◎中國電子信息產業(yè)發(fā)展研究院◎張力◎張新征◎李宏偉

為了解決美國高精度PNT服務在可用性、可靠性方面面臨的潛在威脅，美國提出建設新一代國家PNT體系，新一代PNT體系以自主導航、通信與PNT融合等為途徑，采用開放式體系架構，將增強復雜環(huán)境適應性，滿足未來對抗條件下的軍用PNT需求。民用方面將擺脫對GPS的依賴，形成新的非對稱信息優(yōu)勢，有效牽引量子信息科學等基礎研究。我國必須深入探索PNT融合服務模式，推進關鍵核心技術突破和北斗系統(tǒng)建設應用，統(tǒng)籌構建國家綜合PNT體系，以期早日形成自主時空戰(zhàn)略能力。

近年來，美國G P S、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo以及中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的重要性不斷凸現(xiàn)，日益廣泛地為軍事、通信、海洋、交通、國土資源及大眾消費市場提供高精度位置、定位和授時服務，特別是在軍事應用領域，GPS系統(tǒng)已為美國的各類武器裝備系統(tǒng)、高精度制導導彈提供精準導航位置信息服務。然而，對于依賴全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為單一定位、導航與授時（PNT）信息源的用戶而言，在導航衛(wèi)星因故障、打擊或電磁頻譜干擾等原因無法提供服務或所處位置難以接收衛(wèi)星信號時，將可能面臨致命的災難。近期，為面對特殊情況下GPS系統(tǒng)服務失效情形，美軍正在發(fā)展應急條件下的定位、導航授時戰(zhàn)術能力。2018年1月，美國國防部在拉斯維加斯附近舉行大規(guī)模紅旗空中作戰(zhàn)演習中，為了擺脫美國及盟國的空中武器裝備對GPS系統(tǒng)的依賴，設置了“關閉”GPS，依靠其他無線電設備、慣性導航系統(tǒng)或者雷達導航等定位方式，開展打擊任務的演習。作為我國自主時空戰(zhàn)略能力的基石，當前我國北斗系統(tǒng)正在按照“三步走”戰(zhàn)略，實施北斗三號工程，推進全球組網的關鍵階段，必須探索PNT融合服務模式，推動關鍵核心技術實現(xiàn)突破，推進北斗系統(tǒng)建設應用，統(tǒng)籌構建國家綜合PNT體系，才能真正形成自主時空戰(zhàn)略能力。

一、美軍新一代PNT體系建設的戰(zhàn)略規(guī)劃與進展

（一）規(guī)劃國家PNT體系，增強復雜環(huán)境下服務的完備性

GPS系統(tǒng)是PNT體系的基礎設施。為了解決美國高精度 PNT 服務在可用性、可靠性面臨著的潛在威脅，美國提出建設國家PNT體系，以 GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化為依托，以自主導航和各種可用導航信息源為補充，重點滿足更高精度和完好性需求，增強物理遮蔽、電磁干擾等復雜環(huán)境下安全、可靠、實時的PNT能力。在國家安全空間辦公室（NSSO）主導下，美國國防部與運輸部聯(lián)合發(fā)布《國家PNT體系執(zhí)行計劃》（2010），制定了2025年前國家PNT體系建設路線圖，并對國防部相關下屬機構及運輸部、商務部和內政部等共31個聯(lián)邦機構進行了任務分工。早在2004年，美國就成立直接向白宮負責的國家天基PNT執(zhí)行委員會（簡稱EXCOM，由國防部、交通部、安全部、商務部等共同組成），去年6月，特朗普總統(tǒng)簽署了重建國家空間委員會的行政命令，由美國航空航天局、國務卿、商務部、國防部等組成，為國家空間政策和戰(zhàn)略提供建議和協(xié)助。美國國防部系統(tǒng)在GPS的基礎上，以自主導航、通信與PNT融合等為途徑，滿足未來對抗條件下的軍用PNT需求；民用PNT管理機構在以GPS為首選方案并利用天基（WAAS）、地基增強系統(tǒng)提升服務性能的同時，部署和建立“增強型羅蘭”（e-LORAN）等GPS備份系統(tǒng)。

