美军定位、导航与授时能力发展分析

武珺 张宇彤 麻铁昌 仵博

（1 北京空间科技信息研究所，2 中国空间技术研究院，3 航天科工空间工程发展有限公司，4 战略支援部队航天系统部）

近年来，美国致力于通过全球定位系统（GPS）现代化升级、发展GPS 补充备份技术等途径提升其在复杂环境中获取PNT 服务的能力，谋求定位、导航与授时（PNT）领域的不对称优势，在这一过程中，其军事PNT 体系不断发展、完善。本文围绕美国国防部聚焦发展GPS 系统，寻求发展数项GPS 补充备份技术，以及美国国防部不同种类PNT 技术的集成与能力的整合展开分析，对相关导航系统建设、项目进展、技术前沿动态进行介绍，给出对美军PNT 体系架构、系统建设、技术发展的理解与认识。

1 美军PNT 能力建设进展

美军致力于确保其GPS 系统优势地位，并结合其他PNT 信息源，进一步提升获取PNT 服务的可靠性和准确性。

应对潜在威胁，持续推进GPS 系统现代化工作

为应对针对卫星导航系统及服务的干扰、欺骗、赛博攻击等能力的发展，降低卫星导航服务降级或拒止的风险与概率，美国积极推进GPS 现代化计划。

空间段方面，GPS 星座逐步用新型第三代GPS卫星替代老旧型号卫星。GPS-3 卫星与之前的型号相比，其创新与能力变化的主要包括：①新的L1C 信号为互操作信号，与载波频率为1575.42MHz 的其他系统开放服务信号实现了兼容与互操作；②卫星有效载荷的数字化率达到70%；③原子钟性能进一步提升，卫星搭载1 部脉冲光抽运铯束钟、3 部改进型磁选态铷原子钟，频稳可达10量级，定位精度提高3 倍，空间信号测距误差小于1m；④GPS-3 卫星导航信号抗干扰能力是原先的8 倍；⑤卫星设计寿命增加至15 年。

GPS-3 卫星

GPS-3 卫星发射及入役时间

地面段方面，美军持续推进“新一代运控系统”（GPS OCX）的研发与部署，支持M 码能力逐步增强，为了支持星座未来发展，授出新合同以强化对星座的运控能力。“新一代运控系统”的目标是全面满足现代化GPS 系统空间段的运行、控制与管理要求，保证GPS 系统的运行安全。近年来，美军GPS 地面运行控制系统的能力取得了以下重要进展：

2020 年7 月，美国太空与导弹中心（SMC）完成了GPS 主控站和备用主控站GPS 运行控制系统M 码早期使用模块的软硬件改造，于11 月验收并交付美军，这使得运控系统在OCX Block 1/2 交付前，能够支持GPS 星座执行相应任务，接收和监控M 码，支持现代化用户设备进行测试。

司。美国天军太空与导弹系统中心于2021 年4 月30日将价值2.28 亿美元的GPS“新一代运控系统”后续合同OCX 3F 授予雷声情报与航天公司（RI&S），该合同的内容是对OCX Block 1 和2 系统再升级。OCX 3F 旨在具备支持美国国防部最新的网络安全标准和规范的同时，实现网络安全性和抗干扰能力的提升、运行控制现代化军事信号能力的增强、对第三代GPS 卫星新的全球覆盖的军码（M 码）信号的支持、可监测新的“伽利略”兼容和生命安全信号等功能；合同预计交付日期为2025 年7 月。

美军除明确规定未来军用接收机不仅能够支持GPS 系统新功能、支持相关增强系统、兼容其他各大卫星导航系统外，正积极推进新的支持M 码的硬件设备的生产、测试与交付。抗干扰能力更强的军用导航信号——M码是美军GPS系统现代化的关键一招。通过开发支持M 码的设备，美军进一步将其集成到专用的GPS 接收机中，通过接收和使用GPS 卫星播发的M 码信号，服务美国军机、舰船、作战车辆及其他武器系统。

军事PNT 能力发展策略以使用GPS 为重点，同时寻求发展数项备选PNT 技术

GPS 系统是美军PNT 架构的核心，在强健GPS系统的同时，美军也通过发展惯性导航和其他备选PNT 技术完善军事PNT 体系构成。

固相微萃取（solid-phase microextraction,SPME）技术是基于固相萃取技术发展起来的一种新的样品预处理方法[1]。顶空固相微萃取（HS-SPME）是将萃取头垂直置于供分析液体或固体样品上方的气相中，萃取、吸附挥发性或半挥发性组分[2]。特别适合于微量挥发性成分的富集，操作简便，能有效减少底物及液态基质中干扰物质的影响，具有集采集、萃取、浓缩、进样、分析于一体，无需溶剂，易实现自动化，方便与色谱仪器联用等特点[3-4]。固相萃取与气相色谱-质谱联用是近年来发展起来的方法，可用来分析挥发性香气成分及水和果蔬中的农药残留。

