GPS的繼任者們

宋心榮

GPS和慣性導(dǎo)航

1942年德國在V-2火箭上首次應(yīng)用了慣性導(dǎo)航裝置，此后慣性導(dǎo)航技術(shù)就成為重要的導(dǎo)航方式之一。冷戰(zhàn)時期，緊迫的軍事需求極大地推動了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，其定位精度也從1海里 /小時提升到1海里 /24小時左右，并被廣泛用于飛機(jī)、艦船和火箭的導(dǎo)航與控制。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)并不復(fù)雜，一般由慣性測量組件、計算機(jī)、控制顯示器等組成。其中慣性測量組件最為重要，包括加速度計和陀螺儀。其中三個陀螺儀用于測量載體沿三軸的轉(zhuǎn)動運動，確定姿態(tài)。三個加速度計用于測量載體3個平動方向（x，y，z）上的加速度。計算機(jī)對加速度一次積分得到速度，兩次積分得到載體的位置。這便是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位的原理。由于是對時間積分，因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差隨時間積累，無法長期進(jìn)行精確定位。在冷戰(zhàn)前期和中期，單純運用慣導(dǎo)的導(dǎo)彈命中精度較低正是由于這個原因。

為了解決慣導(dǎo)系統(tǒng)無法長期精確定位的缺陷，提升導(dǎo)彈命中精度，美國軍方在子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制了基于衛(wèi)星星座的GPS系統(tǒng)（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）。GPS的定位原理和慣導(dǎo)完全不同。

GPS系統(tǒng)的核心是位于互成120度的三個軌道上互成60度的6條軌道上的24顆衛(wèi)星（每條軌道上有4顆衛(wèi)星）。這一布署足以確保地球上任何一點均能觀測到最少5～8顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的任務(wù)就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航信號。要確定接收機(jī)的位置，需要解出三維位置坐標(biāo)x、y、z和衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時間差Δt這四個未知參量。接收機(jī)每接收一個衛(wèi)星發(fā)出的信號，就能測出已知位置的衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，得到一個方程。接收機(jī)接收4個以上衛(wèi)星的信號就能得到足夠的方程以解出x、y、z、Δt這4個參量，從而實現(xiàn)定位。接收的衛(wèi)星信號越多，定位精度越高。由于衛(wèi)星裝備了原子鐘，因此，GPS接收機(jī)還能提供準(zhǔn)確至納秒級的授時服務(wù)。

由于GPS系統(tǒng)的工作原理，其定位精度要比慣導(dǎo)系統(tǒng)（INS）高得多，可達(dá)0.1米。而且不存在定位誤差隨時間積累的問題。所以，GPS系統(tǒng)一經(jīng)推出就廣受歡迎，得到了極為廣泛的運用。包括我國在內(nèi)的世界各國也都研制、部署了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，GPS系統(tǒng)也并非沒有缺點。由于需要接收外來信號，GPS系統(tǒng)極易受到干擾，而且在山區(qū)等地信號經(jīng)常丟失。因此，在武器制導(dǎo)上過度依賴GPS是不行的。目前國際上一般采用，衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方法，高精度的GPS信息可以用來修正慣導(dǎo)隨時間積累的誤差，而慣導(dǎo)系統(tǒng)則可以在GPS信號受到嚴(yán)重干擾，或接收機(jī)故障時，獨立地進(jìn)行導(dǎo)航定位，保障了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。美國的“聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈”（JASSM）和 “聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）都采用了GPS/INS復(fù)合制導(dǎo)，命中精度從單純用GPS的15米提升到了10～13米，武器可靠性也大大增加。

雖然GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)復(fù)合制導(dǎo)的方法可以在平時工作良好。但在戰(zhàn)時，這一系統(tǒng)就不可靠了。在反衛(wèi)星技術(shù)日漸發(fā)達(dá)的今天，敵方可以在很短時間內(nèi)摧毀GPS衛(wèi)星星座，使其無法滿足全球定位的數(shù)量要求，導(dǎo)致GPS失效。同時，干擾GPS信號的手段不斷進(jìn)步，使得有效干擾范圍和持續(xù)干擾時間大大增加，也令GPS面臨著巨大威脅。如果GPS失效，那么GPS慣導(dǎo)復(fù)合制導(dǎo)也就毫無意義了。因此，研究更小巧、更精確、抗干擾性更強(qiáng)的導(dǎo)航系統(tǒng)也就勢在必行，近年來，世界各國在這一領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，而其采取的技術(shù)路線更是五花八門，下面就將一一介紹作為GPS繼任者的形形色色的新一代導(dǎo)航系統(tǒng)。

