美国陆军定位导航与授时技术发展分析

● 文| 北方科技信息研究所 于洋

美国陆军定位导航与授时技术发展分析

● 文| 北方科技信息研究所 于洋

GPS是美国陆军定位导航与授时的能力基石，已经装备到“斯特赖克”战车、“奈特勇士”系统、“步兵”无线电台和M777榴弹炮等各类作战单元。随着GPS易被干扰、受地形限制等自身缺陷和战场电子对抗激烈程度的不断加剧，美国陆军定位导航与授时技术的优势受到挑战，促使国防部和陆军开始发展更灵活和先进的定位导航与授时系统。

一、从顶层明确陆军定位导航与授时的能力需求

美国国防部2010年出台《国家定位导航与授时体系执行计划》，随后陆军基于该计划出台《定位导航与授时核心能力需求》，并于2013年发布《战术可靠GPS区域性能力替代方案分析》，明确了陆军在战术环境下的定位导航与授时能力需求，潜在的技术和系统解决方案，以及不同的系统、作战平台和各级作战梯队在GPS失效环境中的可用替代技术与集成方案，并将实现“可靠定位导航与授时”能力作为最终目标。美国陆军计划通过近期（2015-2017财年）和远期（2017-2025财年）两个阶段，通过制定定位导航与授时多系统之系统体系，基于开放式的构架和先进的技术，减少系统终端的种类和数量，实现以平台为中心、以M码GPS系统为基础的分布式可靠定位导航与授时多系统之系统。

二、美国陆军定位导航与授时能力发展的核心内容

美国陆军定位导航与授时技术仍将GPS系统作为核心能力和基础，在加强GPS信号强度、抗干扰能力的同时，以陆地导航、混合导航和自动导航技术弥补GPS的能力缺陷，并利用各类数据链、战术网络、Wi-Fi等信息技术作为定位导航与授时信息的传输途径，增加电子对抗的“鲁棒性”，在兼顾尺寸、重量、成本、功耗的前提下，以推动创新，维持技术优势为主要目的，发展综合定位导航与授时技术。

1.制定总体发展框架，提高灵活性和创新力

为了保证定位导航与授时技术的创新能力和优势地位，美国陆军提出了定位导航与授时多系统之系统架构方案和“IT盒”概念。过去，陆军在没有总体方案指导下斥资数十亿美元开发、采购了各种各样的GPS接收机，性能、接口、种类和软硬件没有统一的标准，为整合和维护带来了挑战。定位导航与授时多系统之系统架构是开放式体系结构，灵活性高，能在不影响作战平台集成度、接口类型、作战能力和成本的前提下，以硬件和软件插入的形式，灵活兼容最新技术和产品。例如，美国陆军在该构架下应用的定位导航与授时控制中枢（PNT Hub），能够通过软件和硬件的不同配置，无缝控制定位导航与授时信号的安全等级（共分4级），并能集成芯片级原子钟（利用铯原子的稳定振荡来确保精确计时）等创新性技术。未来，陆军将继续以更灵活的方式，为定位导航与授时多系统之系统构架中的系列产品集成最新的定位与授时技术方案。

2.减少终端数量，增加作战效能

目前，美国陆军地面车辆装备的很多电子设备与系统都自带定位导航与授时终端。例如，美国陆军“斯特赖克”战车装备的21世纪旅及旅以下作战指挥/蓝军跟踪系统、AN/PRC-155 HMS便携式无线电台等都自带导航定位终端，使车辆最多能同时拥有8个GPS接收机，以及相应的8根天线和加密设备，导致功能冗余，系统复杂，工作负荷高，增加了车内电缆的数量和重量，并且难以管理。为此，陆军计划以“斯特赖克”战车为样板，基于VICTORY车电架构和未来的“机载能力环境”，为作战平台的不同电子系统终端提供对应的导航定位信息，实现平台的分布式定位导航与授时能力，从而能用一根自适应抗干扰天线替换车辆的所有天线系统，并将研究成果逐渐应用到其他平台。

