美正在开发的PNT新技术及几点认识

● 文| 李耐和张永红席欢

1.工业和信息化部电子科学技术情报研究所 2.中国国防科技信息中心

美正在开发的PNT新技术及几点认识

● 文| 李耐和1张永红2席欢2

1.工业和信息化部电子科学技术情报研究所 2.中国国防科技信息中心

介绍了美国国防高级研究计划局正在开展的5项PNT新技术的研究目的、关键技术领域、开发步骤和研究进展，并简要总结了PNT新技术可能产生的影响。

GPS是实现定位、导航与授时（PNT）所不可或缺的重要手段，几乎所有的美国军用系统和作战平台都依靠GPS或基于GPS的组合导航系统。但GPS导航存在信号较弱、穿透能力差、易受干扰、易受网络攻击等缺陷，在电子环境日益复杂、频谱对抗日趋激烈的战场环境中面临严重威胁。为继续掌握未来战场制导、导航权，维持在PNT领域的技术优势，避免过度依赖GPS而带来的巨大风险，美国国防高级研究计划局（DARPA）正在将新物理技术、新设备和新算法投入到PNT相关技术的研发工作中。近年来，DARPA陆续开展了5项技术研究项目，其目标是努力提高现有武器装备的导航水平，并保证在GPS功能降级或不可用时提供可靠、高精度的PNT功能。

一、微型定位、导航与授时技术

微型定位、导航与授时（微型PNT）项目旨在以微电子技术和微机电系统技术为基础，开发出体积小、功耗低的惯性导航核心组件，即微型、高精度的时钟和惯性传感器单元，并通过微尺度的集成制造技术将其组合在一起，制造出能够在多种作战场景下使用、高稳定性的芯片级惯性测量装置。

该项目于2010年1月启动，共有40多家机构参与，包括美国陆军研究实验室、空军研究实验室和NASA等10家政府机构，密歇根、斯坦佛、康利、麻省理工等14家大学，桑迪亚国家实验室、喷气推进国家实验室等6家实验室，以及波音、诺格、霍尼韦尔等20家国防承包商。

微型PNT项目致力于研发超稳且精确的仪器，包括芯片大小的陀螺仪、时钟和完整集成的授时与惯性测量装置。它涉及4个关键技术领域：时钟、惯性传感器、微尺度集成及测试评估。DARPA将采用新型制造和深度集成等先进制造技术，将微型时钟和惯性传感器单元集成到单个芯片上，最终开发出芯片级组合原子导航仪，实现惯性导航系统的微型化。

目前，DARPA研究人员已经开发出了集成3个陀螺仪、3个加速度计、1个高精度主时钟的样机，其尺寸比一美分硬币还小。与当前传感器相比，这种自校准、高性能和成本效益高的微型传感器，可显著提升现有传感器功率，并有效降低尺寸、重量。2014年，美陆航和导弹研发工程中心授予诺格公司一份“芯片级组合式原子导航”（C-SCAN）项目合同，用于研发微型惯性导航系统，包括NMR陀螺仪技术成熟化、缩小该装置当前尺寸并研发新型精确光学加速度计，该项目是微型PNT项目的组成部分。诺格公司将通过综合运用声体波微电子机械系统陀螺仪和核磁共振陀螺仪技术，将微电子技术、微机电系统和原子惯性制导技术集成到一个惯性测量装置，以缩短启动时间并长期提供稳定的性能。这些先进芯片级导航传感器的潜在应用包括：瞄准、定位、制导、导航和智能武器。

二、自适应导航系统

自适应导航系统（ANS）项目将通过开发新的算法和体系结构，实现多个平台PNT传感器的快速即插即用集成，从而降低开发成本，并将部署时间从数月缩短至数天。

ANS基于DARPA正在开展的两个项目分别是精确惯导系统和全源定位导航系统。精确惯导系统利用冷原子干涉仪的量子物理特性提升测量精度，制成精度极高的惯性测量装置。这种装置可以长时间工作，无需依赖外部数据确定时间和方位。全源定位导航系统利用非GPS信号，如激光雷达、激光测距仪、商用卫星、广播电视信号、甚至闪电等提供的PNT参考信息，多渠道获取信息，实现定位、导航与授时。由于这些不同信号来源非常充足，将提供比GPS更强的信号，可在GPS受阻和降级环境中提供位置信息，从而大幅度提高导航定位的精度及可靠性。

