外軍“不依賴GPS導航”技術

聞成

近年來，外軍為提高在高威脅環(huán)境中的作戰(zhàn)能力，大力提高武器制導的可靠性，許多國家軍方政策支持加速發(fā)展不依賴GPS的武器制導技術，并開始應用于諸多新型武器。

發(fā)展背景

進入新世紀后，包括美軍在內的許多國家軍隊都意識到現代作戰(zhàn)行動對GPS的依賴過于嚴重，而隨著GPS干擾技術的快速發(fā)展，這一隱患將成為各國軍隊戰(zhàn)時使用武器的巨大威脅。

為此，從2010年開始，以美軍為首的西方軍隊大力倡導不依賴GPS導航技術的發(fā)展。

DARPA的新要求從2010年起，美國國防部高級研究計劃局開展了不依賴衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研發(fā)工作，目的是全面替代GPS，而不是作為GPS系統(tǒng)的補充。為此，2014年6月，美國國防預先研究計劃局（DARPA）向工業(yè)界發(fā)布新的項目公告，要求發(fā)展不依賴現有GPS的武器導航技術。該項目名為“對抗性環(huán)境中的空間、時間和方位信息”（STOIC），目的是尋求發(fā)展PNT系統(tǒng)，提供獨立于GPS系統(tǒng)之外的定位、導航和定時信息。該技術提供的信息應與GPS系統(tǒng)提供的定時和定位精度相當。為了達成目的，專家們必須結合遠程參考信號、超穩(wěn)定戰(zhàn)術時鐘、以及可在用戶之間分享PNT信息的多功能系統(tǒng)。此后，美國DARPA同時開展了5個項目的研究，全部或部分聚焦于定位導航授時技術的開發(fā)。

空軍的新政策DARPA的要求很快得到了空軍的政策支持。2015年1月，美國國防部在尋求AGM-86“空射型巡航導彈”替代方案時表示，未來所有空基核武器將全部可在非GPS環(huán)境中工作。幾乎與此同時，美國防部修訂了“LRASM導彈加速采購項目”合同，要求該彈在無GPS系統(tǒng)、數據鏈等其它信息支援的情況下，在電子戰(zhàn)環(huán)境中憑借自身的多模傳感器和機載/艦載瞄準系統(tǒng)實現自主探測、識別和打擊目標。2015年9月，位于美國俄亥俄州賴特·帕特森空軍基地的美國空軍研究實驗室與3個軍事承包商簽訂合同（STOIC），開發(fā)具有全球定位系統(tǒng)（GPS）性能的軍事定位、導航和授時（PNT）技術，但其運行獨立于GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)。其中，雷聲BBN技術公司在2015年6月獲得170萬美元合同；探險技術公司、羅克韋爾柯林斯公司在同年4月分別獲得52.4萬美元和540萬美元的合同。

海軍積極響應與空軍幾乎同時，海軍也對DARPA的要求反應積極。2015年1月，美國海軍提出，考慮到潛艇越來越依賴GPS導航，需要發(fā)展GPS被干擾或不可用時的潛艇導航系統(tǒng)。為此，美國海軍制定計劃將利用有限的資金和現有的傳感器，比如成像器、天線和陀螺儀等，完成新型硬件保障裝備。海軍建議導航源為磁場、天文或者光學。計劃中還明確任何需要主動向外發(fā)送信號的方案一律不予通過，因為這樣很有可能暴露潛艇的位置。

在拒止環(huán)境中作戰(zhàn)是美軍當前國防科技和作戰(zhàn)能力的發(fā)展重點之一，涉及指揮控制、互聯互通、精確制導、電子對抗、機群協同、定位導航授時等諸多領域的科技項目正在實施之中。目前，在國防部和各軍種的積極響應下，不依賴GPS的武器制導技術已經成為新的武器技術發(fā)展方向。為此，英國等美盟國也開始與美國同步發(fā)展各種不依賴GPS的武器制導技術，有些項目已投入應用試驗。

技術途徑

傳統(tǒng)的GPS主要通過接收不同衛(wèi)星信號來計算確定接收者的空間位置，新的不依賴GPS導航技術主要依靠不與外界發(fā)生信息交互的自身定位系統(tǒng)或多種來源的外界光、電信號來定位和導航，新技術主要包括以下幾種。

