系统的新算法和体系结构。

   作为DARPA正在开发具有导航级别或更高级别芯片级惯性传感器的Micro-PNT项目补充,PINS正在开发一种使用冷原子干涉测量技术进行高精度导航而无需长时间依赖外部位置确定的惯性测量单元。原子干涉测量法涉及测量传感器外壳内原子云的相对加速度和旋转度,其精度可能远高于当今最先进的惯性测量单元。

   即使是可持续(工作)长时间的惯性测量单元都需要最终的定位,因此ASPN正针对性开发使用机会信号的传感器,这些机会信号是来自电视、广播、手机信号塔和卫星,以及如闪电等自然现象的非导航信号。将不同的传感器、地图和其他组件集成和调整到导航系统中既昂贵又缓慢,因此需要针对平台和特定任务的解决方案。为了应对这一集成挑战,ASPN也在努力开发新的融合算法和即插即用处理体系结构,以在导航系统上快速集成和近实时重新配置或升级传感器、惯性测量单元设备、地图和数据库。通过允许现有导航传感器和新导航传感器的灵活组合,ASPN寻求在各种平台、环境和任务中改善导航系统的准确性、鲁棒性和成本。


2019年6月6日公布的最新ASPN项目概览(DARPA)

   DARPA官网显示,ASPN已在空中、陆地和海上平台上完成了多次现场演示。其中,该项目在2015财年的机载验证中,进行了导航的快速配置/现场集成,使用了惯性测量单元(IMU)、地球观测图像、空速(计)、磁强计、雷达高度计等传感器,实现了无GPS情况下保持约20米的定位精度。


ASPN项目2015财年机载验证(DARPA)

三、对抗环境中的空间、时间和方向信息/STOIC


STOIC项目系统示意(DARPA)

   美国国防高级研究计划局(DARPA)的“对抗环境中的空间、时间和方向信息”(Spatial, Temporal, and Orientation Information in Contested Environments,STOIC)项目旨在开发一种备用PNT系统,该系统可提供GPS级别性能而无需依赖GPS即可获得更好的性能。STOIC包含3个技术领域(或功能),这些技术领域整合后将有可能提供独立于GPS的全球PNT服务:

 1)使用甚低频(VLF)信号的地面固定导航;

 2)基于DARPA的QuASAR项目开发技术的可部署光学时钟;

 3)通过数据链路进行精确的时间传输和测距。

上述3个相对独立的功能的要求或目标如下:

 1)甚低频定位系统:全方位、稳健的参考信号提供GPS级精度

 2)超稳定的光学时钟:坚固耐用的下一代高精度时钟为关键应用维持GPS定时,一年以上无需与外部源同步;

 3)战术数据链路上的精确时间传输:使用现有通信链路进行10纳秒(基本要求)时间传输以保持相对定时;进行1皮秒(目标要求)时间传输以实现相干效果。


截至2019年6月6日的STOIC项目关键成就(DARPA)

上述3个独立功能在目前试验过程中达到的关键成就:

 1)甚低频定位系统:两个参试的结果显示约450米定位误差(无EIW补偿),EIW预测提供约40米的范围误差,综合结果支持该项目在海上约40米(精度)的(定位)应用;

 2)光学时钟:生产激光等部分组件并配置组装实验室工作台;

 3)战术数据链路上的时间传输:平均误差(<5纳秒)满足现有硬件的阈值度量。

四、可靠定位、导航和授时/A-PNT

美国陆军在美国国防部指导下开展“可靠PNT”(Assured Positioning, Navigation and Timing,A-PNT)研究,于2017年成立“A-PNT跨职能团队”(Assured Positioning, Navigation and Timing Cross-Functional Team,A-PNT CFT),并于2018年1月批准了A-PNT CFT的技术路线图(the A-PNT CFT Roadmap)。

A-PNT CFT主要针对PNT、战术空间和导航战等3个方面,正在开展一系列研究、开发和测试工作,并连续2年(2018和2019年)在白沙靶场举行PNT评估演习(PNT Assessment Exercise,PNTAX),最快预计2021财年形成初始作战能力(IOC)。以下仅列举其中公开发布的3个项目——“可拆卸可靠定位、导航和授时”、“安装的可靠定位、导航和授时”/“抗干扰天线系统”和“伪卫星”。

“可拆卸可靠定位、导航和授时”(Dismounted A-PNT)将提供单一来源的A-PNT,以支持通信、命令和控制、后勤、瞄准和效果。它将替代“国防高级全球定位系统(GPS)接收器”和支持Nett Warrior Ensemble的商用GPS,并具有独立功能。当其与Nett Warrior一起使用时,其还将优化功率以利用共享的便携可穿戴电池。当天基PNT GPS可能受到限制或拒绝的情况下,“可拆卸A-PNT”将为陆军的单兵用户提供准确且可信的PNT信息。


可拆卸A-PNT示意图(ARMY)

   “安装的可靠定位、导航和授时”(the mounted A-PNT)/“抗干扰天线系统”(Anti-Jam Antenna System,AJAS)将是可扩展的、可升级的系统安装平台,适用于地面和无人飞行器。它将全球定位系统(GPS)与备用导航和授时技术融合在一起,为客户平台和系统提供可信的PNT。它可以将PNT数据直接和通过网络分发到多个系统,而无需在单个平台上使用多个GPS设备。预计AJAS将与已安装的系统集成,以达到性能要求,并使已安装的接收器能够在面临挑战的环境中访问GPS信号。“安装的A-PNT/AJAS”将向陆军安装平台提供准确可靠的PNT信息,以便在天基PNT GPS可能受到限制或拒绝的情况下继续作战/战斗节奏。