惯性导航技术通过测量载体在惯性参考系的加速度，对时间进行积分，变换到导航坐标系中，得到速度、偏航角和位置等信息。基于该技术的惯性导航系统不依赖于外部信息（这里指环境特征信息，而非时空基准信息），不向外辐射能量，属于自主式导航系统。

GPS 系统的军事应用示意图

该技术基于惯性传感器和原子钟等器件，可以在一定时间内为没有GPS 的平台提供PNT 信息，但误差会随着时间的增加而积累,需要在更长时间条件下获取时空基准信息，并对其校正。目前，GPS 是提供这种重设能力的关键途径。因此，按照应用需求，惯性导航也时常与卫星导航配合使用。

美国国防部也在寻求使用天体导航、磁性导航和基于地面图像分析的环境测绘和导航策略，以及通过地基或天基非GPS 射频信号来获取PNT 信息。虽然没有一种方法能与GPS 的服务性能相媲美，但这些使用外部信息源的方法也显示出其提供PNT 信息的应用前景。

重视PNT 技术集成、信息交互传递等相关能力建设

基于不同物理原理的多源PNT 数据如何融合、传感器如何深度集成并且做到低功耗，除GPS 途径以外机动作战平台之间以何种途径传递时间信息，这些问题对美军军事PNT 架构效能的发挥至关重要。为了掌握PNT 新技术的能力及其局限性，并为军事平台提供一条经济、高效的集成路径，美军支持开展“国防部层面的开放式体系架构”和“面向机动平台非GPS 途径的时间传递”等计划。

美军惯性导航技术

美军基于环境特征的导航技术与其他无线电导航技术

美国国防部通过模块化开放式系统方案加快新PNT 能力的集成，以应对GPS 面临的新威胁。目前，开发和集成各种PNT解决方案时间漫长且成本高昂，针对于某项任务的专有解决方案很难与其他解决方案相融合。为此，美军通过采用模块化开放式系统方法（MOSA）减少新的PNT 能力集成和部署的时间与成本。美陆军和海军已开发出各自的PNT 参考架构，并对模块化开放体系架构进行了定义。美国空军的PNT 参考架构的研发工作刚刚启动。

2 美军PNT 技术关键赋能应用

美军在GPS 系统空间段、地面段、用户段多措并举推力促M 码早日形成战力

M 码是GPS 系统现代化的关键技术，信号稳健性和灵活性优于美军目前使用的P（Y）码。

美国天军于2021 年6 月17 日发射了第五颗GPS-3 卫星，其将用于取代星座中的老旧型号卫星。该卫星从2021 年7 月起播发导航信号，2022 年5 月正式入役后，使得星座中支持M 码播发的卫星数量增加至24 颗，达到GPS 星座基线数量基本要求，这对于美军在全球范围内获取抗干扰能力更强的军码信号至关重要。另一方面，地面段建设也取得里程碑式进展，GPS 系统地面控制段M 码早期使用功能于2020 年11 月通过军方验收，显著增强了美军对新型GPS 军事用户设备进行测试的能力。此外，2021 年，美国国防后勤局已授予BAE 系统公司价值3.255 亿美元的先进军事代码（M 码）GPS 模块合同，根据这份多年期合同，BAE 系统公司将为美国国防部及其盟友提供支持先进M 码信号的现代化GPS 军事用户设备产品，即通用GPS 模块（CGMs），以满足2030 年之前的库存需求，该合同后追加经费至6.41亿美元。

多源PNT 技术在战训、演示验证试验方面前沿动态

美国所谓的“印太地区”“印太战略”，不仅想抹去“亚太”的名称，抹去亚太地区行之有效的区域合作架构，还想抹去几十年来该地区各国共同努力创造的和平发展成果和势头。其通过军演、先进武器测试等多种手段挑动亚太国家神经，不断加码其在亚太区域的军事存在，为其“印太版北约”构想铺路。

