不依赖卫星的新型导航技术发展分析

● 文 ｜ 中国国防科技信息中心　赵利平　席欢　张永红　耿国桐



不依赖卫星的新型导航技术发展分析

● 文 ｜ 中国国防科技信息中心赵利平席欢张永红耿国桐

海湾战争以来，以GPS为代表的卫星导航系统迅速发展，由于其具备信号覆盖广、定位精度高等优点，成为目前应用最广泛、使用最方便的导航定位授时手段。然而，卫星导航属于无线电导航，存在信号发射功率低、穿透能力差等固有弱点，信号无法到达室内、地下、水下、城市等遮蔽环境，而且容易受干扰，特别是在高强度对抗的现代战场环境中，空间卫星还可能遭受反卫武器攻击，地面站等核心设施也容易被摧毁，防护能力弱，高度依赖，可能影响作战使用、关乎战争结局。在这种背景下，各国均意识到要重视发展不依赖卫星的新型导航技术。

一、基本情况

美、英、日等国近年来都开展了不依赖卫星的新型导航技术研究，重点发展微型惯性导航技术、量子导航技术、自适应导航技术、脉冲星导航技术等不依赖卫星的导航新技术。例如，英国提出随机信号导航概念，积极发展量子导航技术；美国国防高级研究计划局（DARPA）陆续开展了微型定位导航授时技术（Micro-PNT）、自适应导航系统（ANS）、X射线脉冲星导航、基于高动态原子传感器及系统的精确惯导系统、远程反舰导弹、拒止环境协同作战、冷原子微系统等项目研究，从不同侧面和角度解决GPS受限条件下的定位导航问题。

二、几种典型技术发展分析

当前，不依赖卫星的新型导航技术逐渐成熟，已形成一个庞大技术群，其中微型定位导航授时技术、自适应导航技术以及量子导航技术的发展最具代表性，成为新型导航技术发展的重要方向。

1.微型定位导航授时技术

2010年1月，DARPA启动Micro-PNT计划。该计划以微电子技术和微机电系统技术为基础，开发芯片级原子钟、加速度计和陀螺仪等惯性导航器件，并通过微尺度集成制造技术将它们集成在一个微型芯片中，形成满足多种武器平台作战需求的低功耗、高精度、高动态的微型自主惯性导航系统（见图1）。

图1　Micro-PNT系统的构成

Micro-PNT计划包含4个关键研究领域，分别是时钟、惯性传感器、微尺度集成以及测试与评估，共10个具体研究项目。该计划重点解决微小型陀螺精度不高、长期稳定性差等问题，提供长航时（如几小时）导航、高速运动导弹（速度可达1000km/h甚至更高）精确惯性制导等能力。总体目标是突破芯片级原子钟和微陀螺技术，形成体积约8mm3、质量约2g、功耗低于1W的微型自主定位导航授时系统。目前已研制出功耗100mW量级、短期稳定性优于30×10-11/天、长期频率漂移为5×10-11/天的芯片级原子钟样机；在实验室条件下突破稳定性0.1°/h的微机电系统陀螺仪技术；开发出集成3个陀螺仪、3个加速度计、1个时钟，体积仅8mm3的样机系统（见图2）。

Micro-PNT系统体积小、成本低、精度高、不依赖外界信息、不向外辐射能量、抗干扰能力强，可广泛应用于微型无人机、机器人、无人潜航器等微型作战平台、精确制导武器以及单兵系统，解决室内、水下、地下、隧道等GPS信号无法到达环境下的定位导航授时问题。

2.自适应导航技术

2011年，DARPA启动“自适应导航系统”（ANS）项目，该项目包括精确惯导系统（PINS）和全源定位导航（ASPN）两个子项目。总体研究目标是：（1）开发基于冷原子干涉技术的惯性测量单元，即冷原子干涉陀螺仪；（2）寻求用于外部位置校准的导航源；（3）开发新的导航算法和软件结构，以利用非传统导航传感器在特定环境中快速配置导航系统。其中，PINS项目主要完成第一个目标， ASPN项目完成第二、三个目标。