史崔克步兵战车上安装的A-PNT数据分发概念(ARMY)

   “伪卫星”(Pseudolites)是类卫星发射器,可在电子或物理挑战环境中使用大功率信号为地面和机载无线电导航提供类似于全球定位系统(GPS)的服务,以支持旅战斗队(Brigade Combat Team)的行动区域。伪卫星将提供可部署的机载配置,在挑战性环境中提供类似GPS的服务,从而允许A-PNT支持的系统继续运行。其广播类似于GPS的信号,可以在无法访问GPS卫星时补充或替代GPS卫星的信号。现有技术可以使可编程的接收器在干扰环境中确定位置、速度和时间。

伪卫星概念图(ARMY)

五、弹性定位、导航和授时/RPNT

   弹性PNT(Resilient PNT,RPNT)是PNT技术与非传统和新兴技术的融合,旨在改善空中、陆地和海上关键任务应用的可靠性、性能和安全性。在即使数据精度、可用性和稳定性方面出现最小差异就可能导致任务失败、生命损失或战场劣势,以及重大经济损失的情况下,弹性PNT解决方案就派上用场了。


弹性PNT(Orolia)

   基于弹性PNT(RPNT)概念,美国Orolia公司基于“下一代铱星”(the Iridium Next)卫星星座提供“替代导航”(或称AltNav)服务,该星座高达66颗的卫星分布在约800km的低地球轨道(LEO)。相比分布在约20000km中地球轨道(MEO)的GPS星座,其AltNav产生的信号比GPS强1000倍,能够“深入室内”穿透,而且高度抗干扰和欺骗,并能精确到30~50米。AltNav服务基于该公司与Satelles合作在铱星星座上提供星基时间和位置服务的信号技术——STL(Satellite Time + Location),使用了重新设计的大功率寻呼信道,该技术与GNSS的简要对比见下表。

表 GNSS与STL主要性能对比

   由于战略原因,STL只能在一些特定的国家商用,尽管技术层面上是全球性的。此外,作为一种相对较新的信号,STL接收机还不如GNSS接收机容易获得。目前,STL接收机只有模块级的形式,但是STL的信号处理要求即使不简单也与GNSS相似,因此人们期望STL接收最终将集成在许多低成本、低功耗、单片GNSS接收机里。


Orolia公司PNT解决方案(Orolia)

该公司基于PNT提供的解决方案包括:

   GPS和GNSS技术涵盖了所有基于卫星的时间和定位信号,包括加密的军用SAASM和M代码接收机、GPS、Galileo、GLONASS、IRNSS和QZSS。内部时间和频率设备制造,包括紧凑型的铷标准和符合太空的氢原子钟标准。高功率、基于卫星的技术——STL(卫星时间和位置)可以穿透建筑物、障碍物并具有抗干扰能力,可以用作补充GPS和其他GNSS卫星信号的可靠机会信号。上述使每个应用更加准确、安全并且不易受到干扰和攻击。

   BroadShield干扰和欺骗检测系统使用超过75种经过验证的检测算法来检测GPS信号和GPS频谱中的干扰和欺骗。

   备用PNT信号和机会信号(Signals of Opportunity)接收器利用eLORAN等可用信号来增加维护准确PNT信息的可能性。漏洞测试系统可以评估依赖于GNSS信号系统的干扰和欺骗的影响。

   集成了各种惯性传感器,包括基于MEMS和FOG的传感器,这些传感器在没有GPS参考的情况下为位置和导航系统的提供了一定水平的独立性能。强化产品可以扩展到恶劣的战术操作环境中,并可抵抗网络攻击。更智能地使用整个PNT生态系统,包括功能丰富的GPS接收硬件和智能软件技术,以及来自多个星座、多频信号和增强系统的接收。

   2018年4月,Orolia公司旗下子公司McMurdo Inc.获得了美国陆军价值33986800美元的无限期交付/不确定数量(ID/IQ)合同,用于制造个人救援设备(Personnel Recovery Device,PRD)。该PRD是一种双模式MIL-SPEC个人定位信标,它将被集成到陆军的个人救援支持系统(Personnel Recovery Support System,PRSS)中。PRD易于在人员救援行动中使用,基于Orolia全新的、坚固的小型PNT平台,专用于徒步士兵可靠PNT应用。

总结:

   当美军逐步意识到单纯依赖GPS等GNSS提供的天基PNT服务存在极大风险的情况下,不仅是在升级和增强GPS上下功夫,更是致力于开发更加弹性、可靠、开放和模块化的PNT新技术。这些PNT新技术绝大多数不以GPS为核心,但并不完全独立,而是在GPS无法到达的地下、水下、室内等特殊环境或在军事对抗与电子干扰情况下成为备份PNT,弹性、可靠地向军事用户提供可信的PNT信息。

   然而,目前公开的部分在研PNT新技术虽有强度高、覆盖广等优点,但尚有精度不高、使用不便等问题,并且研发进展相对较慢,短期并不能真正推广使用,甚至是形成初步作战能力。但是,基于美国现今国家层面统一的PNT综合体系和政策,必会将之前围绕GPS开展的多种PNT技术与装备并存却无法统一使用的现象彻底结束,建立起一个弹性、可靠、互补、稳健的强大国家PNT体系架构,支持国家军事、经济和社会等。

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