慣性導航技術這是在傳統(tǒng)慣性導航技術基礎上發(fā)展起來的新一代微型化、精確化的導航技術。2013年開始，DARPA啟動了一個名為“彈藥精確強大慣性制導：先進慣性微型傳感器”的項目，為制導彈藥研發(fā)“沒有外部導航援助”（如GPS）情況下的精確導航技術。DARPA目前正在開展的5個不依賴GPS導航項目中，有兩項是以慣性導航技術為基礎。其中，適應性導航系統(tǒng)項目主要是開發(fā)可適應多種平臺的“即插即用”導航與定位傳感器結構與算法，開發(fā)成本降低，將部署周期從數月縮短到數天。該技術主要通過冷原子干涉陀螺儀實現慣性測量，利用量子屬性制造準確的慣性測量裝置，不需外部數據即可長時間確定時間和位置。同時，為將成果應用于武器制導，DARPA主要開發(fā)微導航定位（PNT）技術，通過利用其開發(fā)的微機電系統(tǒng)（MEMS）技術研發(fā)獨立的芯片級慣性導航和精確制導系統(tǒng)。DARPA目前正在開發(fā)具有自校準、高性能和低成本的微型傳感器，用來替代當前體積、重量和功率均較大的傳感器。微導航定位（PNT）技術近期的其它技術突破包括用于慣性傳感器的新型微加工技術和材料。

圖像導航技術圖像導航技術（ImageNav）是利用彈上傳感器對地形成像，將飛行路徑與存儲的地形數據進行對比，可以達到3米的圓概率誤差水平。美國國防部在2016年1月授予美國科學系統(tǒng)公司“小企業(yè)創(chuàng)新研究”第3階段合同。要求開發(fā)先進的“圖像導航”技術，并對技術成熟度進行評估。該技術將在波音公司的增量Ⅰ型“小直徑炸彈”（SDB）上進行試飛和演示，并對技術成熟度進行評估，預計在2018年1月之前完成。按照該合同發(fā)展的圖像導航/精確瞄準系統(tǒng)還可用于無人機和導彈。除了美國空軍之外，美國國防部國防高級研究計劃局也正在實施“導引頭成本轉變”（SECTR）項目。該項目發(fā)展的帶有SECTR的武器由載機發(fā)射后，在進入高對抗空天環(huán)境前，利用GPS進行導航，進入高對抗空天環(huán)境后，利用成像傳感器進行搜索、目標定位和識別、瞄準點選擇和末段尋的。該技術也是提高導彈武器制導技術可靠性的主要項目。

地磁導航技術地磁場是地球的固有資源，為航空、航天、航海提供了天然的坐標系。在地球近地空間內任意一點的地磁矢量都不同于其它地點的矢量，而且與該地點的經緯度存在一一對應的關系。因此，理論上只要確定該點的地磁場矢量即可實現全球導航。近年來，地磁導航因其隱蔽性能好、效費比高、即開即用，誤差不隨時間積累的優(yōu)勢而被廣泛應用和快速發(fā)展。早在2003年8月，美國國防部軍事關鍵技術列表中提到，他們所研制的純地磁導航系統(tǒng)在地面和空中的定位精度優(yōu)于30米（CEP）。俄羅斯的新型SS-19導彈采用地磁場等值線匹配制導方式，導彈進入大氣層后，不是按拋物線飛行，而是在稠密大氣層內沿地磁等高線飛行，使美國導彈防御系統(tǒng)無法準確預測來襲導彈的飛行彈道軌跡，大大增強了導彈的突防能力。美國生產的波音飛機上配備有地磁匹配制導系統(tǒng)，供飛機起飛降落時使用。目前，該技術已經在高空長航時無人機上得到驗證，并和GPS組合使用。在GPS完好時，將磁強計同時用于定姿和定位，以提高慣導/GPS組合導航系統(tǒng)的精度；在GPS失效時，利用磁場匹配輔助慣性導航，減少慣導系統(tǒng)輸出誤差。

全源定位和導航（ASPN）這也是美國DARPA正在開展的5個項目之一。該技術包括3個主要元素：遠程強勁的參考信號，極穩(wěn)定的戰(zhàn)術時鐘以及為多用戶提供導航定位信息的多功能系統(tǒng)。其原理主要是利用非導航電磁信號，包括商用衛(wèi)星、光波和電視信號甚至閃電，為PNT系統(tǒng)提供額外的參考信息。將不同的信號來源相結合，可以使這種導航系統(tǒng)在GPS信號較弱甚至消失的情況下，提供比GPS模塊定位導航系統(tǒng)更強更豐富的信息。