（二）核心組件投資力度加大，主要項目通過實驗室驗證

DARPA微系統(tǒng)技術辦公室（MTO）主導PNT核心組件技術、材料和制造工藝的研發(fā)，主要項目有微型定位導航與授時技術（Micro-PNT）、高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）等。Micro-PNT于2010年1月啟動，主要是利用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術來開發(fā)精度更高、穩(wěn)定性更好的芯片級陀螺儀和時鐘，主要合作伙伴有Qualtre和Honeywell Aerospace公司等。隨著新增經費的投入，導航級的MEMS陀螺儀已經通過了實驗室驗證。高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）于2016年啟動，旨在取得抗精度衰減方面的突破，設計和制造出新一代超低功耗、超高穩(wěn)定度的原子鐘。ACES項目總預算達到5000萬美元，計劃分三個階段實施，最終目標是將所有電子組件集成到50立方厘米的體積內，重量在100克以內，性能則是當前原子鐘的一千倍。美國空軍為了繼續(xù)推進GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化，持續(xù)推進系統(tǒng)建設，進一步降低財政預算，美軍積極引進新興民營企業(yè)參與系統(tǒng)建設，2018年3月把價值6.4億美元的合同分給了美國太空探索技術公司(SpaceX)和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(ULA)，其中SpaceX獲得了2.9億美元的固定價格合同，將在2021年前利用“獵鷹9號”將三顆GPS衛(wèi)星送入軌道，ULA獲得了3.51億美元的合同，使用“宇宙神-5”(Atlas V)火箭執(zhí)行兩次飛船發(fā)射任務。

（三）系統(tǒng)級預研項目進展順利，為裝備開發(fā)和部署奠定基礎

DARPA戰(zhàn)略技術辦公室（STO）主導PNT系統(tǒng)級預研，主要項目有自適應導航系統(tǒng)（ANS）、對抗環(huán)境下的空間時間與方向信息（STOIC）、精確魯棒慣性制導彈藥（PRIGM）等。ANS項目于2011年啟動，主要研究冷原子干涉陀螺儀技術，開發(fā)可利用雷電等外部機會信號的導航校準新算法與軟件結構，已先后完成了平臺演示驗證和端對端的演示驗證，能夠滿足室內、“城市峽谷”、叢林、水下、地下等弱衛(wèi)星信號環(huán)境及強對抗環(huán)境的PNT需求。其合作伙伴為Leidos公司、SRI公司和佐治亞理工學院等。STOIC系統(tǒng)于2015年春季開始，立足“量子輔助感知與讀取”研究成果，開發(fā)穩(wěn)健的遠程參考信號源、漂移小于1納秒/月的新型光學時鐘和實現(xiàn)不同戰(zhàn)術數據鏈之間的時鐘精確轉換，即將進入詳細設計和樣機系統(tǒng)開發(fā)階段，合作伙伴包括Argon ST公司、Leidos公司、Draper實驗室以及佛羅里達大學等。在Micro-PNT的基礎上，PRIGM項目于2016財年啟動，主要由諾斯羅普·格魯曼公司承擔，計劃投入1630萬美元，應用微機電系統(tǒng)和集成光子技術，在GPS無法提供服務的情況下，提供彈藥制導，以及在發(fā)射和飛行階段的導航功能。

（四）推進GPS全球合作，完善PNT產業(yè)生態(tài)

當前，美國政府采用全球合作的手段，完善GPS產業(yè)生態(tài)體系。在EXCOM委員會中，成立GPS服務接口委員會和國際工作組及常設工作組，持續(xù)優(yōu)化衛(wèi)星導航應用的產業(yè)發(fā)展環(huán)境，不僅為3億以上的民用和商業(yè)的全球用戶提供搜索和救援服務，也為美國軍隊機關、美國海軍氣象天文臺、美國國家地理空間情報局、美國國防信息系統(tǒng)局等國防和軍隊機構，此外主動開展兼容性，互操作性、透明度和市場準入的國際合作，目前已與57個授權聯(lián)合用戶開展了25年以上的合作，與伽利略、北斗、格洛納斯等全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)及日本、印度區(qū)域系統(tǒng)開展合作。

