外军“不依赖GPS导航”技术

闻成

近年来，外军为提高在高威胁环境中的作战能力，大力提高武器制导的可靠性，许多国家军方政策支持加速发展不依赖GPS的武器制导技术，并开始应用于诸多新型武器。

发展背景

进入新世纪后，包括美军在内的许多国家军队都意识到现代作战行动对GPS的依赖过于严重，而随着GPS干扰技术的快速发展，这一隐患将成为各国军队战时使用武器的巨大威胁。

为此，从2010年开始，以美军为首的西方军队大力倡导不依赖GPS导航技术的发展。

DARPA的新要求从2010年起，美国国防部高级研究计划局开展了不依赖卫星导航系统的研发工作，目的是全面替代GPS，而不是作为GPS系统的补充。为此，2014年6月，美国国防预先研究计划局（DARPA）向工业界发布新的项目公告，要求发展不依赖现有GPS的武器导航技术。该项目名为“对抗性环境中的空间、时间和方位信息”（STOIC），目的是寻求发展PNT系统，提供独立于GPS系统之外的定位、导航和定时信息。该技术提供的信息应与GPS系统提供的定时和定位精度相当。为了达成目的，专家们必须结合远程参考信号、超稳定战术时钟、以及可在用户之间分享PNT信息的多功能系统。此后，美国DARPA同时开展了5个项目的研究，全部或部分聚焦于定位导航授时技术的开发。

空军的新政策DARPA的要求很快得到了空军的政策支持。2015年1月，美国国防部在寻求AGM-86“空射型巡航导弹”替代方案时表示，未来所有空基核武器将全部可在非GPS环境中工作。几乎与此同时，美国防部修订了“LRASM导弹加速采购项目”合同，要求该弹在无GPS系统、数据链等其它信息支援的情况下，在电子战环境中凭借自身的多模传感器和机载/舰载瞄准系统实现自主探测、识别和打击目标。2015年9月，位于美国俄亥俄州赖特·帕特森空军基地的美国空军研究实验室与3个军事承包商签订合同（STOIC），开发具有全球定位系统（GPS）性能的军事定位、导航和授时（PNT）技术，但其运行独立于GPS卫星导航系统。其中，雷声BBN技术公司在2015年6月获得170万美元合同；探险技术公司、罗克韦尔柯林斯公司在同年4月分别获得52.4万美元和540万美元的合同。

海军积极响应与空军几乎同时，海军也对DARPA的要求反应积极。2015年1月，美国海军提出，考虑到潜艇越来越依赖GPS导航，需要发展GPS被干扰或不可用时的潜艇导航系统。为此，美国海军制定计划将利用有限的资金和现有的传感器，比如成像器、天线和陀螺仪等，完成新型硬件保障装备。海军建议导航源为磁场、天文或者光学。计划中还明确任何需要主动向外发送信号的方案一律不予通过，因为这样很有可能暴露潜艇的位置。

在拒止环境中作战是美军当前国防科技和作战能力的发展重点之一，涉及指挥控制、互联互通、精确制导、电子对抗、机群协同、定位导航授时等诸多领域的科技项目正在实施之中。目前，在国防部和各军种的积极响应下，不依赖GPS的武器制导技术已经成为新的武器技术发展方向。为此，英国等美盟国也开始与美国同步发展各种不依赖GPS的武器制导技术，有些项目已投入应用试验。

技术途径

传统的GPS主要通过接收不同卫星信号来计算确定接收者的空间位置，新的不依赖GPS导航技术主要依靠不与外界发生信息交互的自身定位系统或多种来源的外界光、电信号来定位和导航，新技术主要包括以下几种。

惯性导航技术这是在传统惯性导航技术基础上发展起来的新一代微型化、精确化的导航技术。2013年开始，DARPA启动了一个名为“弹药精确强大惯性制导：先进惯性微型传感器”的项目，为制导弹药研发“没有外部导航援助”（如GPS）情况下的精确导航技术。DARPA目前正在开展的5个不依赖GPS导航项目中，有两项是以惯性导航技术为基础。其中，适应性导航系统项目主要是开发可适应多种平台的“即插即用”导航与定位传感器结构与算法，开发成本降低，将部署周期从数月缩短到数天。该技术主要通过冷原子干涉陀螺仪实现惯性测量，利用量子属性制造准确的惯性测量装置，不需外部数据即可长时间确定时间和位置。同时，为将成果应用于武器制导，DARPA主要开发微导航定位（PNT）技术，通过利用其开发的微机电系统（MEMS）技术研发独立的芯片级惯性导航和精确制导系统。DARPA目前正在开发具有自校准、高性能和低成本的微型传感器，用来替代当前体积、重量和功率均较大的传感器。微导航定位（PNT）技术近期的其它技术突破包括用于惯性传感器的新型微加工技术和材料。

