GPS的继任者们

2017-07-31宋心荣

航空知识 2017年5期

宋心荣

GPS和惯性导航

1942年德国在V-2火箭上首次应用了惯性导航装置，此后惯性导航技术就成为重要的导航方式之一。冷战时期，紧迫的军事需求极大地推动了惯性导航系统的发展，其定位精度也从1海里 /小时提升到1海里 /24小时左右，并被广泛用于飞机、舰船和火箭的导航与控制。惯性导航系统并不复杂，一般由惯性测量组件、计算机、控制显示器等组成。其中惯性测量组件最为重要，包括加速度计和陀螺仪。其中三个陀螺仪用于测量载体沿三轴的转动运动，确定姿态。三个加速度计用于测量载体3个平动方向（x，y，z）上的加速度。计算机对加速度一次积分得到速度，两次积分得到载体的位置。这便是惯性导航系统定位的原理。由于是对时间积分，因此惯性导航系统的定位误差随时间积累，无法长期进行精确定位。在冷战前期和中期，单纯运用惯导的导弹命中精度较低正是由于这个原因。

为了解决惯导系统无法长期精确定位的缺陷，提升导弹命中精度，美国军方在子午仪卫星定位系统的基础上，研制了基于卫星星座的GPS系统（全球卫星定位系统）。GPS的定位原理和惯导完全不同。

GPS系统的核心是位于互成120度的三个轨道上互成60度的6条轨道上的24颗卫星（每条轨道上有4颗卫星）。这一布署足以确保地球上任何一点均能观测到最少5～8颗卫星。GPS卫星的任务就是不断地发射导航信号。要确定接收机的位置，需要解出三维位置坐标x、y、z和卫星与接收机之间的时间差Δt这四个未知参量。接收机每接收一个卫星发出的信号，就能测出已知位置的卫星到接收机之间的距离，得到一个方程。接收机接收4个以上卫星的信号就能得到足够的方程以解出x、y、z、Δt这4个参量，从而实现定位。接收的卫星信号越多，定位精度越高。由于卫星装备了原子钟，因此，GPS接收机还能提供准确至纳秒级的授时服务。

由于GPS系统的工作原理，其定位精度要比惯导系统（INS）高得多，可达0.1米。而且不存在定位误差随时间积累的问题。所以，GPS系统一经推出就广受欢迎，得到了极为广泛的运用。包括我国在内的世界各国也都研制、部署了自己的卫星导航系统。然而，GPS系统也并非没有缺点。由于需要接收外来信号，GPS系统极易受到干扰，而且在山区等地信号经常丢失。因此，在武器制导上过度依赖GPS是不行的。目前国际上一般采用，卫星导航和惯性导航相结合的方法，高精度的GPS信息可以用来修正惯导随时间积累的误差，而惯导系统则可以在GPS信号受到严重干扰，或接收机故障时，独立地进行导航定位，保障了导航系统的可靠性。美国的“联合防区外空地导弹”（JASSM）和 “联合直接攻击弹药”（JDAM）都采用了GPS/INS复合制导，命中精度从单纯用GPS的15米提升到了10～13米，武器可靠性也大大增加。

虽然GPS和惯性导航系统复合制导的方法可以在平时工作良好。但在战时，这一系统就不可靠了。在反卫星技术日渐发达的今天，敌方可以在很短时间内摧毁GPS卫星星座，使其无法满足全球定位的数量要求，导致GPS失效。同时，干扰GPS信号的手段不断进步，使得有效干扰范围和持续干扰时间大大增加，也令GPS面临着巨大威胁。如果GPS失效，那么GPS惯导复合制导也就毫无意义了。因此，研究更小巧、更精确、抗干扰性更强的导航系统也就势在必行，近年来，世界各国在这一领域取得了突飞猛进的进展，而其采取的技术路线更是五花八门，下面就将一一介绍作为GPS继任者的形形色色的新一代导航系统。

定位芯片

——DARPA的创意

自21世纪以来，由于干扰GPS信号的技术日益成熟，美国军方一直在寻求GPS系统的替代品。在这方面，美国国防高级研究计划局（DARPA）走在了前面。

美国人将代替GPS的重点放在了研制新一代惯导系统上，力求实现定位精度更高，高精度定位时间更长且小型化、低成本的目标。得益于智能手机的巨大需求，步入21世纪后，微机电技术（MEMS）得到了空前的发展。同时，医用和化学分析用核磁共振设备的发展也使得核磁共振陀螺（NMRG）的技术不断进步。此外，原子钟技术也在逐步成熟，这些都为美国研制新一代惯导系统奠定了技术基础。