二、美軍新一代PNT體系的特點與主要優(yōu)勢

（一）采用開放式體系架構，將增強復雜環(huán)境適應性

美國制定了開放式PNT體系架構的“較大公分母策略”（GCDS），其核心思想是通過外部提供的、公共可用的方案，滿足眾多用戶的核心需求；鼓勵發(fā)展多機理技術，盡量采取可交互方案，以保證PNT的穩(wěn)健性和對多樣化資源的利用率；追求PNT與新興通信技術的融合；促進跨機構協(xié)同和提升信息共享水平等。在國防部長辦公室“PNT開放系統(tǒng)架構倡議”的框架下，美國陸軍通信電子研發(fā)與工程中心（CERDEC）新興技術辦公室正在與空軍理工學院（AFIT）聯(lián)合開發(fā)以“蝎子”（Scorpion）軟件為核心的“即插即用”傳感器開放式架構，以實現(xiàn)對GPS、基于陀螺儀與加速度計的IMU、視覺輔助導航設備，以及車載攝像頭等原本不同用途傳感器的集成與快速切換。作戰(zhàn)人員能夠根據實際擁有設備的不同，靈活選擇相應傳感器所提供的PNT信息，將顯著增強對復雜電磁環(huán)境的適應性。

（二）擺脫對GPS的依賴，將形成新的非對稱信息優(yōu)勢

美軍認為，除了能夠干擾或摧毀GPS星座的電磁脈沖與反衛(wèi)星武器外，針對GPS接收系統(tǒng)的低成本、低功耗干擾技術已呈全球擴散態(tài)勢，對此種關鍵信息優(yōu)勢構成嚴重挑戰(zhàn)。實驗表明，功率僅4W的GPS干擾機就能對145km外的機載GPS接收機造成干擾。研發(fā)GPS干擾對抗設備的美國Exelis公司稱，只需25美元就可網購到能夠屏蔽一輛汽車周圍GPS信號的干擾機。當前，我國北斗三號全球組網衛(wèi)星也已進入密集發(fā)射階段，在定位精度和短報文服務方面甚至呈現(xiàn)后來居上的態(tài)勢。美國在積極推動GPS保護（Protect）、強化（Toughen）和增強（Augment）計劃（即PTA計劃），確保采用立法、執(zhí)法的方式，將衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)作為國家重要信息基礎設施，用于懲罰對GPS系統(tǒng)的非法干擾的同時，匯聚多家國防部與聯(lián)邦機構、頂級大學和軍工企業(yè)的力量，尋求GPS替代方案，謀求保證在GPS衛(wèi)星出現(xiàn)故障、遭敵打擊或干擾等情況下，依舊能提供穩(wěn)健、可靠、高精度的PNT服務，將形成新的軍事信息系統(tǒng)非對稱優(yōu)勢。

（三）開辟PNT的新路徑，將有效牽引顛覆性基礎研究

PNT新路徑的開辟，有效牽引量子信息科學等基礎研究，促進微慣性導航、量子導航、脈沖星導航、自適應導航等技術不斷成熟。美國國防部2013-2017年科技發(fā)展“五年計劃”已將量子信息與控制技術列為未來重點關注的六大顛覆性基礎研究領域之一，重點投資精密導航、精確授時和安全量子網絡等在國家安全領域的應用。2016年7月，美國國家科技委科學委員會和國土與國家安全委員會聯(lián)合發(fā)布報告《推進量子信息科學發(fā)展：國家的挑戰(zhàn)與機遇》，也把探測與計量列為量子信息科學影響最大的領域之首?；诹孔犹綔y技術的冷原子傳感器在替換傳統(tǒng)陀螺儀后，隨機漂移降低到10-9～10-7度每小時，使不依賴衛(wèi)星的導航精度至少提高100倍，從而滿足深海持續(xù)航行等方面的需求。