2019年10月，美海军加布里埃尔·吉福兹号（LCS 10）濒海战斗舰在位于菲律宾和关岛海域附近发射了GPS 精确制导导弹——海军攻击导弹（NSM），这是美国海军第二次发射该型导弹，但在所谓“印度-太平洋地区”是首次发射。此次行动是美军与新加坡海军开展的格里芬军事演习的一部分。NSM 导弹的质量略高于400kg，射程至少为185km，以亚音速掠海飞行，具有GPS、地形匹配、惯导等多种制导模式，可以在陆地上空飞行或掠海飞行等，在末端阶段还可以做出规避机动动作。NSM 红外成像导引头和机载目标数据库可以对海上或海岸上的目标进行独立的探测和识别。弹体结构设计和材料使其具备隐身能力。

美国空军技术学院（AFIT）正在研究称为磁异常导航（MAGNAV）的地磁导航技术，并研发了基于F-16 战机的MAGNAV 飞行测试的算法，目前该算法在私人侦察机平台完成了相关测试：在平均海拔约合304.8m 高度、使用早于飞行测试3 年绘制的地磁地图，在1h 飞行测试中，水平均方根误差（DRMS）为13m。从2020 年9 月开始，相关飞行测试使用空军测试飞行员学校的F-16s 在内华达州爱德华兹空军基地附近进行。

美军多源PNT 技术的融合应用不断取得新的进展

2021 年2 月，美国空军生命周期管理中心（AFLCMC）与系统集成解决方案供应商IS4S 签订了价值9500 万美元的弹性嵌入式GPS/INS 导航系统（R-EGI）研发与原型样机生产合同，样机具有模块化和在不同平台可重复使用特点，采用软件定义无线电技术等改进的信号处理技术来规避威胁，提供可供选择的PNT（alt-PNT）服务，并且做到成本可负担，R-EGI 系统将基于F-16 战机开展实验。

2021 年4 月，美国空军战略发展规划与实验办公室（SDPE）与美国海军水面作战中心（NSWC）合作，基于T-38 教练机平台在科罗拉多州森特尼尔成功开展了6 次多源融合导航技术敏捷吊舱（AgilePod）第一阶段飞行试验，验证了视觉导航算法与机会信号导航算法相融合来提供导航服务的可行性。

AgilePod 吊舱集情报、监视与侦察功能于一体，以低成本、可重构、智能化为特征，其采用的开放式软件架构与标准硬件接口设计旨在便捷集成多源PNT 技术，有效提升武器平台在GPS 服务降级或拒止环境中获取PNT 信息的能力。

3 对美军PNT 体系发展的认识

从PNT 体系发展层面看，美军军事PNT 架构在抓主次矛盾方面思路清晰。

GPS 系统是美军军事PNT 架构的核心与基石

GPS 系统提供的全天时、全天候、高精度信号是美军获取定位、导航与授时服务的主要渠道，其还可为包含惯性导航等PNT 技术应用平台提供长期误差修正服务。正本固元，随着GPS 系统的持续升级，未来从GPS-3F 型号开始，系统支持导航战的能力将进一步提升，其预计将通过点波束信号功率增强实现区域军事保护能力；通过全数字化任务数据单元实现导航信号在轨升级与信号重构；此外，新一代地面运控系统的赛博安全能力正分阶段逐步实现，支持M 码功能的、以软件定义无线电为特征的军事用户设备的开发、测试及未来生产安排也在进行中，以上将进一步促进美军导航战能力的增强。

多源PNT 是美军军事PNT 架构的重要组成部分

由于机理存在差异的PNT 技术不易同时出现故障，所以多源PNT 十分必要。美军在以陀螺仪、加速度计为敏感器件的惯性导航系统方面有长期的使用经验及丰富的技术储备，在便携式平台上进行精确授时的小型化原子钟、图像匹配分析导航等方面有着广泛的军事应用，在磁性导航、天体辅助导航技术等领域的研发也处于领先地位；同时也在逐步恢复对地基低频技术的重视。

PNT 技术集成、PNT 信息交互传递和多源PNT 效能评估等能力的发展为美军PNT 架构提供保障

以美国国防部PNT 科学技术发展计划为例，在“模块化开放式系统”计划中，模块化要求组件是离散的，彼此之间的依赖性较低，这可能会导致系统性能下降，需要做到使增加未来技术升级机会带来的益处超出性能的潜在损失；架构和标准要适应不断变化的要求和能力，需要考虑管理和维持问题……对这些问题的深入理解将为相关国防规划与投资决策提供关键信息支持。