美军新一代PNT系统建设的特点与启示

◎中国电子信息产业发展研究院◎张力◎张新征◎李宏伟

为了解决美国高精度PNT服务在可用性、可靠性方面面临的潜在威胁，美国提出建设新一代国家PNT体系，新一代PNT体系以自主导航、通信与PNT融合等为途径，采用开放式体系架构，将增强复杂环境适应性，满足未来对抗条件下的军用PNT需求。民用方面将摆脱对GPS的依赖，形成新的非对称信息优势，有效牵引量子信息科学等基础研究。我国必须深入探索PNT融合服务模式，推进关键核心技术突破和北斗系统建设应用，统筹构建国家综合PNT体系，以期早日形成自主时空战略能力。

近年来，美国G P S、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo以及中国北斗卫星导航系统等全球导航卫星系统（GNSS）的重要性不断凸现，日益广泛地为军事、通信、海洋、交通、国土资源及大众消费市场提供高精度位置、定位和授时服务，特别是在军事应用领域，GPS系统已为美国的各类武器装备系统、高精度制导导弹提供精准导航位置信息服务。然而，对于依赖全球导航卫星系统（GNSS）作为单一定位、导航与授时（PNT）信息源的用户而言，在导航卫星因故障、打击或电磁频谱干扰等原因无法提供服务或所处位置难以接收卫星信号时，将可能面临致命的灾难。近期，为面对特殊情况下GPS系统服务失效情形，美军正在发展应急条件下的定位、导航授时战术能力。2018年1月，美国国防部在拉斯维加斯附近举行大规模红旗空中作战演习中，为了摆脱美国及盟国的空中武器装备对GPS系统的依赖，设置了“关闭”GPS，依靠其他无线电设备、惯性导航系统或者雷达导航等定位方式，开展打击任务的演习。作为我国自主时空战略能力的基石，当前我国北斗系统正在按照“三步走”战略，实施北斗三号工程，推进全球组网的关键阶段，必须探索PNT融合服务模式，推动关键核心技术实现突破，推进北斗系统建设应用，统筹构建国家综合PNT体系，才能真正形成自主时空战略能力。

一、美军新一代PNT体系建设的战略规划与进展

（一）规划国家PNT体系，增强复杂环境下服务的完备性

GPS系统是PNT体系的基础设施。为了解决美国高精度 PNT 服务在可用性、可靠性面临着的潜在威胁，美国提出建设国家PNT体系，以 GPS 系统现代化为依托，以自主导航和各种可用导航信息源为补充，重点满足更高精度和完好性需求，增强物理遮蔽、电磁干扰等复杂环境下安全、可靠、实时的PNT能力。在国家安全空间办公室（NSSO）主导下，美国国防部与运输部联合发布《国家PNT体系执行计划》（2010），制定了2025年前国家PNT体系建设路线图，并对国防部相关下属机构及运输部、商务部和内政部等共31个联邦机构进行了任务分工。早在2004年，美国就成立直接向白宫负责的国家天基PNT执行委员会（简称EXCOM，由国防部、交通部、安全部、商务部等共同组成），去年6月，特朗普总统签署了重建国家空间委员会的行政命令，由美国航空航天局、国务卿、商务部、国防部等组成，为国家空间政策和战略提供建议和协助。美国国防部系统在GPS的基础上，以自主导航、通信与PNT融合等为途径，满足未来对抗条件下的军用PNT需求；民用PNT管理机构在以GPS为首选方案并利用天基（WAAS）、地基增强系统提升服务性能的同时，部署和建立“增强型罗兰”（e-LORAN）等GPS备份系统。

（二）核心组件投资力度加大，主要项目通过实验室验证

DARPA微系统技术办公室（MTO）主导PNT核心组件技术、材料和制造工艺的研发，主要项目有微型定位导航与授时技术（Micro-PNT）、高稳定性原子钟（ACES）等。Micro-PNT于2010年1月启动，主要是利用微机电系统（MEMS）技术来开发精度更高、稳定性更好的芯片级陀螺仪和时钟，主要合作伙伴有Qualtre和Honeywell Aerospace公司等。随着新增经费的投入，导航级的MEMS陀螺仪已经通过了实验室验证。高稳定性原子钟（ACES）于2016年启动，旨在取得抗精度衰减方面的突破，设计和制造出新一代超低功耗、超高稳定度的原子钟。ACES项目总预算达到5000万美元，计划分三个阶段实施，最终目标是将所有电子组件集成到50立方厘米的体积内，重量在100克以内，性能则是当前原子钟的一千倍。美国空军为了继续推进GPS系统现代化，持续推进系统建设，进一步降低财政预算，美军积极引进新兴民营企业参与系统建设，2018年3月把价值6.4亿美元的合同分给了美国太空探索技术公司(SpaceX)和联合发射联盟(ULA)，其中SpaceX获得了2.9亿美元的固定价格合同，将在2021年前利用“猎鹰9号”将三颗GPS卫星送入轨道，ULA获得了3.51亿美元的合同，使用“宇宙神-5”(Atlas V)火箭执行两次飞船发射任务。