图像导航技术图像导航技术（ImageNav）是利用弹上传感器对地形成像，将飞行路径与存储的地形数据进行对比，可以达到3米的圆概率误差水平。美国国防部在2016年1月授予美国科学系统公司“小企业创新研究”第3阶段合同。要求开发先进的“图像导航”技术，并对技术成熟度进行评估。该技术将在波音公司的增量Ⅰ型“小直径炸弹”（SDB）上进行试飞和演示，并对技术成熟度进行评估，预计在2018年1月之前完成。按照该合同发展的图像导航/精确瞄准系统还可用于无人机和导弹。除了美国空军之外，美国国防部国防高级研究计划局也正在实施“导引头成本转变”（SECTR）项目。该项目发展的带有SECTR的武器由载机发射后，在进入高对抗空天环境前，利用GPS进行导航，进入高对抗空天环境后，利用成像传感器进行搜索、目标定位和识别、瞄准点选择和末段寻的。该技术也是提高导弹武器制导技术可靠性的主要项目。

地磁导航技术地磁场是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的坐标系。在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其它地点的矢量，而且与该地点的经纬度存在一一对应的关系。因此，理论上只要确定该点的地磁场矢量即可实现全球导航。近年来，地磁导航因其隐蔽性能好、效费比高、即开即用，误差不随时间积累的优势而被广泛应用和快速发展。早在2003年8月，美国国防部军事关键技术列表中提到，他们所研制的纯地磁导航系统在地面和空中的定位精度优于30米（CEP）。俄罗斯的新型SS-19导弹采用地磁场等值线匹配制导方式，导弹进入大气层后，不是按抛物线飞行，而是在稠密大气层内沿地磁等高线飞行，使美国导弹防御系统无法准确预测来袭导弹的飞行弹道轨迹，大大增强了导弹的突防能力。美国生产的波音飞机上配备有地磁匹配制导系统，供飞机起飞降落时使用。目前，该技术已经在高空长航时无人机上得到验证，并和GPS组合使用。在GPS完好时，将磁强计同时用于定姿和定位，以提高惯导/GPS组合导航系统的精度；在GPS失效时，利用磁场匹配辅助惯性导航，减少惯导系统输出误差。

全源定位和导航（ASPN）这也是美国DARPA正在开展的5个项目之一。该技术包括3个主要元素：远程强劲的参考信号，极稳定的战术时钟以及为多用户提供导航定位信息的多功能系统。其原理主要是利用非导航电磁信号，包括商用卫星、光波和电视信号甚至闪电，为PNT系统提供额外的参考信息。将不同的信号来源相结合，可以使这种导航系统在GPS信号较弱甚至消失的情况下，提供比GPS模块定位导航系统更强更丰富的信息。

超低频导航技术目前，各国海军几乎都需要依靠超低频通信与潜艇保持联络，而这种超低频无线电波也可用于地理定位，可在未来作为当GPS系统失效时的替代定位手段。目前，美国国防部高级研究计划局资助美国佛罗里达大学国际雷电研究与测试中心正在发展超低频导航定位技术，该中心已在全球各地布置超低频信号接收器，其中甚至包括格陵兰和南极地区，并不断开展利用闪电以及窄波通讯技术进行的定位测量实验。

应用发展

为了尽快将不依赖GPS导航技术成果应用于武器，各国已开始开发各种不依赖GPS导航装置，并在一些武器上开展试验。

授时惯性测量装置（TIMU）在美国DARPA的支持下，密歇根大学的研究人员在授时惯性测量装置（TIMU）方面的研究已经取得重要进展。新的装置被集成在仅8立方毫米的芯片上，芯片中集成有3个微米级的陀螺仪、加速器和原子钟，它们共同构成一个不依赖外界信息的自主导航系统。单芯片的TIMU样机包含6坐标轴惯性测量装置（3个陀螺仪和3个加速度计），并集成了高精度的主时钟，这7种装置构成一套独立的微型导航系统，尺寸比1美分的硬币还小。精确导航需要知道方向、加速度和时间3类关键信息，这种新型芯片能够同步测量这3类信息。芯片通过新型制造工艺、高质量材料才能完成，TIMU共有6层用微技术加工的二氧化硅结构层，每层厚度仅为50微米，与人类头发的直径相当，每层功能不同。TIMU未来的潜在应用广泛，由于其体积小且功能强大，可用于人員追踪、手持式导航、小口径弹药以及小型空中平台等。该项目的目标是为了开发独立的芯片级惯性导航和精确制导技术。

