美国陆军PNT能力发展趋势分析

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针对当前全球定位系统(GPS)易受干扰和攻击的影响,定位、导航与授时(PNT)系统需灵活应对多种复杂战场环境,分析了美国陆军未来发展先进 PNT 技术的背景。

然后重点分析了美国陆军PNT能力的发展趋势,其中主要包括了伪卫星系统、车辆导航系统、惯性导航、定位、导航系统辅助传感器、导航传感器融合、导航仿生技术、授时、PNT 建模与仿真、导航战技术应用、自主与人工智能在PNT中的应用等11个方面的发展趋势。

最后给出了简要总结,认为美陆军将注重改进单兵和车辆态势感知能力,以提高未来支持战场指挥官的任务指挥和决策能力,同时重点关注了开放式系统架构、SWaP-C优化、自主技术和人工智能技术,以提升 PNT 的整体能力。


引言

据联邦技术(FedTech)杂志网2018年5月11日报道,近30年来,美国国防部依托全球定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)对美国军事作战行动提供了至关重要的定位、导航与授时(Positioning,Navigation,andTiming,PNT)服务。

然而,在过去的几年当中,以其高可用性和精确性而著称的全球导航卫星系统 (Global Navigation SatelliteSystem,GNSS)一直受到各种各样的干扰和攻击。美国陆军可靠 PNT 跨职能团队 (Cross Functional Teams,CFT)主任,陆军太空与导弹防御司令部/陆军战略司令 部 (USASMDC/ARSTRAT)项目和技术主任William Nelson表示,“我们仍然相信 GPS 是一个非常强大的系统,我们的目标不是取代它,而是在 GPS 降级的环境中增强 GPS 的可信度,以提供可靠的 PNT。”

美国空军上校,斯坦福大学教授,国家航天 PNT 咨询委员会副主席,被称为 GPS 之父的 Bradford Parkinson 表示,“我们不取代 GPS ,而是要协助和备份 GPS 。”事实上,除水下装备外,美国几乎所有的武器装备和平台都会用到 GPS 进行 PNT,而在战场前沿等有时 GPS 出现不可用的情况下,会采用其他代替或补充的方式进行 PNT。

2013年美国陆军发布了《战术可靠 GPS 区域性能力替代方案分析》,明确了其在战术环境下的 PNT 能力发展需求,相关潜在技术、相应系统解决方案,以及不同系统、平台在 GPS 不可用环境中的替代技术与集成方案,并将实现可靠 PNT 能力作为最终目标。

GPS是美国陆军 PNT 能力的基础,陆军已经将GPS装备到各种飞机、战车和单兵装备等各类作战单元。而随着GPS易受地形、建筑、电子对抗等自然和人为因素干扰的影响,使得美国陆军的PNT优势受到挑战。

然而,美国陆军仍然将GPS作为PNT体系的核心能力和基础,在加强GPS信号强度、提高抗干扰能力的同时,以陆地导航、混合导航和自动导航等技术弥补GPS的能力缺陷,并利用各类数据链、战术网络、无线保真(WiFi)等技术作为PNT的传输途径,增加电子对抗的鲁棒性,在兼顾尺寸、质量、功耗和成本(SWaP-C)的前提下,以推动创新、维持技术优势为主要目的,发展综合 PNT 技术。美国陆军已经依靠可靠 PNT 等项目发展 GPS不可用时的PNT技术,同时陆军也在发展更灵活、更先进的PNT系统,以提高美陆军的PNT能力。

据美国联邦商业机会 (Federal Business Opportunities,FBO)网站2017年11月24日报道,美国陆军通信-电子研究开发和工程中心发布了广泛征集公告 BAA W56KGU-18-R-PN22,以开展一项广泛的、为期5年的研究计划,旨在开发可在战场使用的全新的 PNT 技术,以改进并增强当前和未来陆军的作战能力、灵活性和快速响应能力,增强在对称和非对称环境中的作战能力。