2013年6月6日，DARPA跟诺斯罗普·格鲁曼公司签订了价值64.8万美元的合同，要求诺斯罗普·格鲁曼公司在1年内研制出新一代微型惯导系统，其定位精度需至少等于或超过GPS系统。当然，DARPA也将这一项目同时分包给了别的公司，以促进技术路线多样化，防止在一棵树上吊死，据估计，美军新一代微型惯导系统的研发总经费高达1 340万美元。

诺斯罗普·格鲁曼公司选择的方案是利用微机电技术将核磁共振陀螺仪小型化。核磁共振陀螺仪的原理并不复杂。原子核在静磁场里以拉莫频率绕进行自旋进动。一但给核磁共振陀螺仪一个外加角速度，原子核自旋进动的频率就会发生变化，通过测量这个变化量，就可以解出角速度，其精度要比传统的静电陀螺仪高得多。诺格公司通过微机电技术，将整个核磁共振陀螺仪的精密结构刻在硅片上，使整台核磁共振陀螺仪可以被封装在一个芯片中。对于惯导系统的另一部分——加速度计，诺格公司也别出心裁，使用了新型的光学加速度计。通过一系列改进，诺格公司研制的新一代惯导定位精度要比传统的惯导系统高很多，基本上优于GPS的水平，误差积累也比较小。2014年6月，诺斯罗普·格鲁曼公司導航业务部副总裁查尔斯·沃尔克宣布，新一代惯导系统样机已经建成。目前，诺格公司正在努力实现原理样机的实用化、市场化。

除了诺格公司，2016年4月，DARPA还将研制新一代惯导的合同授予了HPL实验室，合同总价值达430万美元。HPL实验室前身是著名的休斯研究实验室，世界上第一台红宝石激光器就诞生于这里。1997年，HPL实验室成为有限责任公司，为波音公司和通用汽车共同所有，承担传感器和材料、信息和系统科学，电磁学应用和微波电子等领域的研究。HPL实验室不仅为这两家公司负责研发，还承接美国政府和其他企业的研发合同，研发能力极强。新一代惯导的研发在内部被称之为Atlas项目。Atlas项目走的是微机械陀螺仪和原子钟相结合的道路。Atlas项目利用原子钟里稳定、高精度的原子振荡频率来校正微机械陀螺仪的误差，同时还能提供授时服务，和GPS功能完全相同。

美国的这两款新一代惯导系统令人印象深刻的不仅在它们的定位精度堪比GPS，还在于它们的小型化。如此高精度的惯导系统居然只有一个芯片大小，这不能不说是技术的奇迹。从美国研制新一代惯导的过程中，我们可以看出，新一代惯导一定要综合多种前沿学科的成果才能实现。

量子罗盘

——英国人的努力

和财大气粗的美国人不同，英国人在解决如何代替GPS系统这一问题时走了完全不同的道路，更多地是利用成熟技术“智取”。英国研究GPS替代品的努力主要集中在量子罗盘和利用机会信号导航这两个方面。

1997年，美籍华人朱棣文、科恩-塔诺季和菲利普·斯诺因在发展用激光冷却和陷俘原子领域的研究成果而获得了当年的诺贝尔物理学奖。他们开发的用激光冷却和陷俘原子的技术为人们研究和利用超低温态的原子奠定了基础。经过长期的研究，科学家们发现，在冷冻状态的原子对地球磁场和引力场的变化极其敏感。利用其波动性可以建成冷原子干涉仪，通过分析干涉条纹就可以得出线性加速度和旋转角速度，精度比传统的加速度计要高上百倍，而且温度越低测量精度越高。之后再经过积分计算就可以定位了。这就构成了量子罗盘的技术基础。

本来，在20世纪末，激光冷却和陷俘原子的技术尚在初生阶段，技术困难很多。然而，得益于冷原子钟的巨大市场需求，在21世纪，激光冷却和陷俘原子的技术得到了飞速的发展。原子冷却达到的温度越来越低，成本也更加低廉。这就使得量子罗盘的研发步入快车道。21世纪初，英国国防部投资了数百万英镑，由英国国防科技实验室（DSTL）牵头研发量子罗盘。

到2014年，英国国防科技实验室已经造出了第一台量子罗盘样机。该样机酷似一个鞋盒，长宽高都在1米左右。样机的核心部分是冷原子干涉仪，其内置的激光器阵列能将铷原子云冷却到绝对零度以上百万分之一度的水平，以保证测量的精度。3个这样的设备互成直角安放在样机内部，以测量3个轴向的线性加速度和旋转角速度。

英国国防科技实验室的下一步目标是将量子罗盘小型化，使之能够为个人所使用。同时，英国也着力推动量子罗盘的核心技术冷原子测量技术应用于其他领域，比如冷原子钟和量子传感器。冷原子测量技术有着广阔的应用前景，其测量重力场、地磁场、旋转速率、精细结构常数的能力在各个领域都十分有用。比如，在石油天然气领域，通过量子传感器来进行引力观测，将大大提升发现新油气田的速度。在土木工程领域，量子传感器也可用于地下结构的探测，提升工程规划的合理性。