三、對推進我國自主時空戰(zhàn)略能力構建的對策建議

（一）前瞻戰(zhàn)略頂層設計，積極探索PNT融合服務模式

自主時空PNT服務體系以北斗系統(tǒng)PNT服務為核心，融合其他GNSS、偽衛(wèi)星、量子導航、微型原子鐘以及各類低軌衛(wèi)星、水下聲納、天文定位等基于不同背景、不同原理的多元化PNT信息源，具有基準統(tǒng)一、抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健可靠、連續(xù)可用等特征。一是要在戰(zhàn)略規(guī)劃上實現(xiàn)超前布局，軍地相關部門和單位依托中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項的組織實施，開展國家綜合PNT體系構建工程的論證實施，做好以北斗為核心的國家綜合PNT體系的論證方案編制，為形成以北斗為核心的中國PNT體系提供系統(tǒng)解決的中國方案。二是要推進北斗與其他PNT系統(tǒng)信息深度融合。采用中國2000坐標基準和北斗時間標準，實現(xiàn)多源PNT系統(tǒng)觀測信息函數模型的統(tǒng)一表達，建立深度PNT信息融合的基礎。建立合理優(yōu)化的隨機模型和計算方法，實時或近實時地確定各類觀測信息在融合過程中的方差或權重，控制各觀測異常對綜合PNT參數的影響，提升可用性和連續(xù)性，增強穩(wěn)健性和可靠性。三是要推進以北斗為核心的PNT體系與各類信息系統(tǒng)數據資源的核心技術融合發(fā)展。當前以物聯(lián)網、云計算、大數據為代表的新一代信息技術快速發(fā)展，日益成為推動信息技術發(fā)展的新動能，要做好天地一體化信息網絡與中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項的規(guī)劃銜接，充分考慮導航與遙感、通信等各類信息系統(tǒng)數據應用的融合。

（二）提高創(chuàng)新發(fā)展能力，推動關鍵核心技術實現(xiàn)突破

創(chuàng)新發(fā)展能力是構建我國自主時空戰(zhàn)略能力構建的基石，必須要強化軍地間協(xié)同創(chuàng)新，聚焦關鍵核心技術突破，積極引導企事業(yè)單位深度參與，提升骨干企業(yè)的核心競爭力。一方面要圍繞推進集成電路、基礎芯片自主可控、服務終端的芯片化集成等方面，大力發(fā)展微機電傳感器的深度集成技術，實現(xiàn)無線電導航、慣性導航組件和微型原子鐘組件等微型裝置在綜合PNT服務終端的芯片化集成、零系統(tǒng)間偏差與自適應切換，加強綜合PNT產品的檢驗、檢測與認證，構建從芯片、器件、天線、模塊到終端的全自主產業(yè)鏈。另一方面，要大力提升衛(wèi)星信號、提高接收機抗干擾能力和衛(wèi)星導航系統(tǒng)等核心能力，持續(xù)維護和完善北斗系統(tǒng)，及時采用新的衛(wèi)星信號設計方法，如新型導航信號體制、星間鏈路、高精度衛(wèi)星鐘、導航信息認證等關鍵技術，進一步增強北斗系統(tǒng)星座穩(wěn)健性，為系統(tǒng)服務向全球拓展奠定堅實基礎，加速攻關自適應抗干擾天線、欺騙干擾識別與信號認證、更穩(wěn)健的接收信號捕獲與跟蹤等技術，在鐵路、電力、交通、金融、海事等國家關鍵基礎設施領域推廣應用抗干擾接收機。

（三）加快推進北斗系統(tǒng)建設應用，夯實我國PNT體系發(fā)展基礎

衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為PNT體系的基石，不僅具有顯著的軍民融合屬性，能夠為堅定實施軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略提供示范帶動引領作用，而且具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿?，提升經濟社會發(fā)展和國防軍隊現(xiàn)代化建設的水平。一是加快北斗系統(tǒng)建設，盡快形成全球服務能力。加快推進北斗系統(tǒng)三號衛(wèi)星組網，推進北斗系統(tǒng)從亞太區(qū)域向全球化覆蓋。做好北斗地基增強系統(tǒng)與各類衛(wèi)星導航定位基準站網的數據資源銜接，構建統(tǒng)一時空基準系統(tǒng)，探索高精度應用模式。二是加快構建以北斗導航應用為核心的產業(yè)生態(tài)，提升衛(wèi)星導航芯片、電子元器件、原子鐘的技術水平，突破導航與遙感、通信、互聯(lián)網、云計算、大數據等領域的融合應用，加快形成政產學研用的軍民協(xié)同創(chuàng)新體系，研發(fā)各類GIS移動數據采集產品、精度測量產品及北斗行業(yè)應用產品及器件。三是優(yōu)化產業(yè)發(fā)展環(huán)境，加快衛(wèi)星導航條例的制定，規(guī)范我國衛(wèi)星導航領域相關活動，確立北斗系統(tǒng)作為國家空間信息基礎設施的法律地位，推動北斗應用及產業(yè)發(fā)展，保護北斗系統(tǒng)提供可靠服務，提高北斗系統(tǒng)法制化管理水平。