本文将主要通过梳理该 BAA 需求信息内容,分析美国陆军 PNT 能力的发展趋势,以期为读者提供有益的参考。

一、美国陆军发展先进PNT技术背景

众所周知,GPS容易受到各类干扰和欺骗的影响,且在一些有遮挡的区域,会发生收不到GPS信号或信号较弱的现象,这导致GPS难以满足现代复杂战场网络电磁强对抗环境的应用需求。针对PNT系统的攻防,1997年美军曾提出导航战的概念,2017年美空军又提出了授时战的概念。此外,电子战(含自适应电子战、认知电子战)、信息战、网络战等概念也曾应用于 PNT 系统的攻防。

美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)在PNT领域曾支持过微定位导航与授时(Micro-PNT)、对抗环境下的空间时间和方向信息 (Spatial,Temporal,and Orientation Informationin Contested Environments,STOIC)、适应性导航系统 (Adaptable NavigationSystems,ANS)、深海定位导航系统(Positioning System for Deep Ocean Navigation,POSYDON)、超快激光科学与工程 (Programin Ultrafast Laser Scienceand Engineering,PULSE)、量子辅助传感与读取 (Quantum-Assisted Sensing and Readout,QuASAR)等相关项目。在此基础上,美国陆军一直在研发可靠 PNT(A-PNT)技术,以满足 GPS 拒止环境下高复杂性动态变化的环境要求。

2015年初,美国陆军专门组建了PNT项目办公室,以推动从传统 GPS 能力向A-PNT能力的快速转型。

美国陆军A-PNT项目包含4个子项目:1)基于地面无线电导航系统的伪卫星项目;2)为车辆系统提供 PNT 项目;3)为单兵提供 PNT 项目;4)抗干扰的 PNT 天线项目。A-PNT 项目经理 Kevin Coggins在2017年5月表示, A-PNT 项目可使陆军进入战争中的下一个导航级别,并将超越 GPS 的能力。

二、美国陆军PNT未来发展趋势

为提高未来美陆军PNT能力,提供步兵和战车等武器更加可靠和精确的PNT技术,美国陆军进行了多项举措,相应的技术发展将成为 GPS 的补充和备份。


1、伪卫星系统

由于 GPS 信号可能被友方或敌方的电磁信号或天然障碍降级或拒止,美国陆军希望通过使用地面或近地面无线电发射机广播类GPS信号,以此建立伪卫星系统,以支持和增强GPS信号,提高态势感知能力,从而提高任务指挥效率和效果。在GPS信号中度降级环境下,伪卫星系统有助于获取GPS卫星信号;在严重降级环境下,伪卫星系统可用作定位和授时源。在GPS可用时,伪卫星系统依靠 GPS 信号将获得更为精准的位置、速度和时间(Position Velocityand Time,PVT)信息。美国陆军希望伪卫星系统具有以下能力:

1)指挥和控制软件具有分析能力,有助于伪卫星系统的定位;

2)指挥和控制数据链能与陆军任务指挥系统相兼容;

3)可兼容抗干扰 GPS天线;

4)具有异形光束输出天线;

5)具有共形天线;

6)具有分布式孔径天线;

7)具备防篡改技术;

8)具有高效率、快速响应的功率放大器;

9)能够为天文导航设备提供备用位置源;

10)可通过伪卫星系统发送 GPS差分校正;

11)能为伪卫星系统提供精确授时的替代技术。


2、车辆导航系统

美国陆军希望车辆导航系统在 GPS 受到干扰或拒止环境中,依然能够为车辆提供PNT信息,以提高战场任务指挥和决策能力。具体要求如下:

1)车辆导航系统的设计应该是可配置的,以平衡基本组件的最小化,从而平衡系统的总成本,与任务和作战功能相匹配;

2)车辆导航系统的设计应可允许升级到 GPS 军用码( M 码);

3)车辆导航系统应该高度集成,使 SWaP-C 最小化;

4)车辆导航系统应该兼容网络时间协议(Network Time Protocol,NTP)和精确时间协议(Precision Time Protocol,PTP),并能够利用车辆的辅助传感器提高导航和授时能力。


3、惯性导航

美国陆军希望持续推进惯性导航技术发展,改进单兵和车辆态势感知能力,并提高战场指挥官的任务指挥和决策能力。陆军希望应用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)、机械、光学和原子等技术设计并开发出新型陀螺仪和加速计传感器,以满足单兵和车辆平台的 SWaP-C 最小化目标。此外,陆军还希望开发传感器自校准、速度更新和范围辅助等技术,以保证导航的长期性能。