（三）系统级预研项目进展顺利，为装备开发和部署奠定基础

DARPA战略技术办公室（STO）主导PNT系统级预研，主要项目有自适应导航系统（ANS）、对抗环境下的空间时间与方向信息（STOIC）、精确鲁棒惯性制导弹药（PRIGM）等。ANS项目于2011年启动，主要研究冷原子干涉陀螺仪技术，开发可利用雷电等外部机会信号的导航校准新算法与软件结构，已先后完成了平台演示验证和端对端的演示验证，能够满足室内、“城市峡谷”、丛林、水下、地下等弱卫星信号环境及强对抗环境的PNT需求。其合作伙伴为Leidos公司、SRI公司和佐治亚理工学院等。STOIC系统于2015年春季开始，立足“量子辅助感知与读取”研究成果，开发稳健的远程参考信号源、漂移小于1纳秒/月的新型光学时钟和实现不同战术数据链之间的时钟精确转换，即将进入详细设计和样机系统开发阶段，合作伙伴包括Argon ST公司、Leidos公司、Draper实验室以及佛罗里达大学等。在Micro-PNT的基础上，PRIGM项目于2016财年启动，主要由诺斯罗普·格鲁曼公司承担，计划投入1630万美元，应用微机电系统和集成光子技术，在GPS无法提供服务的情况下，提供弹药制导，以及在发射和飞行阶段的导航功能。

（四）推进GPS全球合作，完善PNT产业生态

当前，美国政府采用全球合作的手段，完善GPS产业生态体系。在EXCOM委员会中，成立GPS服务接口委员会和国际工作组及常设工作组，持续优化卫星导航应用的产业发展环境，不仅为3亿以上的民用和商业的全球用户提供搜索和救援服务，也为美国军队机关、美国海军气象天文台、美国国家地理空间情报局、美国国防信息系统局等国防和军队机构，此外主动开展兼容性，互操作性、透明度和市场准入的国际合作，目前已与57个授权联合用户开展了25年以上的合作，与伽利略、北斗、格洛纳斯等全球卫星导航系统及日本、印度区域系统开展合作。

二、美军新一代PNT体系的特点与主要优势

（一）采用开放式体系架构，将增强复杂环境适应性

美国制定了开放式PNT体系架构的“较大公分母策略”（GCDS），其核心思想是通过外部提供的、公共可用的方案，满足众多用户的核心需求；鼓励发展多机理技术，尽量采取可交互方案，以保证PNT的稳健性和对多样化资源的利用率；追求PNT与新兴通信技术的融合；促进跨机构协同和提升信息共享水平等。在国防部长办公室“PNT开放系统架构倡议”的框架下，美国陆军通信电子研发与工程中心（CERDEC）新兴技术办公室正在与空军理工学院（AFIT）联合开发以“蝎子”（Scorpion）软件为核心的“即插即用”传感器开放式架构，以实现对GPS、基于陀螺仪与加速度计的IMU、视觉辅助导航设备，以及车载摄像头等原本不同用途传感器的集成与快速切换。作战人员能够根据实际拥有设备的不同，灵活选择相应传感器所提供的PNT信息，将显著增强对复杂电磁环境的适应性。

（二）摆脱对GPS的依赖，将形成新的非对称信息优势

美军认为，除了能够干扰或摧毁GPS星座的电磁脉冲与反卫星武器外，针对GPS接收系统的低成本、低功耗干扰技术已呈全球扩散态势，对此种关键信息优势构成严重挑战。实验表明，功率仅4W的GPS干扰机就能对145km外的机载GPS接收机造成干扰。研发GPS干扰对抗设备的美国Exelis公司称，只需25美元就可网购到能够屏蔽一辆汽车周围GPS信号的干扰机。当前，我国北斗三号全球组网卫星也已进入密集发射阶段，在定位精度和短报文服务方面甚至呈现后来居上的态势。美国在积极推动GPS保护（Protect）、强化（Toughen）和增强（Augment）计划（即PTA计划），确保采用立法、执法的方式，将卫星导航定位系统作为国家重要信息基础设施，用于惩罚对GPS系统的非法干扰的同时，汇聚多家国防部与联邦机构、顶级大学和军工企业的力量，寻求GPS替代方案，谋求保证在GPS卫星出现故障、遭敌打击或干扰等情况下，依旧能提供稳健、可靠、高精度的PNT服务，将形成新的军事信息系统非对称优势。