超低頻導航技術目前，各國海軍幾乎都需要依靠超低頻通信與潛艇保持聯絡，而這種超低頻無線電波也可用于地理定位，可在未來作為當GPS系統(tǒng)失效時的替代定位手段。目前，美國國防部高級研究計劃局資助美國佛羅里達大學國際雷電研究與測試中心正在發(fā)展超低頻導航定位技術，該中心已在全球各地布置超低頻信號接收器，其中甚至包括格陵蘭和南極地區(qū)，并不斷開展利用閃電以及窄波通訊技術進行的定位測量實驗。

應用發(fā)展

為了盡快將不依賴GPS導航技術成果應用于武器，各國已開始開發(fā)各種不依賴GPS導航裝置，并在一些武器上開展試驗。

授時慣性測量裝置（TIMU）在美國DARPA的支持下，密歇根大學的研究人員在授時慣性測量裝置（TIMU）方面的研究已經取得重要進展。新的裝置被集成在僅8立方毫米的芯片上，芯片中集成有3個微米級的陀螺儀、加速器和原子鐘，它們共同構成一個不依賴外界信息的自主導航系統(tǒng)。單芯片的TIMU樣機包含6坐標軸慣性測量裝置（3個陀螺儀和3個加速度計），并集成了高精度的主時鐘，這7種裝置構成一套獨立的微型導航系統(tǒng)，尺寸比1美分的硬幣還小。精確導航需要知道方向、加速度和時間3類關鍵信息，這種新型芯片能夠同步測量這3類信息。芯片通過新型制造工藝、高質量材料才能完成，TIMU共有6層用微技術加工的二氧化硅結構層，每層厚度僅為50微米，與人類頭發(fā)的直徑相當，每層功能不同。TIMU未來的潛在應用廣泛，由于其體積小且功能強大，可用于人員追蹤、手持式導航、小口徑彈藥以及小型空中平臺等。該項目的目標是為了開發(fā)獨立的芯片級慣性導航和精確制導技術。

微型慣性傳感器該項目與授時慣性測量裝置相似，部分內容甚至在同一發(fā)展計劃中進行，主要是實現導航裝置的小型化和精確化。2016年初，美國DARPA授予總部位于加利福尼亞州的HRL實驗室價值430萬美元的合同，用于研發(fā)最終能實現不依賴GPS精確制導和導航的抗振抗沖擊慣性傳感器技術。該實驗室為波音公司與通用動力公司聯合擁有。該合同要求HRL實驗室計劃把一個名為“柯氏振動陀螺”（CVG）的“微電子機械系統(tǒng)”（MEMS）傳感器與一個極精準原子鐘基準頻率同步，目的是利用“原子超精細躍遷頻率”的精確性提高慣性陀螺的精確程度，其實際就是將該原子鐘基準頻率的穩(wěn)定性傳遞給“柯氏振動陀螺”傳感器。DARPA指出，對稱“微電子機械系統(tǒng)”架構、集成光子學、光學測力及位置應用方面取得的近期進步，為感應旋轉及加速度新模式提供了機遇，而感應旋轉及加速度是慣性導航的組成基礎。DARPA還表示，使用“柯氏振動陀螺”的2D及3D“微電子機械系統(tǒng)”平臺可以生成先進的自動陀螺，能實現相當于、甚至優(yōu)于當前GPS方法的精確制導。

導引頭成本轉變項目（SECTR）2015年6月，美國防預先研究計劃局（DARPA）發(fā)起了導引頭成本轉變項目，對不依賴于GPS的制導系統(tǒng)進行驗證。該制導系統(tǒng)能夠對靜止、可重新部署和移動目標等進行全天時導航和精確末段尋的，主要用于高對抗環(huán)境下無法借助數據鏈獲得激光目標指示和連續(xù)的瞄準更新數據時使用。DARPA的導引頭概念方案，采用被動捷聯式電光/紅外傳感器（用于導航的大視場、低級到中級分辨率，用于末制導的窄視場、中級到高級分辨率），進行末段尋的時，廣域視場分辨率為低度到中度、窄視場時分辨率為中度到高度。該項概念導引頭還加載有GPS接收機、慣性測量部件，以及為未來升級潛力預留的接口。SECTR項目包括兩個階段：第一階段持續(xù)21個月，主要設計和開發(fā)重量小于5千克導引頭；第二階段持續(xù)18個月，集成和測試重量不超過2千克的導引頭，最終的重量指標小于1千克。DARPA表示，該系統(tǒng)“將為目標識別和優(yōu)化選擇打擊部位提供高分辨率的成像和距離信息，這將在滿足摧毀目標的前提下使戰(zhàn)斗部的尺寸和重量最小化”，這也會降低武器的尺寸。這種小型、低成本導引頭具有開放式和模塊化架構，能根據設計或計劃轉換為先進的低成本精確制導彈藥。

