美国防部报告《国防导航能力》研究PNT 技术以弥补 GPS 的不足

Original 高级评论员学术plus 2022-07-29

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2021年5月10日，美国政府问责局（Government Accountability Office, GAO）发布题为《国防导航能力：国防部正在开发定位、导航和定时技术，以作为全球定位系统 GPS 的补充》（Defense Navigation Capabilities: DOD is Developing Positioning, Navigation, and Timing Technologies to Complement GPS）的研究报告，对美国国防部研发新的PNT 技术作为 GPS 的补充情况进行了分析。

文章仅供参考，观点不代表本机构立场。

国防部研究PNT 技术以弥补 GPS 的不足

编译：学术plus高级评论员张涛

发布时间：2021年5月10日

发布来源：美国政府问责局

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研究背景

几十年来，基于卫星的 GPS 将PNT（定位、导航和计时技术）数据传输到全球军事平台和人员使用的接收器中。PNT 信息在国防部相关行动的许多方面都是必不可少的。考虑到 GPS 的普遍性，其信号或设备的故障或干扰可能会中断包括飞机、军舰、弹药、陆地车辆和地面部队的军事活动。因此，国防部开始探索 GPS 的替代方案。

国防部要求GAO对国防部正在研发的PNT替代技术进行评估，本报告分析和讨论了：
（1）国防部计划如何满足未来PNT的需求以及替代PNT技术的功能和局限性；（2）替代PNT技术如何与彼此以及当前的PNT功能集成；

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GPS 提供的PNT 信息的威胁

准确的PNT 信息对美国军事和民用用户来说非常重要，对有效的军事行动、关键防御和民用基础设施来说都是非常必要的。GPS 是美国和其他国家作战人员基于卫星的PNT信息的主要来源，由美国太空军以国防部的名义运营。

美军使用的 GPS 系统

正常情况下， GPS可以为军事和民用用户提供相关的重要能力，但同样也会受到其他对手的干扰。意识到美国依赖GPS 系统，潜在的对手开始研发和使用干扰器、欺骗器来影响美国军方使用GPS系统。

GPS卫星的低功率信号容易受到地面无线频率干扰系统的干扰。

GPS卫星也可能会受到物理攻击的影响，比如对手的地面反卫星武器系统。
GPS的拒绝或破坏在作战中会对军事人员带来巨大的挑战，使得其难以精准地对敌军开火，或了解友军或敌方部队的准确位置。
此外，在城市密集区域等环境下，军事人员可能收不到 GPS信号。

2020年12月，乌克兰军方称俄罗斯成功阻塞了 GPS 和蜂窝通信，并对乌克兰东部地区的通信设备发起了电磁攻击。除了通过电磁阻塞攻击拒绝 GPS 外，外军还可以通过欺骗攻击用错误的PNT 数据来欺骗使用 GPS 的国防部用户。

潜在攻击者通过欺骗攻击攻击使用 GPS 的美国海军和攻击的潜在后果下图所示：

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国防部计划继续使用 GPS 同时研究可替代的PNT 技术

3.1 国防部计划仍将 GPS 作为PNT 架构的核心

国防部已制定了仍将 GPS 作为提供PNT 信息的核心的战略。在2020年发布的PNT Science and Technology Roadmap (PNT Roadmap)路线图中，国防部称 GPS 仍将继续成为PNT 信息的主要来源，但没有任何一个PNT 系统能够支持所有的PNT 需求。需要多种不同的解决方案来为国防部平台提供PNT 信息。总的来说，国防部的方法是开发一些可选的PNT 方案作为 GPS 的补充。当 GPS 服务可用时，可以用这些方法来检查每个信息源的准确性。

国防部备选的PNT 方法主要有两种技术路线：

相对PNT 技术：相对PNT 技术使用自带的传感器在没有外部信号源的情况下来追踪平台的位置和校时。
绝对PNT 技术：绝对PNT 技术使用 GPS 外的其他外部源来确定平台的位置。