微型惯性传感器该项目与授时惯性测量装置相似，部分内容甚至在同一发展计划中进行，主要是实现导航装置的小型化和精确化。2016年初，美国DARPA授予总部位于加利福尼亚州的HRL实验室价值430万美元的合同，用于研发最终能实现不依赖GPS精确制导和导航的抗振抗冲击惯性传感器技术。该实验室为波音公司与通用动力公司联合拥有。该合同要求HRL实验室计划把一个名为“柯氏振动陀螺”（CVG）的“微电子机械系统”（MEMS）传感器与一个极精准原子钟基准频率同步，目的是利用“原子超精细跃迁频率”的精确性提高惯性陀螺的精确程度，其实际就是将该原子钟基准频率的稳定性传递给“柯氏振动陀螺”传感器。DARPA指出，对称“微电子机械系统”架构、集成光子学、光学测力及位置应用方面取得的近期进步，为感应旋转及加速度新模式提供了机遇，而感应旋转及加速度是惯性导航的组成基础。DARPA还表示，使用“柯氏振动陀螺”的2D及3D“微电子机械系统”平台可以生成先进的自动陀螺，能实现相当于、甚至优于当前GPS方法的精确制导。

导引头成本转变项目（SECTR）2015年6月，美国防预先研究计划局（DARPA）发起了导引头成本转变项目，对不依赖于GPS的制导系统进行验证。该制导系统能够对静止、可重新部署和移动目标等进行全天时导航和精确末段寻的，主要用于高对抗环境下无法借助数据链获得激光目标指示和连续的瞄准更新数据时使用。DARPA的导引头概念方案，采用被动捷联式电光/红外传感器（用于导航的大视场、低级到中级分辨率，用于末制导的窄视场、中级到高级分辨率），进行末段寻的时，广域视场分辨率为低度到中度、窄视场时分辨率为中度到高度。该项概念导引头还加载有GPS接收机、惯性测量部件，以及为未来升级潜力预留的接口。SECTR项目包括两个阶段：第一阶段持续21个月，主要设计和开发重量小于5千克导引头；第二阶段持续18个月，集成和测试重量不超过2千克的导引头，最终的重量指标小于1千克。DARPA表示，该系统“将为目标识别和优化选择打击部位提供高分辨率的成像和距离信息，这将在满足摧毁目标的前提下使战斗部的尺寸和重量最小化”，这也会降低武器的尺寸。这种小型、低成本导引头具有开放式和模块化架构，能根据设计或计划转换为先进的低成本精确制导弹药。

随机信号导航项目（NAVSOP）这一技术最早源于英国BAE系统公司，该公司在2012年6月公布“通过随机信号导航”（NAVSOP）技术。其利用诸如Wi-Fi、无线电台和移动电话等现成的信号辐射来计算系统用户的位置，精度可达到数米。NAVSOP系统可以抵抗敌方的干扰（这是GPS的弱点）和欺騙，还能够通过获取起初未能识别的信号来建立逐渐精确和可靠的定位结果。在某些情况下，它甚至可以利用GPS干扰机所发射的信号来进行辅助导航。NAVSOP系统工作所需要的基础设施都是现成的，所需要的硬件都可通过商业系统获取，用户不需要为它建立费用高昂的发射机网络。此外，它还可被集成到现有的各种定位设备中，从而提供比GPS更为优越的服务。该系统可以在建筑物林立的城区和建筑物内等GPS信号不可达的地方发挥作用，也可以通过捕获各种信号（包括低轨道卫星的和其它民用设备的），在北极等世界上最偏远的地区发挥作用。因此，该系统在军事方面有广泛的应用潜力。它可以帮助士兵在边远地区和建筑物密集的城区行动，也可以提高无人机（UAV）的安全性。目前，BAE系统公司已通过“雷神”无人机对该技术进行验证。此外，澳大利亚的洛卡塔（Locata）公司为美国空军研制的洛卡塔网络定位系统也已在白沙靶场完成测试，结果表明该系统可在GPS拒止情况下满足军用导航定位需求。该系统采用地面广播设备取代卫星，向局部区域发射导航信号。其信号强度是GPS卫星信号的100万倍，理论定位精度可达6厘米，且具有快速启动能力。

光学原子钟授时项目众所周知，导航技术严重依赖于精确的时钟基准，而GPS就是通过时钟授时达到了不同地点的时钟同步，进而计算出各自位置。光学原子钟授时项目是美国DARPA发展的不依赖GPS导航主要技术项目的基础。该技术主要通过发展精确的时钟基准为其它不依赖GPS导航技术提供基础服务。主要包括：一是量子辅助传感与读出技术。该项目主要是为了制造具有高可靠性和高兼容性的原子钟。目前高精度原子钟只能在实验室固定环境下工作。美国（QuA？ SAR）研究人员已经在实验室环境下开发出了光学原子钟，其在50亿年内的误差小于1秒。通过研发可移动的原子钟，提高GPS的精确度，开发新型雷达、激光雷达和测量系统等；二是超快激光科学与工程项目。该项目利用超短脉冲激光技术来显著提升原子钟和微波源的精度，从而精确实现远距离的时间和频率同步。如果PULSE项目取得成功，全球范围内都可以共享最精确的光学原子钟授时。