隨機信號導航項目（NAVSOP）這一技術最早源于英國BAE系統(tǒng)公司，該公司在2012年6月公布“通過隨機信號導航”（NAVSOP）技術。其利用諸如Wi-Fi、無線電臺和移動電話等現成的信號輻射來計算系統(tǒng)用戶的位置，精度可達到數米。NAVSOP系統(tǒng)可以抵抗敵方的干擾（這是GPS的弱點）和欺騙，還能夠通過獲取起初未能識別的信號來建立逐漸精確和可靠的定位結果。在某些情況下，它甚至可以利用GPS干擾機所發(fā)射的信號來進行輔助導航。NAVSOP系統(tǒng)工作所需要的基礎設施都是現成的，所需要的硬件都可通過商業(yè)系統(tǒng)獲取，用戶不需要為它建立費用高昂的發(fā)射機網絡。此外，它還可被集成到現有的各種定位設備中，從而提供比GPS更為優(yōu)越的服務。該系統(tǒng)可以在建筑物林立的城區(qū)和建筑物內等GPS信號不可達的地方發(fā)揮作用，也可以通過捕獲各種信號（包括低軌道衛(wèi)星的和其它民用設備的），在北極等世界上最偏遠的地區(qū)發(fā)揮作用。因此，該系統(tǒng)在軍事方面有廣泛的應用潛力。它可以幫助士兵在邊遠地區(qū)和建筑物密集的城區(qū)行動，也可以提高無人機（UAV）的安全性。目前，BAE系統(tǒng)公司已通過“雷神”無人機對該技術進行驗證。此外，澳大利亞的洛卡塔（Locata）公司為美國空軍研制的洛卡塔網絡定位系統(tǒng)也已在白沙靶場完成測試，結果表明該系統(tǒng)可在GPS拒止情況下滿足軍用導航定位需求。該系統(tǒng)采用地面廣播設備取代衛(wèi)星，向局部區(qū)域發(fā)射導航信號。其信號強度是GPS衛(wèi)星信號的100萬倍，理論定位精度可達6厘米，且具有快速啟動能力。

光學原子鐘授時項目眾所周知，導航技術嚴重依賴于精確的時鐘基準，而GPS就是通過時鐘授時達到了不同地點的時鐘同步，進而計算出各自位置。光學原子鐘授時項目是美國DARPA發(fā)展的不依賴GPS導航主要技術項目的基礎。該技術主要通過發(fā)展精確的時鐘基準為其它不依賴GPS導航技術提供基礎服務。主要包括：一是量子輔助傳感與讀出技術。該項目主要是為了制造具有高可靠性和高兼容性的原子鐘。目前高精度原子鐘只能在實驗室固定環(huán)境下工作。美國（QuA？ SAR）研究人員已經在實驗室環(huán)境下開發(fā)出了光學原子鐘，其在50億年內的誤差小于1秒。通過研發(fā)可移動的原子鐘，提高GPS的精確度，開發(fā)新型雷達、激光雷達和測量系統(tǒng)等；二是超快激光科學與工程項目。該項目利用超短脈沖激光技術來顯著提升原子鐘和微波源的精度，從而精確實現遠距離的時間和頻率同步。如果PULSE項目取得成功，全球范圍內都可以共享最精確的光學原子鐘授時。

發(fā)展動因

發(fā)展不依賴GPS導航技術的目的是為作戰(zhàn)人員和武器精確打擊提供競爭激烈環(huán)境中類似GPS的定位、導航和授時功能。以美軍為首的西方國家軍隊積極發(fā)展這一技術體系，既有著面對未來威脅環(huán)境發(fā)展的無奈，又有著占據技術優(yōu)勢地位的野心，也有著對現有GPS發(fā)展的無望。