定位芯片

——DARPA的創(chuàng)意

自21世紀(jì)以來，由于干擾GPS信號的技術(shù)日益成熟，美國軍方一直在尋求GPS系統(tǒng)的替代品。在這方面，美國國防高級研究計劃局（DARPA）走在了前面。

美國人將代替GPS的重點放在了研制新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)上，力求實現(xiàn)定位精度更高，高精度定位時間更長且小型化、低成本的目標(biāo)。得益于智能手機(jī)的巨大需求，步入21世紀(jì)后，微機(jī)電技術(shù)（MEMS）得到了空前的發(fā)展。同時，醫(yī)用和化學(xué)分析用核磁共振設(shè)備的發(fā)展也使得核磁共振陀螺（NMRG）的技術(shù)不斷進(jìn)步。此外，原子鐘技術(shù)也在逐步成熟，這些都為美國研制新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2013年6月6日，DARPA跟諾斯羅普·格魯曼公司簽訂了價值64.8萬美元的合同，要求諾斯羅普·格魯曼公司在1年內(nèi)研制出新一代微型慣導(dǎo)系統(tǒng)，其定位精度需至少等于或超過GPS系統(tǒng)。當(dāng)然，DARPA也將這一項目同時分包給了別的公司，以促進(jìn)技術(shù)路線多樣化，防止在一棵樹上吊死，據(jù)估計，美軍新一代微型慣導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)總經(jīng)費高達(dá)1 340萬美元。

諾斯羅普·格魯曼公司選擇的方案是利用微機(jī)電技術(shù)將核磁共振陀螺儀小型化。核磁共振陀螺儀的原理并不復(fù)雜。原子核在靜磁場里以拉莫頻率繞進(jìn)行自旋進(jìn)動。一但給核磁共振陀螺儀一個外加角速度，原子核自旋進(jìn)動的頻率就會發(fā)生變化，通過測量這個變化量，就可以解出角速度，其精度要比傳統(tǒng)的靜電陀螺儀高得多。諾格公司通過微機(jī)電技術(shù)，將整個核磁共振陀螺儀的精密結(jié)構(gòu)刻在硅片上，使整臺核磁共振陀螺儀可以被封裝在一個芯片中。對于慣導(dǎo)系統(tǒng)的另一部分——加速度計，諾格公司也別出心裁，使用了新型的光學(xué)加速度計。通過一系列改進(jìn)，諾格公司研制的新一代慣導(dǎo)定位精度要比傳統(tǒng)的慣導(dǎo)系統(tǒng)高很多，基本上優(yōu)于GPS的水平，誤差積累也比較小。2014年6月，諾斯羅普·格魯曼公司導(dǎo)航業(yè)務(wù)部副總裁查爾斯·沃爾克宣布，新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)樣機(jī)已經(jīng)建成。目前，諾格公司正在努力實現(xiàn)原理樣機(jī)的實用化、市場化。

除了諾格公司，2016年4月，DARPA還將研制新一代慣導(dǎo)的合同授予了HPL實驗室，合同總價值達(dá)430萬美元。HPL實驗室前身是著名的休斯研究實驗室，世界上第一臺紅寶石激光器就誕生于這里。1997年，HPL實驗室成為有限責(zé)任公司，為波音公司和通用汽車共同所有，承擔(dān)傳感器和材料、信息和系統(tǒng)科學(xué)，電磁學(xué)應(yīng)用和微波電子等領(lǐng)域的研究。HPL實驗室不僅為這兩家公司負(fù)責(zé)研發(fā)，還承接美國政府和其他企業(yè)的研發(fā)合同，研發(fā)能力極強(qiáng)。新一代慣導(dǎo)的研發(fā)在內(nèi)部被稱之為Atlas項目。Atlas項目走的是微機(jī)械陀螺儀和原子鐘相結(jié)合的道路。Atlas項目利用原子鐘里穩(wěn)定、高精度的原子振蕩頻率來校正微機(jī)械陀螺儀的誤差，同時還能提供授時服務(wù)，和GPS功能完全相同。

美國的這兩款新一代慣導(dǎo)系統(tǒng)令人印象深刻的不僅在它們的定位精度堪比GPS，還在于它們的小型化。如此高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)居然只有一個芯片大小，這不能不說是技術(shù)的奇跡。從美國研制新一代慣導(dǎo)的過程中，我們可以看出，新一代慣導(dǎo)一定要綜合多種前沿學(xué)科的成果才能實現(xiàn)。