ANS项目包括3个技术领域：1）更好的惯性测量装置。它需要较少的外部定位数据。2）非GPS信号源。通过军、民领域的多种传感器信号应用，实现定位、导航与授时。3）新的算法和体系结构。可根据具体任务，利用新型非传统传感器，迅速重新配置导航系统。

目前，精确惯导系统和全源定位导航系统项目均处于第2阶段，2014财年在多种平台上完成子系统现场演示，2015财年将进行端-端系统演示。

三、量子辅助感知与读出

量子辅助感知与读出（QuASAR）项目将在现有的原子控制与读出技术基础上，开发下一代磁场、力学和时间量子传感器，用于美国国防部各领域，特别是生物成像、惯性导航和精确守时等领域。

该项目包括3个技术领域：1）电磁场感知。利用原子和类原子系统的量子特性，开发具有亚纳米级分辨率和高灵敏度的电磁传感器。2）力学感知。开发新型加速度计和新型测力计，前者具有接近量子极限的灵敏度，带宽大于10千赫。后者在标准量子极限（SQL）附近工作，易于集成。3）守时技术。将利用实验室原子钟技术的最新成果，开发下一代便携式时钟，其分频稳定度将比基于微波的美国现有频率标准高出两个数量级，接近10-17/天。

该项目于2010年启动，为期5年，分为3个阶段。第1阶段（2年）：完成可行性分析、部件研发和传感器设计。第2阶段（2年）：完成部件集成和原理证明实验的实验台演示，达到传感器的性能里程碑。第3阶段（1年）：研究量子辅助感知与读出传感器在国防部的应用前景，并提交技术成果转化可行性计划。

目前，该项目研究人员已在实验室中研发出光学原子钟，其授时误差在50亿年内不到1s，是世界上最精确的原子钟。未来，研究人员将进一步改进其性能并实现便携化。

四、超快激光科学与工程

超快激光科学与工程（PULSE）项目旨在开发生成和控制超快光脉冲的技术，利用最先进的脉冲激光技术，显著提高原子钟和微波源的精度和尺寸，远距离实现更精确的时间和频率同步。

该项目包括4个技术领域：1）开发两种灵巧的低噪声射频振荡器，包括基于锁模激光器的机架安装光频分振荡器和芯片级光频分振荡器。2）演示最精确的光钟分发技术。开发可在实际系统中使用的光学时间传递技术，包括单向光纤时间传递技术和自由空间时间传递技术。3）开发激光驱动二次辐射源。重点开发3D相干X射线成像系统，可在2.3～4.4nm范围工作，成像亚细胞结构分辨率低于5nm。4）开展原秒（10-18s）科学研究。重点是通过原秒泵浦-原秒探测光谱方法，开展复杂系统（如凝聚态物质、等离子体）中原秒电子动力学的研究。

项目于2012年启动，为期5年，分为3个阶段。第1阶段（2年）：开发部件，并进行原理证明演示。第2阶段（2年）：完成部件集成和实验室演示，达到性能里程碑。第3阶段（1年）：在相关军用环境下全面演示有关能力。