PINS项目于2003年启动，2009年设计出单轴陀螺仪加速度计，并在实验室演示系统中成功运行一年，漂移率5m/h，远远低于高性能GPS/ INS系统（1400m/h）。同年，项目升级为“基于高动态原子传感器及系统的精确惯导系统”（PINS-HiDAR）项目，开发三轴陀螺仪加速度计，扩展高动态环境下的应用能力。

ASPN项目于2010年启动，旨在通过导航传感器融合算法和重新配置技术，将不同导航传感器灵活组合，实现即插即用的无缝导航，可利用的导航信号源包括电视、广播、手机信号塔、卫星等射频信号以及闪电等自然现象信号，表1为全源定位导航系统利用的传感器、信息类型等。

目前，自适应导航系统的PINS项目和ASPN项目都处于第2阶段，2014年进行了各平台的演示验证，2015年将进行端对端的演示验证。自适应导航系统将解决室内、“城市峡谷”、丛林、水下、地下等卫星信号无法到达的环境及强对抗战场环境的定位导航授时问题，具有广泛的军事应用前景。

3.量子导航技术

冷原子干涉技术的发展使获取高精度磁场和重力场数据成为可能，结合传统的地磁导航、重力导航技术，量子导航技术有潜力实现高精度的导航定位服务。与卫星导航系统相比，量子导航系统无需向外界发射信号，不受外界环境限制和干扰，可作为拒止环境下卫星导航的有效补充；与惯性导航系统相比，量子导航系统无需利用其他导航手段进行校正，不存在累积误差。

量子导航技术的典型代表，一是英国的量子罗盘，它是英国国防科学技术实验室与国家物理实验室联合提出的一种以超冷原子干涉为基础的自主导航系统。2014年研制出一套量子加速度计样机。英国计划2015年首先进行陆上测试，2016年安装到潜艇上，有望将潜艇一天水下航行误差从1000m缩小到1m。量子导航技术一旦用于实战，潜艇深海作战将产生质的飞跃。设备小型化后还可应用到飞机、汽车、火车、智能手机、单兵等。二是美国DARPA 2015财年预算中新增的“冷原子微系统”项目，该项目旨在推动基于冷原子干涉的陀螺仪、加速度计、原子钟等微系统的研发，目前已经进行若干原理验证性实验，正在研发高效率窄带宽激光器、小型高隔离度光开关、小型超高真空腔和真空泵等相关器件。

表1　可能用于全源定位导航方案中的要素

三、两点认识

1.卫星导航系统的核心基础地位较长时期内不可替代

近年来，不依赖卫星的新型导航技术得到人们关注并获得发展，但从实际发展来看，部分新型导航技术或者应用范围有限，或者尚未实现技术突破，卫星导航系统在未来国家定位导航授时体系中的核心和基础地位较长时期内不会改变，其在高精度、全天时、全天候、大范围、低成本等方面的优势，尚无其他技术可以完全替代。

2.不依赖卫星的新型导航技术是重要补充

卫星导航系统核心基础地位虽然不可替代，但也存在信号弱、难以覆盖地下、水下、室内等区域，环境适应性差等固有缺点。特别是高对抗强度的现代战场环境，对连续、高精度导航定位提出了更高要求。采用新体制、新原理形成的不依赖卫星的新型导航技术，可以在一定程度上提高导航精度，降低设备重量、体积、功耗和成本，是卫星导航的重要补充手段。美国从2010年开始实施国家“定位导航授时”（PNT）体系建设计划，主要思路是继续保持GPS的核心地位，同时整合各种可用PNT资源，弥补基于GPS单一系统导航定位能力的缺陷。近年来美军实施的多项导航技术项目，基本体现了这一思路。