量子羅盤

——英國人的努力

和財大氣粗的美國人不同，英國人在解決如何代替GPS系統(tǒng)這一問題時走了完全不同的道路，更多地是利用成熟技術(shù)“智取”。英國研究GPS替代品的努力主要集中在量子羅盤和利用機(jī)會信號導(dǎo)航這兩個方面。

1997年，美籍華人朱棣文、科恩-塔諾季和菲利普·斯諾因在發(fā)展用激光冷卻和陷俘原子領(lǐng)域的研究成果而獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎。他們開發(fā)的用激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)為人們研究和利用超低溫態(tài)的原子奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過長期的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在冷凍狀態(tài)的原子對地球磁場和引力場的變化極其敏感。利用其波動性可以建成冷原子干涉儀，通過分析干涉條紋就可以得出線性加速度和旋轉(zhuǎn)角速度，精度比傳統(tǒng)的加速度計要高上百倍，而且溫度越低測量精度越高。之后再經(jīng)過積分計算就可以定位了。這就構(gòu)成了量子羅盤的技術(shù)基礎(chǔ)。

本來，在20世紀(jì)末，激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)尚在初生階段，技術(shù)困難很多。然而，得益于冷原子鐘的巨大市場需求，在21世紀(jì)，激光冷卻和陷俘原子的技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。原子冷卻達(dá)到的溫度越來越低，成本也更加低廉。這就使得量子羅盤的研發(fā)步入快車道。21世紀(jì)初，英國國防部投資了數(shù)百萬英鎊，由英國國防科技實驗室（DSTL）牽頭研發(fā)量子羅盤。

到2014年，英國國防科技實驗室已經(jīng)造出了第一臺量子羅盤樣機(jī)。該樣機(jī)酷似一個鞋盒，長寬高都在1米左右。樣機(jī)的核心部分是冷原子干涉儀，其內(nèi)置的激光器陣列能將銣原子云冷卻到絕對零度以上百萬分之一度的水平，以保證測量的精度。3個這樣的設(shè)備互成直角安放在樣機(jī)內(nèi)部，以測量3個軸向的線性加速度和旋轉(zhuǎn)角速度。

英國國防科技實驗室的下一步目標(biāo)是將量子羅盤小型化，使之能夠為個人所使用。同時，英國也著力推動量子羅盤的核心技術(shù)冷原子測量技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域，比如冷原子鐘和量子傳感器。冷原子測量技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，其測量重力場、地磁場、旋轉(zhuǎn)速率、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的能力在各個領(lǐng)域都十分有用。比如，在石油天然氣領(lǐng)域，通過量子傳感器來進(jìn)行引力觀測，將大大提升發(fā)現(xiàn)新油氣田的速度。在土木工程領(lǐng)域，量子傳感器也可用于地下結(jié)構(gòu)的探測，提升工程規(guī)劃的合理性。

將來小型化的新一代慣導(dǎo)就只有圖中央的芯片那么大。

量子羅盤一但實現(xiàn)小型化和實用化，其軍事價值是顯而易見的。對于潛艇來說，在水下無法使用GPS，只能使用慣導(dǎo)，上浮后用GPS校正誤差。但是如果長期潛航的話，航向誤差積累的就會很大。而量子羅盤無需借助外界信號，可以自主工作且精度極高，特別適用于核潛艇的導(dǎo)航。同時，量子羅盤小型化實現(xiàn)后，在洞穴和地下建筑中的導(dǎo)航也變?yōu)榭赡堋Ａ孔恿_盤還可以作為GPS信號被干擾或衛(wèi)星被攻擊后的備份導(dǎo)航系統(tǒng)。

除了量子羅盤，英國BAE公司還開發(fā)了一種利用機(jī)會信號導(dǎo)航的Navsop系統(tǒng)。據(jù)報道，Navsop系統(tǒng)能利用包括Wi-Fi、電視信號、無線電通訊信號、手機(jī)信號以及空管信號等數(shù)百個不同的已知信號，進(jìn)行定位，聽起來十分高大上。其實Navsop系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，跟我們生活中常見的無線電測向活動有著異曲同工之處。看過老電影的讀者可能記得，特務(wù)使用測向車尋找地下電臺的場景。Navsop系統(tǒng)跟無線電測向車的原理基本相同。首先，在開始階段要有GPS信號，確定Navsop系統(tǒng)載體的自身位置，之后利用測向天線測出無線電信號源的方位角，得出一條示向線，被軟件保存在電子地圖中。之后載體移動到另一個位置，再測一個方位角，又得到一條示向線。兩條示向線在電子地圖上相交的地方就是無線電信號源的所在地，得到了信號源的位。找此方法，Navsop系統(tǒng)經(jīng)過一段“學(xué)習(xí)”時間就可以找出許多信號源，并確定其中靜止不動的信號源，再以它們中的某兩個信號源進(jìn)行無線電雙曲導(dǎo)航即可。當(dāng)然，找到的靜止信號源越多，它們之間就可以互相修正導(dǎo)航誤差，定位精度就更高，這也是為什么Navsop系統(tǒng)要利用那么多信號的原因。不過，由于像Wi-Fi這樣的信號作用距離近，穩(wěn)定性差，目前Navsop系統(tǒng)主要依靠頻率位于中波波段的無線電信號源（主要是廣播電臺）進(jìn)行導(dǎo)航。