4、定位

美国陆军希望使用多种外部信息来确定位置信息,如GPS、多全球导航卫星系统(Multi-GNSS)、无线电导航、天文导航、地形匹配导航、机会信号导航(Navigationvia Signals of Opportunity,NAVSOP)和无线电大气信号导航等,以提高战场任务指挥和决策能力。陆军希望重点突破:

1)先进 GPS 接收机硬件,包括新颖的射频前端设计、与传统射频相关器不同的配置和设计、新型天线设计、软件定义 GPS 接收器、实现 GPS 信号或 GPS 导航解决方案的完整性监控等;

2)充分利用 GNSS信号,如允许标准 GPS 接收机跟踪非 GPS 信号的方法(如软件修改 GPS 接收机用于跟踪伽利略导航卫星信号);

3)利用新兴的和计划的未来信号,例如升级到M 码信号,以及包括跟踪和采集算法的新型接收机架构。这些算法可减少首次定位时间 (Time To First Fix,TTFF)或提高抗干扰能力;

4)开发抗干扰 GPS 或 GNSS 天线,以及相关抗干扰技术。


5、导航系统辅助传感器

美国陆军希望开发用于单兵和车辆平台的导航辅助技术,在有 GPS信号时,通过辅助传感器提高 GPS的定位精度;在无 GPS信号时,能够保持较长一段时间内与 GPS 相当的定位精度。陆军认为这种辅助传感器应该是无电磁辐射的,或是具有少量辐射的,或辐射是受控的;另外物理硬件和软件应该是模块化的、易于嵌入的,且是可调可优化的,以适应各种军事平台(如步兵、战车和航空器),从而保障未来系统的升级。 在陆军通用操作环境(Common Operational Environment,COE)中,系统应能够正常工作并遵循预期的体系架构。陆军对于军事导航系统辅助传感器的发展主要包括:

1)基于视觉的导航系统和技术,包括先进的计算机跟踪、映射、特征识别和提取算法,光学镜头技术、照相机、微型固态材料及相应设备等;

2)基 于 光 探 测 和 测 距 (Light Detectionand Ranging,LIDAR)或激光探测和测距(Laser Detectionand Ranging,LADAR)系统;

3)低功耗、窄带的无线电射频测距系统,以降低对临近的无线电通信系统的干扰;

4)速度传感器、速度检测器、磁强计和其他用于先进定位和导航技术的无源传感器;

5)网络辅助导航概念和系统。


6、导航传感器融合

美国陆军希望通过多种导航辅助传感器(如照相机、磁强计、激光测距仪等)的信息融合,以提高车辆和步兵的定位导航能力。陆军希望导航传感器融合发展主要包括以下几个方面:

1)开放式系统架构传感器融合设计应该是通用的、灵活的,便于修改和定制,以满足各种任务要求,并简化多种新型和现有传感器的接口和集成;

2)即插即用系统架构需要满足标准化软件、电气和机械接口,以降低传感器集成和配置复杂性,并降低开发时间和成本;

3)压缩感知算法,使用建模和采样等技术,有效地获取和处理最佳传感器数据,以提高定位导航精度;

4)超定传感器技术,融合和优化传感器数据、功能和应用,以提供鲁棒的、准确的导航解决方案;

5)人工智能,通过自适应感知环境变化,智能地融合各种传感器数据,以增强传感器融合能力。


7、导航仿生技术

美国陆军系统希望能够受到生物学的启发,应用仿生技术来提高 PNT 能力。主要包括以下几个方面:

1)研究脊椎动物和无脊椎动物物种(如箭蚁、卤虫蜂、候鸟、鱼类等),获得仿生过程、模型、系统和技术,用于应对复杂任务和环境的 PNT 系统。陆军感兴趣的项目主要包括应用于姿态、定向和导航的、基于仿生过程的新型传感器,以及应用于PNT 的仿生定制算法;

2)仿生技术与传统 PNT 和材料的融合;

3)通过应用生物启发系统优化 PNT 系统的SWaP-C。


8、授时

美国陆军希望推进先进精确授时时钟源和时间传递技术发展,主要包括以下几个方面:

1)微型原子钟、原子频率标准、紧密耦合的 GPS 接收机/时钟,该项主要考虑:①军事规范相适应环境下的授时精度、长期和短期稳定性,以及低相位噪声;②高精度时钟,为陆军提供在 GPS拒止环境下的精准授时;③ 步兵、地面/空中的有人/无人平台所涉及的SWaP-C优化;

2)保证授时准确性的无线电传送方式。


9、PNT建模与仿真(M&S)

建模与仿真应用于技术开发的各个阶段,美国陆军希望突破以下几个方面:

1)支持技术开发中的设计权衡;

2)对系统组件、系统、体系进行性能分析;

3)在各种环境下,分析作战任务中 PNT 的影响;

4)支持任务规划和决策,同时了解 PNT 可用性、重要性和影响;

5)应用基于模型的系统工程工具和实践来支持 PNT 技术的开发。


10、导航战(NAVWAR)技术应用

导航战技术是指在不影响战区外和平使用GPS/GNSS导航信息的同时,使美国及其友方能够有效利用 GPS/GNSS 导航信息,并阻止敌方使用GPS/GNSS导航信息。美国陆军希望通过导航战来提高在战场上的反介入/区域拒止(A2AD)能力,主要包括以下几个方面:

1)GPS干扰源的实时检测、地理定位和特征描述技术;

2)GPS接收机欺骗、干扰和攻击的实时检测,通过伪信号或者重播等方法重新获取优良的 PNT 数据;

3)通过利用 GPS接收机和/或传感器集成来进行态势感知;

4)有选择地拒止敌方使用 PNT 信息,同时保护中立和友军的 PNT 信息。

11、自主与人工智能(AI)在PNT中的应用

美国陆军认为自主和人工智能技术将为作战人员提供更为先进的作战能力[26-30],主要包括以下几个方面:

1)利用人工智能技术可以增强传感器融合,提高对环境变化的自适应能力;

2)提高各种传感器的智能融合能力;

3)利用人工智能提高士兵的态势感知能力;

4)利用人工智能,使导航系统了解 GPS和其他传感器的环境、路径和实际测量结果,以改进 GPS 和其他传感器的性能,提高导航精度;

5)利用自主技术提供先进的避障能力;

6)应用自主和人工智能技术提高自主导航定位速度;

7)应用自主和人工智能技术提高传感器的实时数据处理能力;

8)利用人工智能技术提高学习和自适应 PNT 的能力,以对抗敌方的威胁;

9)人工智能相关算法的开发和应用,以提高整体 PNT 能力。


结束语

虽然GPS容易受到遮挡、欺骗、干扰等各种因素的影响,使得GPS有时不可用或不可靠,但其仍是美国PNT的主要手段。为满足各种动态变化的高对抗作战环境需求,美国陆军希望通过发展一系列先进的PNT技术,在GPS可用时,提高其PNT能力,不可用时也能维持相当的 PNT 能力。

1)注重改进单兵和车辆态势感知能力,提高支持战场指挥官的任务指挥和决策能力。

在PNT的发展过程中,美国陆军一直注重提升本军种相关的武器装备、平台和单兵作战的态势感知能力,通过多来源的感知和认知PNT数据来不断提升战场的指挥和决策能力。

2)开发开放式的系统架构,软件和硬件齐头并进发展。

美国陆军希望开发开放式的系统架构,使用模块化、易嵌入、标准化、可调的PNT软硬件,满足各种武器装备和平台的发展需求,以及各种作战任务的需求,降低各型元器件、传感器和装备的集成和配置复杂性,并降低开发时间和成本,以保障未来系统的升级。

3)注重SWaP-C优化,提高 PNT 系统性价比。

在各种设计考虑中,特别是小型化装备和单兵PNT 需求,美国陆军十分注重尺寸、质量、功耗和成本之间的权衡、协调和优化,期望能够全面降低SWaP-C,提升车辆和单兵 PNT 能力,并降低成本。

4)应用自主技术、人工智能等前沿技术,提升整体 PNT 能力。

随着大数据、云计算技术、人工智能、无人自主技术等前沿颠覆性技术的发展,美国陆军希望充分利用自主技术和人工智能技术等前沿技术,提高车辆和单兵的环境适应性、态势感知能力、自主导航和协同导航能力,最终提升陆军整体的 PNT 能力。


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