減少對GPS的依賴美國的GPS系統(tǒng)在上個世紀末曾發(fā)展為最廣泛的作戰(zhàn)基礎設施，滲透到了西方國家軍隊作戰(zhàn)的方方面面，美軍也對其產生了嚴重依賴，在本世紀前十年，美軍忽然發(fā)現離開GPS系統(tǒng)，美軍已經無法遂行作戰(zhàn)和保障任務，這成為美軍積極發(fā)展不依賴GPS導航技術最根本的原因。由于普遍預期GPS在未來戰(zhàn)場上不可靠，因此從本世紀初開始，美軍一直想在彈藥制導和導航方面降低對全球定位系統(tǒng)（GPS）的依賴，因為美軍規(guī)劃人員擔憂，這種依賴會使武器在GPS信號受到自然或人為干擾時變得脆弱。美國DARPA項目經理阿拉提·普拉巴卡爾介紹稱，“定位、導航和授時服務對軍隊而言就像氧氣對人類一樣不可或缺。DARPA目前正在研究新機理、研制新設備、開發(fā)新算法，以擺脫軍事人員和系統(tǒng)設備對GPS的依賴。”

爭奪戰(zhàn)場技術優(yōu)勢美軍認為，為了在未來戰(zhàn)爭中立于不敗之地，必須保持對對手的高度技術優(yōu)勢，當初GPS發(fā)展即出于這一思想。當今的GPS模塊導航技術已經無處不在，從汽車、船舶、飛機、火車、智能手機、手表，到無人駕駛車、制導武器和自動供應鏈管理，內置的GPS模塊的設備發(fā)揮了重要作用，這都得益于美國DARPA早年對GPS小型化技術的投資。但未來大型沖突作戰(zhàn)，曾經一度被視為優(yōu)勢的GPS由于易受干擾，反而處于潛在的劣勢；在未來高威脅環(huán)境下，GPS性能退化或由于電子干擾、電磁脈沖武器或地形遮蔽無法使用GPS；特別是俄羅斯和中國等也發(fā)展了“北斗”和“格拉納斯”等高性能GPS，逐漸縮小了與美軍的技術差異；基于這種認識，美國正在尋求發(fā)展GPS的替代產品，以保證精確制導彈藥在未來對抗環(huán)境下仍然能夠發(fā)現目標，從而保持對潛在對手的技術差，確保其戰(zhàn)場技術優(yōu)勢。

干擾技術發(fā)展迅猛隨著美國GPS技術在武器系統(tǒng)中的廣泛應用，近年來許多國家都開發(fā)了形式多樣的GPS對抗技術，對現有GPS系統(tǒng)構成了嚴重威脅。美國運輸部在2001年8月公布的一份題為“評估運輸基礎結構依賴GPS系統(tǒng)的脆弱性”報告中警告說，全世界軍事上日益依賴GPS已促使許多國家研制GPS干擾設備，而且毫無困難。報告指出，國外正在研制兆瓦級的干擾機，可在更大的范圍內阻礙GPS的使用。2003年美軍在伊拉克的軍事打擊行動受到了來自伊拉克軍隊的GPS干擾機的干擾。近年美韓軍隊多次發(fā)現朝鮮在朝鮮半島陸上軍事分界線附近兩到三處地點部署了車載全球定位系統(tǒng)干擾器，有效作用距離為50千米至100千米。2016年3月，英國陸軍發(fā)布的題為《對針對混合型對手的“智慧訓練”的認識》報告中透露，在電子戰(zhàn)方面，北約和英國都被甩在了后面，俄軍電子戰(zhàn)和黑客活動對北約飛機、GPS制導武器和地面士兵構成威脅。可見，現有GPS的缺陷已經嚴重危害到了美軍事安全。對此美軍決定通過現代化計劃重點增強系統(tǒng)抗干擾的能力。

系統(tǒng)設計存在局限盡管GPS是革命性的，但由于其總體技術框架是上世紀70年代確定的，因此存在諸多局限性。而且GPS建立在特殊的和相對較為脆弱的衛(wèi)星信號基礎上，容易被阻斷。例如，在地下和水下等空間，無法接收到GPS模塊設備發(fā)出的信號，GPS衛(wèi)星一旦因故障、敵對打擊或干擾（如太陽風暴）等原因無法提供服務，這對僅依賴GPS導航定位的作戰(zhàn)人員或系統(tǒng)來說可能是致命的災難。為此，美國阿富汗戰(zhàn)區(qū)司令部曾在2010年1月要求美空軍（操作GPS衛(wèi)星）改進GPS阿富汗覆蓋范圍，以解決阿富汗山區(qū)地形阻擋GPS衛(wèi)星信號的問題。而上述情況下就需要具備GPS的新的導航定位替代方案，這也是外軍必須發(fā)展不依賴GPS導航技術的不得已原因。