2012年，英國的Navsop系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了車載實驗。這臺樣機(jī)有一個大箱子大小，放在汽車上，和車載天線相連。最開始，Navsop系統(tǒng)在GPS的幫助下找到了很多信號源。經(jīng)過一段時間的分析處理，Navsop系統(tǒng)篩選出了合適的信號源用于無線電導(dǎo)航。此時，BAE公司的工程師關(guān)閉了GPS接收機(jī)，Navsop系統(tǒng)獨立導(dǎo)航，引導(dǎo)汽車沿著倫敦的街道前進(jìn)，成功抵達(dá)預(yù)定地點。

Navsop系統(tǒng)原理并不復(fù)雜，利用無線電測向和無線電導(dǎo)航這樣的“土辦法”就實現(xiàn)了GPS的功能，其獨特的思路值得借鑒。當(dāng)然，BAE公司的法拉加博士坦言，Navsop系統(tǒng)目前不能代替GPS，因為它在初始階段需要GPS協(xié)助尋找信號源。所以，Navsop系統(tǒng)的最大意義就在于為GPS提供一個備份，一但GPS被干擾，Navsop系統(tǒng)還可以繼續(xù)導(dǎo)航至目標(biāo)。

現(xiàn)在，BAE公司正致力于將Navsop系統(tǒng)小型化。BAE公司的目標(biāo)是將Navsop系統(tǒng)做成跟GPS接收機(jī)或智能手機(jī)大小，其核心處理器將僅有硬幣大小。Navsop系統(tǒng)市場前景極佳。據(jù)歐盟委員會統(tǒng)計，歐洲經(jīng)濟(jì)中有8 000億歐元的產(chǎn)業(yè)依賴GPS的精確定位和授時功能，包括航空業(yè)、航運業(yè)、農(nóng)業(yè)以及電信。然而，時有發(fā)生的太陽耀斑產(chǎn)生的磁暴以及各種惡意干擾都有可能威脅到GPS系統(tǒng)的正常工作。因此，這些產(chǎn)業(yè)顯然不會拒絕廉價的GPS備份——Navsop系統(tǒng)。此外，Navsop系統(tǒng)還有一些其他的用途。Navsop系統(tǒng)可以通過手機(jī)信號幫助救援人員找到著火的建筑物內(nèi)的受困者。安裝Navsop系統(tǒng)的車輛即使被盜、被盜賊加裝GPS干擾器也能被找到。

展望

縱觀慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展史，科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和軍事需求始終是推動慣導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的核心推動力。第二次世界大戰(zhàn)期間，對彈道導(dǎo)彈制導(dǎo)的需求催生了最早的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。二戰(zhàn)后，軍艦、潛艇和飛機(jī)的導(dǎo)航需求則推動了慣導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)不斷提升，從液浮陀螺到氣浮陀螺，再到靜電陀螺，陀螺的精度不斷提升。然而，隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的成熟，以及GPS系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)的建設(shè)完成。慣導(dǎo)系統(tǒng)受到了強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。不過，GPS被廣泛應(yīng)用的同時，其信號易于被干擾、衛(wèi)星易于被攻擊的弊端也開始逐步顯現(xiàn)。各國都在研究擺脫GPS依賴的方法。于是，通過和前沿科學(xué)相結(jié)合，慣導(dǎo)系統(tǒng)再度煥發(fā)了新生。核磁共振陀螺、量子羅盤等先進(jìn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的問世，使得慣導(dǎo)系統(tǒng)再度具備了和GPS接近的導(dǎo)航能力。未來，新一代慣導(dǎo)逐步接過GPS的大任正在成為可能。

責(zé)任編輯：王鑫邦

? ?在建筑物中使用的Navsop設(shè)備（腰間所系者）與智能手機(jī)一樣小，并且使用微型無線電接收器.

? ?現(xiàn)在城市中充斥著各種信號，BAE公司的Navsop系統(tǒng)就是利用這些已知信號進(jìn)行自身定位。