五、在对抗环境下获得空间、时间和定位信息

在对抗环境下获得空间、时间和定位信息（STOIC）项目旨在开发能够在作战等环境下提供不依赖于GPS、能够达到GPS等级的PNT系统。

该项目包括4个技术领域：1）鲁棒的远程基准信号。开发不依赖GPS、无处不在的抗干扰PNT系统，可在对抗环境下使用。地面基准信号发射机间隔至少10000km，无需在对抗环境内部或附近部署和维护基础设施。系统授时精度低于30ns，定位精度低于10m。2）超稳定战术时钟。开发超稳定战术时钟，其稳定度比目前铯束钟高100倍，具有作战所需的足够鲁棒性。STOIC时钟的艾伦偏差优于10-14/s和10-16/月。3）利用多功能系统提供PNT信息。STOIC将为战场机动平台协同开发不依赖GPS的时间分发和定位方法，实现平台之间相对时间精度为10ns（阈值）和10ps（目标）。4）辅助技术。重点为上述3个领域开发新的部件、工艺、传感器和建模方法。

该项目为期4年左右，分为4个阶段（见图1）。第1阶段（1年）：主要进行各技术领域的分析与设计。第2阶段（1年）：主要进行各技术领域原型（或时钟）构建与测试。第3阶段（1年）：主要进行各技术领域系统（或时钟）构建与测试。第四阶段（时间未知）：主要进行集成系统的演示。

图1 STOIC项目进度

六、几点认识

当前，卫星导航系统的覆盖范围最大、应用范围最广、用户使用最便捷，在信号可用的情况下，仍然是目前最可靠和最有效的导航定位手段。PNT新技术在覆盖范围、应用领域、易用程度上与卫星导航存在巨大差距，作为卫星导航系统的补充和备份，能够有效提高PNT服务的精度和可靠性。

1. PNT新技术将有效降低依赖GPS的风险

由于GNSS存在的许多固有弊端，如在地下、水下、室内、城市或高山峡谷，以及干扰环境下难以提供可靠、高精度PNT服务，单独使用卫星导航系统存在极大隐患，不仅某些区域无法实现高精度的导航定位，而且在军事对抗等条件下，由于电子干扰、地形障碍等原因，可能导致GPS性能降级或失效。对GPS的依赖越大，其被干扰或毁坏的风险也就越大，一旦服务失效将对经济、社会和军事领域造成严重影响。PNT新技术特有的优势，能在GPS不可用时提供高精确度的导航定位服务，如自适应导航系统能有效解决建筑物内和地下深处等地方的导航问题，在对抗环境下也能获得空间、时间和定位信息，将使美军拥有除GPS之外的备份定位、导航与授时能力，确保美军精确行动的灵活性和便利性。

2. PNT新技术将提供更强的定位导航能力

PNT新技术自身的优势，不仅可以用于建筑物深处、地下、水下等GPS信号无法覆盖的环境，而且精度和灵敏度更高。随着武器装备小型化成为重要发展趋势，在未来战争中将有更多的小型甚至微型作战平台加入作战序列。微型PNT项目不仅有望解决小型甚至微型作战平台惯性导航的难题，而且能够弥补GPS能力的不足，有效提高导弹和精确制导武器的作战效能：将使士兵、设备具备更好的和更可靠的态势感知能力，确保导弹更好的飞行；使配备量子罗盘的无人机，无需卫星导航，更易于飞行，飞行过程更加安全。量子辅助传感与可读项目一旦成功，其所实现的地理位置感知能力可能会比现有任何系统精确1000倍；能有效保障隐私性，仅需依赖原子特性即可确定实际地理位置，无需从空间获取信号；成本更低廉，且具有基于位置搜索功能的潜能。

3. PNT新技术将具有广阔的应用空间

美军开发新型导航技术主要是基于军事目的，但这些技术也拥有巨大的民用潜力。和GPS一样，PNT新技术也可以利用民用市场赢得发展空间，进一步完善在军事领域的应用。美媒体研究人员将原子级GPS（包括C-SCAN和QuASAR）作为可能产生比互联网更大影响的四大技术之一。微型PNT技术被美国网站评为20项“最有可能改变生活的技术”之一。此外，量子辅助感知与读出项目在雷达、测量等军事领域也有较好的应用前景，包括新型雷达、激光雷达和测量系统等。超快激光科学与工程项目成果将改进辐射源，提供更强的定位、导航、相干成像和探测等能力。

［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.