发展动因

发展不依赖GPS导航技术的目的是为作战人员和武器精确打击提供竞争激烈环境中类似GPS的定位、导航和授时功能。以美军为首的西方国家军队积极发展这一技术体系，既有着面对未来威胁环境发展的无奈，又有着占据技术优势地位的野心，也有着对现有GPS发展的无望。

减少对GPS的依赖美国的GPS系统在上个世纪末曾发展为最广泛的作战基础设施，渗透到了西方国家军队作战的方方面面，美军也对其产生了严重依赖，在本世纪前十年，美军忽然发现离开GPS系统，美军已经无法遂行作战和保障任务，这成为美军积极发展不依赖GPS导航技术最根本的原因。由于普遍预期GPS在未来战场上不可靠，因此从本世纪初开始，美军一直想在弹药制导和导航方面降低对全球定位系统（GPS）的依赖，因为美军规划人员担忧，这种依赖会使武器在GPS信号受到自然或人为干扰时变得脆弱。美国DARPA项目经理阿拉提·普拉巴卡尔介绍称，“定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺。DARPA目前正在研究新机理、研制新设备、开发新算法，以摆脱军事人员和系统设备对GPS的依赖。”

争夺战场技术优势美军认为，为了在未来战争中立于不败之地，必须保持对对手的高度技术优势，当初GPS发展即出于这一思想。当今的GPS模块导航技术已经无处不在，从汽车、船舶、飞机、火车、智能手机、手表，到无人驾驶车、制导武器和自动供应链管理，内置的GPS模块的设备发挥了重要作用，这都得益于美国DARPA早年对GPS小型化技术的投资。但未来大型冲突作战，曾经一度被视为优势的GPS由于易受干扰，反而处于潜在的劣势；在未来高威胁环境下，GPS性能退化或由于电子干扰、电磁脉冲武器或地形遮蔽无法使用GPS；特别是俄罗斯和中国等也发展了“北斗”和“格拉纳斯”等高性能GPS，逐渐缩小了与美军的技术差异；基于这种认识，美国正在寻求发展GPS的替代产品，以保证精确制导弹药在未来对抗环境下仍然能够发现目标，从而保持对潜在对手的技术差，确保其战场技术优势。

干扰技术发展迅猛随着美国GPS技术在武器系统中的广泛应用，近年来许多国家都开发了形式多样的GPS对抗技术，对现有GPS系统构成了严重威胁。美国运输部在2001年8月公布的一份题为“评估运输基础结构依赖GPS系统的脆弱性”报告中警告说，全世界军事上日益依赖GPS已促使许多国家研制GPS干扰设备，而且毫无困难。报告指出，国外正在研制兆瓦级的干扰机，可在更大的范围内阻碍GPS的使用。2003年美军在伊拉克的军事打击行动受到了来自伊拉克军队的GPS干扰机的干扰。近年美韩军队多次发现朝鲜在朝鲜半岛陆上军事分界线附近两到三处地点部署了车载全球定位系统干扰器，有效作用距离为50千米至100千米。2016年3月，英国陆军发布的题为《对针对混合型对手的“智慧训练”的认识》报告中透露，在电子战方面，北约和英国都被甩在了后面，俄军电子战和黑客活动对北约飞机、GPS制导武器和地面士兵构成威胁。可见，现有GPS的缺陷已经严重危害到了美军事安全。对此美军决定通过现代化计划重点增强系统抗干扰的能力。

系统设计存在局限尽管GPS是革命性的，但由于其总体技术框架是上世纪70年代确定的，因此存在诸多局限性。而且GPS建立在特殊的和相对较为脆弱的卫星信号基础上，容易被阻断。例如，在地下和水下等空间，无法接收到GPS模块设备发出的信号，GPS卫星一旦因故障、敌对打击或干扰（如太阳风暴）等原因无法提供服务，这对仅依赖GPS导航定位的作战人员或系统来说可能是致命的灾难。为此，美国阿富汗战区司令部曾在2010年1月要求美空军（操作GPS卫星）改进GPS阿富汗覆盖范围，以解决阿富汗山区地形阻挡GPS卫星信号的问题。而上述情况下就需要具备GPS的新的导航定位替代方案，这也是外军必须发展不依赖GPS导航技术的不得已原因。