（三）开辟PNT的新路径，将有效牵引颠覆性基础研究

PNT新路径的开辟，有效牵引量子信息科学等基础研究，促进微惯性导航、量子导航、脉冲星导航、自适应导航等技术不断成熟。美国国防部2013-2017年科技发展“五年计划”已将量子信息与控制技术列为未来重点关注的六大颠覆性基础研究领域之一，重点投资精密导航、精确授时和安全量子网络等在国家安全领域的应用。2016年7月，美国国家科技委科学委员会和国土与国家安全委员会联合发布报告《推进量子信息科学发展：国家的挑战与机遇》，也把探测与计量列为量子信息科学影响最大的领域之首。基于量子探测技术的冷原子传感器在替换传统陀螺仪后，随机漂移降低到10-9～10-7度每小时，使不依赖卫星的导航精度至少提高100倍，从而满足深海持续航行等方面的需求。

三、对推进我国自主时空战略能力构建的对策建议

（一）前瞻战略顶层设计，积极探索PNT融合服务模式

自主时空PNT服务体系以北斗系统PNT服务为核心，融合其他GNSS、伪卫星、量子导航、微型原子钟以及各类低轨卫星、水下声纳、天文定位等基于不同背景、不同原理的多元化PNT信息源，具有基准统一、抗干扰、防欺骗、稳健可靠、连续可用等特征。一是要在战略规划上实现超前布局，军地相关部门和单位依托中国第二代卫星导航系统重大专项的组织实施，开展国家综合PNT体系构建工程的论证实施，做好以北斗为核心的国家综合PNT体系的论证方案编制，为形成以北斗为核心的中国PNT体系提供系统解决的中国方案。二是要推进北斗与其他PNT系统信息深度融合。采用中国2000坐标基准和北斗时间标准，实现多源PNT系统观测信息函数模型的统一表达，建立深度PNT信息融合的基础。建立合理优化的随机模型和计算方法，实时或近实时地确定各类观测信息在融合过程中的方差或权重，控制各观测异常对综合PNT参数的影响，提升可用性和连续性，增强稳健性和可靠性。三是要推进以北斗为核心的PNT体系与各类信息系统数据资源的核心技术融合发展。当前以物联网、云计算、大数据为代表的新一代信息技术快速发展，日益成为推动信息技术发展的新动能，要做好天地一体化信息网络与中国第二代卫星导航系统重大专项的规划衔接，充分考虑导航与遥感、通信等各类信息系统数据应用的融合。

（二）提高创新发展能力，推动关键核心技术实现突破

创新发展能力是构建我国自主时空战略能力构建的基石，必须要强化军地间协同创新，聚焦关键核心技术突破，积极引导企事业单位深度参与，提升骨干企业的核心竞争力。一方面要围绕推进集成电路、基础芯片自主可控、服务终端的芯片化集成等方面，大力发展微机电传感器的深度集成技术，实现无线电导航、惯性导航组件和微型原子钟组件等微型装置在综合PNT服务终端的芯片化集成、零系统间偏差与自适应切换，加强综合PNT产品的检验、检测与认证，构建从芯片、器件、天线、模块到终端的全自主产业链。另一方面，要大力提升卫星信号、提高接收机抗干扰能力和卫星导航系统等核心能力，持续维护和完善北斗系统，及时采用新的卫星信号设计方法，如新型导航信号体制、星间链路、高精度卫星钟、导航信息认证等关键技术，进一步增强北斗系统星座稳健性，为系统服务向全球拓展奠定坚实基础，加速攻关自适应抗干扰天线、欺骗干扰识别与信号认证、更稳健的接收信号捕获与跟踪等技术，在铁路、电力、交通、金融、海事等国家关键基础设施领域推广应用抗干扰接收机。

（三）加快推进北斗系统建设应用，夯实我国PNT体系发展基础

卫星导航系统作为PNT体系的基石，不仅具有显著的军民融合属性，能够为坚定实施军民融合发展战略提供示范带动引领作用，而且具有巨大的市场发展潜力，提升经济社会发展和国防军队现代化建设的水平。一是加快北斗系统建设，尽快形成全球服务能力。加快推进北斗系统三号卫星组网，推进北斗系统从亚太区域向全球化覆盖。做好北斗地基增强系统与各类卫星导航定位基准站网的数据资源衔接，构建统一时空基准系统，探索高精度应用模式。二是加快构建以北斗导航应用为核心的产业生态，提升卫星导航芯片、电子元器件、原子钟的技术水平，突破导航与遥感、通信、互联网、云计算、大数据等领域的融合应用，加快形成政产学研用的军民协同创新体系，研发各类GIS移动数据采集产品、精度测量产品及北斗行业应用产品及器件。三是优化产业发展环境，加快卫星导航条例的制定，规范我国卫星导航领域相关活动，确立北斗系统作为国家空间信息基础设施的法律地位，推动北斗应用及产业发展，保护北斗系统提供可靠服务，提高北斗系统法制化管理水平。