3.以M码GPS系统为能力基础

M码（军码）GPS目前正处于技术发展和风险规避阶段，比现有的P（Y）码信号具备更高的定位精度、信号功率和新的信号结构，抗干扰能力强。美国法典规定：除非国防部长批准，否则军方自2017财年后不能采购不具备M码功能的GPS接收机。2013年5月1日生效的美军参谋长联席会议第6130.01E号指令“定位导航与授时控制计划”规定：第24颗M码GPS卫星按计划在2018-2020年投入使用后，军方全部使用具备M码功能的GPS终端。但是，要充分发挥M码的优势，必须为所有作战单位统一增加M码模块，而美国陆军目前尚未建立完善的定位导航与授时多系统之系统构架，单兵、各类平台和装备系统中充斥着数量庞大的GPS接收机，为这些终端更换M码模块需要消耗大量经费和时间。因此，定位导航与授时多系统之系统架构是实现M码GPS系统经济可承受的唯一途径。

三、陆军定位导航与授时技术的发展趋势

现阶段，美国陆军正在通过可靠定位导航与授时项目和国防高级GPS接收机分布式装置项目，研究原子钟、平台分布定位导航与授时、惯性导航系统等技术。这些技术虽然将非GPS技术作为重点，但并不是完全独立于GPS，而是将其纳入其中，共同形成一种可靠的综合解决方案。此外，陆军的项目不仅涉及硬件和软件，还包括陆军体系构架、培训、测试和作战概念验证。同时，国防高级研究计划局也在探索新的精确定位导航与授时技术，并为新技术的应用创造条件。

1.陆军重在为定位导航与授时系统“瘦身”

国防高级GPS接收机分布式装置项目是国防高级GPS接收机的功能替换装置，可替换各类平台上的冗余GPS装置，并升级至M码。2015年，美国陆军的定位导航与授时技术研发项目进入关键时期。陆军将在G-6、陆军训练与条令司令部等部门的支持下，基于“通用操作环境”中各类计算环境的标准，对现有的定位导航与授时技术研发项目进行评估，并作为2016财年项目后续决策制定的重要依据。

2.国防高级研究计划局将提供更先进的解决方案

美国国防高级研究计划局已经启动了很多项目研究新的定位导航与授时技术，其中的自适应导航系统项目、定位导航与授时微技术项目和量子辅助感知与读出项目，都具备应用于陆军定位导航与授时多系统之系统架构中的潜力。这些项目将开发新的算法实现定位导航与授时传感器在各类平台的“即插即用”能力，新的高稳定和精确的芯片级陀螺仪、时钟，并提高原子钟的坚固耐用性，增强GPS等现有系统的性能。

此外，国防高级研究计划局新启动了导引头低成本转变项目，为智能弹药和制导弹药等低成本、尺寸小、轻量化、低功耗平台提供GPS对抗环境下的“鲁棒”精确定位导航与授时技术，并进一步减小弹药尺寸。项目研发的新导引头将融合被动捷联电光/红外传感器、GPS接收机、惯性测量组件以及为未来升级潜力预留的各类接口；具有宽/窄两种视场和与之相对应的两种分辨率，在飞行导航阶段使用大视场，具备低级到中级分辨率；在末制导阶段采用窄视场，具备中级到高级分辨率。据国防高级研究计划局预测，该导引头在遭遇对抗环境前借助GPS进行导航，此后则利用成像传感器进行导航、目标定位和识别、打击部位选择和末制导。项目的目标是末制导精度达到或超过当前导引头的精度。

四、结束语

美国陆军只是美军定位导航与授时技术发展规划中的组成部分。美军定位导航与授时技术的发展目标是：到2025年，能够以通用的定位导航与授时解决方案，融合所有可用的信息源，利用各种信息传输渠道，在各种地面环境和对抗条件下，为作战部队提供实时、有效、精确的定位导航与授时信息，保证实时指挥控制和态势感知能力。美军对定位导航与授时技术的应用理念与当前的“云计算”非常相似，因此有专家提出了“云定位导航与授时”概念，并与“赛博”技术的相互关系越来越紧密。

［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.