3.2 相对PNT 技术

（1）惯性传感器

惯性传感器通过追踪与已知位置的相对位移来确定位置。惯性传感器的定位准确率随着时间的增加会降低，因为系统在测量位置时会不断引入小的误差，随着时间的增加，小的误差不断增加，系统的整体准确率会不断降低。许多复杂的惯性传感器准确率很高，但是成本会非常高，这限制了其使用。惯性传感器可以与 GPS 这类绝对位置系统配合使用进行位置校准。

（2）时钟clocks

时钟可以提供相对时间作为惯性传感器提供的位置信息的补充。时钟的工作原理是建立一个非常稳定的振荡系统，就像钟摆一样，精确地计算时间的流逝。现代的高精度计时技术依赖于测量原子的振荡。与惯性传感器系统类似，时钟的准确率也会随着时间的增加降低。

3.3绝对PNT 技术

当前有许多实用外部源的方法也可以提供绝对PNT 信息，但是没有一种方法的性能可以与 GPS 相匹配。

非 GPS 的绝对PNT 信息源是国防部备用PNT 研究的主要部分。时钟和惯性传感器这样的相对PNT 信息只能在有限的时间内提供准确的PNT 信息。随着时间的推移，来自传感器的复合型错误就变得不准确了，传感器需要重置来校准位置。GPS 可以提供精度小于10米的重置能力。在 GPS 受限的环境中，比如没有 GPS 信号或 GPS 信号差，就需要其他源来提供绝对PNT 信息。

（1）环境映射

其中一种提供绝对位置信息的方法是使用传感器识别平台周围环境中的不同特征，并将这些信息与已知地图进行比较。这种方法可以以不同的方式应用。

例如，国防部正在寻求使用天文导航、磁导航和地面图像分析的地图和导航策略。

自动天文定位技术

国防部当前正在研究的一项环境测绘技术就是自动天文定位技术。天文导航已经存在了几个世纪，但目前的研发重点是利用恒星和卫星反射的太阳来确定位置。通过对天空成像和分析多颗恒星或卫星的方位，平台就可以确定位置。

磁导航定位技术

国防部也在研究磁导航定位技术。磁导航方法利用地球磁场的明显变化作为地标来确定位置。带有磁传感器的平台可以将其读数与已知的磁场图进行比较，并确定其位置，定位精度在100米左右。但该方法面临的一个挑战是需要所有相关区域的磁图。另外，平台本身的噪声也限制了位置测量的精度。国防部目前正在研究如何通过描述给定平台上的噪声源来减轻这种影响，以提高系统的精度。

地面图像分析

当前正在研究的另一种获取绝对PNT 信息的环境映射方法是地面图像分析。该方法使用摄像机捕捉平台周围的图像，并应用算法识别本地环境（如建筑物）中的特征，并将这些特征与卫星图像的参考数据库进行比较。

（2）射频定位

另一种获取绝对PNT 信息的方法是使用射频信号。国防部当前正在研究可以用来确定位置的非 GPS 的射频信号。这些信号可以通过专用网络来传输PNT 信号，也可以利用现有信号的优势来提取PNT 信息，包括商业卫星和电视塔。PNT 技术专家称，使用不同种类的射频信号可以减少系统被欺骗或被阻塞的可能性，因为相比之下阻塞多个频率更加困难，此外这些源的信号可能比 GPS 还强。

目前，美国国防部正在研发的一项地面射频技术使用了现有发射机网络在极低频范围内运行。该系统使用了一个由10个甚低频发射器组成的网络，发射器的信号可以从电离层反射到很远的距离，如下图所示：

3.4 国防部通过PNT 科技计划支持PNT 开发

为帮助理解新PNT 技术的能力和不足，提供更具性价比和及时性的军事平台融合路径，国防部PNT 科技社区成立了3个项目：开放架构、非 GPS 时间传播、建模和模拟。

根据PNT 路线图，这些项目将分别由各军种主导。国防部计划利用这些项目来帮助管理和利用这些PNT 技术的研发。

国防部官员和专家分析称，目前没有备选的PNT 技术可以替代 GPS 。当前没有任何一项单项PNT 技术能够满足所有的PNT 需求。PNT 技术路线图中给出的目标是，在任何威胁环境下，平台都能够拥有独立的PNT 系统以不同方式来获取充足的PNT 信息来满足其任务需求，如下图所示：

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（全文完）

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