将来小型化的新一代惯导就只有图中央的芯片那么大。

量子罗盘一但实现小型化和实用化，其军事价值是显而易见的。对于潜艇来说，在水下无法使用GPS，只能使用惯导，上浮后用GPS校正误差。但是如果长期潜航的话，航向误差积累的就会很大。而量子罗盘无需借助外界信号，可以自主工作且精度极高，特别适用于核潜艇的导航。同时，量子罗盘小型化实现后，在洞穴和地下建筑中的导航也变为可能。量子罗盘还可以作为GPS信号被干扰或卫星被攻击后的备份导航系统。

除了量子罗盘，英国BAE公司还开发了一种利用机会信号导航的Navsop系统。据报道，Navsop系统能利用包括Wi-Fi、电视信号、无线电通讯信号、手机信号以及空管信号等数百个不同的已知信号，进行定位，听起来十分高大上。其实Navsop系统的原理并不复杂，跟我们生活中常见的无线电测向活动有着异曲同工之处。看过老电影的读者可能记得，特务使用测向车寻找地下电台的场景。Navsop系统跟无线电测向车的原理基本相同。首先，在开始阶段要有GPS信号，确定Navsop系统载体的自身位置，之后利用测向天线测出无线电信号源的方位角，得出一条示向线，被软件保存在电子地图中。之后载体移动到另一個位置，再测一个方位角，又得到一条示向线。两条示向线在电子地图上相交的地方就是无线电信号源的所在地，得到了信号源的位。找此方法，Navsop系统经过一段“学习”时间就可以找出许多信号源，并确定其中静止不动的信号源，再以它们中的某两个信号源进行无线电双曲导航即可。当然，找到的静止信号源越多，它们之间就可以互相修正导航误差，定位精度就更高，这也是为什么Navsop系统要利用那么多信号的原因。不过，由于像Wi-Fi这样的信号作用距离近，稳定性差，目前Navsop系统主要依靠频率位于中波波段的无线电信号源（主要是广播电台）进行导航。

2012年，英国的Navsop系统样机进行了车载实验。这台样机有一个大箱子大小，放在汽车上，和车载天线相连。最开始，Navsop系统在GPS的帮助下找到了很多信号源。经过一段时间的分析处理，Navsop系统筛选出了合适的信号源用于无线电导航。此时，BAE公司的工程师关闭了GPS接收机，Navsop系统独立导航，引导汽车沿着伦敦的街道前进，成功抵达预定地点。

Navsop系统原理并不复杂，利用无线电测向和无线电导航这样的“土办法”就实现了GPS的功能，其独特的思路值得借鉴。当然，BAE公司的法拉加博士坦言，Navsop系统目前不能代替GPS，因为它在初始阶段需要GPS协助寻找信号源。所以，Navsop系统的最大意义就在于为GPS提供一个备份，一但GPS被干扰，Navsop系统还可以继续导航至目标。

现在，BAE公司正致力于将Navsop系统小型化。BAE公司的目标是将Navsop系统做成跟GPS接收机或智能手机大小，其核心处理器将仅有硬币大小。Navsop系统市场前景极佳。据欧盟委员会统计，欧洲经济中有8 000亿欧元的产业依赖GPS的精确定位和授时功能，包括航空业、航运业、农业以及电信。然而，时有发生的太阳耀斑产生的磁暴以及各种恶意干扰都有可能威胁到GPS系统的正常工作。因此，这些产业显然不会拒绝廉价的GPS备份——Navsop系统。此外，Navsop系统还有一些其他的用途。Navsop系统可以通过手机信号帮助救援人员找到着火的建筑物内的受困者。安装Navsop系统的车辆即使被盗、被盗贼加装GPS干扰器也能被找到。

展望

纵观惯性导航技术发展史，科学技术进步和军事需求始终是推动惯导技术发展的核心推动力。第二次世界大战期间，对弹道导弹制导的需求催生了最早的惯性导航系统。二战后，军舰、潜艇和飞机的导航需求则推动了惯导系统的技术不断提升，从液浮陀螺到气浮陀螺，再到静电陀螺，陀螺的精度不断提升。然而，随着卫星定位技术的成熟，以及GPS系统卫星网的建设完成。惯导系统受到了强有力的挑战。不过，GPS被广泛应用的同时，其信号易于被干扰、卫星易于被攻击的弊端也开始逐步显现。各国都在研究摆脱GPS依赖的方法。于是，通过和前沿科学相结合，惯导系统再度焕发了新生。核磁共振陀螺、量子罗盘等先进惯导系统的问世，使得惯导系统再度具备了和GPS接近的导航能力。未来，新一代惯导逐步接过GPS的大任正在成为可能。

责任编辑：王鑫邦