【PNT】美政府问责局发布《国防导航能力技术评估》报告
2021年5月10日，美国政府问责局（GAO）发布《国防导航能力技术评估》报告，对国防部将GPS作为其定位导航与授时（PNT）能力核心基石的策略提出质疑，并对国防部正在发展的可替代PNT技术进行评估。
报告针对三个问题进行了讨论：
第一、国防部如何满足未来PNT的需求和能力，以及可替代PNT技术的局限性；
第二、可替代PNT技术如何实现相互集成以及与目前的PNT能力集成；
第三、如何制定政策解决可替代PNT技术在发展及集成方面的各项挑战。
针对上述三个问题，GAO对技术研究成果、机构文件以及其他关键报告进行了审查，并就可替代PNT技术采访了政府官员和研究人员，以及召开了为期3天，由政府、非政府机构、学院和各行业参加的专家会议，确定了政府选择方向。这份长达51页的报告全面介绍了国防部的可替代PNT政策及其主导地位。报告指出，决策者“可以考虑选择最具弹性的技术作为应用于军事任务的PNT基石，而不是默认使用GPS。”
一、国防部如何满足未来PNT的需求和能力，以及可替代PNT技术的局限性
1.
满足未来PNT需求和能力的方案
美国防部计划仍将GPS作为其PNT能力的核心，使用其他PNT技术对GPS能力进行补充，或是作为GPS能力降级或不可用时的替代方案。主要探索研究了两种方案：一是改进传感器以提供相对PNT信息；二是应用外部PNT源提供绝对定位和导航。如图1所示。
图1 GPS拒止环境下的PNT技术
相对PNT技术包括惯性传感器和时钟，使平台在没有如GPS信号的情况仍能对其位置和时间进行跟踪。但相对PNT技术需要其他PNT技术对其因系统累积的误差进行校正。
绝对PNT技术包括天文导航、磁导航，以及使用甚低频导航或是LEO卫星，使平台通过外部信息源确定其位置，但前提是这些外部信息源必须可用。目前尚未有一种技术能达到GPS的性能标准。
国防部可以使用多种PNT技术为其各种军事平台提供足够的PNT信息。国防部正在寻求各种方法，例如建立通用标准和接口，以更低的成本更快地集成和部署新的PNT技术。国防部正在开发其PNT建模和仿真能力，以评估新PNT技术的性能。
2.
可替代PNT技术的局限性
国防部在开发和集成可替代PNT技术上面临着挑战。据国防部官员和专家表示，首先，国防部没有把可替代PNT解决方案作为优先考虑事项，比如，并没有专设中央项目办公室负责开发国防部的各种可替代PNT技术。其次，国防部在知道GPS易受干扰的情况下，仍然将GPS作为PNT能力的核心，这阻碍了具有可行性的可替代PNT技术的发展。最后，在制定明确的PNT性能需求方面面临的挑战也阻碍了技术的发展。
二、可替代PNT技术如何实现相互集成以及与目前的PNT能力集成
1.
制定PNT科技发展路线图，支持PNT发展
为了掌握PNT新技术的能力及其局限性，并为军事平台提供一条经济高效快速的集成路径，国防部PNT科学技术界在国防部负责研究和工程的副部长办公室下制定了三项发展计划：开放式体系架构、非GPS时间传播以及建模与仿真。如表1所示。
表1 国防部PNT科技发展计划
开放式体系架构旨在集成各种PNT技术，从而实现PNT的弹性能力；时间传播旨在通过其他媒介在GPS拒止或是GPS能力降级环境下向移动用户传递时间信息；建模与仿真旨在评估PNT技术，并确定具有发展前景的技术，为作战规划和投资决策提供指导。国防部准备通过这三项发展计划来管理和充分利用多种潜在PNT技术的研发工作。
2.
寻求模块化开放系统方案，集成多个PNT源
美国防部官员和专家表示，目前尚未有一种可替代PNT技术能够取代GPS，也没有一种PNT技术能够满足所有PNT的需求。根据PNT科技发展路线图，美国防部武器平台是以各种独立PNT系统组合的方式来获得满足任务需求的PNT信息，而对威胁环境不予考虑。
目前，发展和集成各种PNT解决方案时间漫长且成本昂贵，针对于某项任务的专有解决方案很难与其他解决方案相融合。比如，美军历经十多年从使用可以接收现有GPS信号的设备过渡到可以接收更强大的加密军用GPS M信号，而过渡成本可能比2021财年的25亿美元高出数十亿美元。因此，国防部官员和专家表示，必须加快新PNT能力的集成和部署以应对GPS面临的新威胁。
模块化开放系统方法（MOSA）可以减少新的PNT能力集成和部署的时间和成本。模块化是指能够轻松交换系统的硬件组件或是软件功能；开放式是指PNT接口标准，都是业界所熟知和可以使用的。
美陆军和海军已经开发出自己的PNT参考架构，对各自的PNT模块化开放体系架构进行了定义。美空军的PNT参考架构的研发工作刚刚启动。在开放式体系架构计划下，陆军计划起草国防部层面的模块化开放式体系架构PNT参考架构并征求意见，实现军种参考体系架构通用元素的标准化，确保互操作性。
PNT参考体系架构含有接口标准。陆军的PNT参考体系架构规定了接口标准，海军的PNT参考体系架构将进一步完善系统接口标准。而DARPA发起的全源定位和导航标准已经用于陆军和空军。目前，正在就开放式体系架构与军方和其他关键利益相关者沟通，并致力于标准的更新。
3.
研究多种方案，传递和评估PNT信息
国防部除了为一系列军事平台开发能够产生PNT信息的多项技术外，还开发了PNT信息传递和评估的方法。
1、PNT信息的传递
跨军事平台信息传递是向GPS拒止环境下作战的军事平台提供PNT信息的另一种方式。专家指出，针对不同的军事平台，国防部在成本、尺寸、重量和功耗方面都有截然不同的限制条件，影响了平台PNT系统的性能。例如，如弹药武器平台需要高质量PNT信息，但对成本、尺寸、重量或功耗有严格的限制。为了满足这种PNT需求，国防部正在研究各种跨平台高质量PNT信息的传递方法，如表2所示。此外，国防部科技路线图中的非GPS时间传播计划的目标是使所有通信系统都能够从一个平台向另一个平台分布时间，且这个时间可以溯源到美国海军天文台，从而最大限度地减少对专用时间传输调制解调器的需求。
表2 传递PNT信息的技术示例
2、PNT信息的评估
在执行任务期间，可以使用平台PNT系统的融合引擎来管理和分析各种PNT信息源，以此确定该平台的位置、速率和方位。目前，完成了现有PNT系统的各种信息源的融合，比如机载GPS和惯性传感器信息组合设备。
陆军正在开展将融合引擎作为PNT管理器的PNT操作系统的工作。目前，陆军正在为模块化开放式PNT架构开发模块化和开放式融合引擎。在陆军PNT参考体系架构中，PNT融合引擎还负责评估PNT信息可靠性。评估PNT信息可靠性有两种通用方法：第一种是PNT源自行评估；第二种是使用聚合或共识方法，结合多个信息源来确定是否存在异常。使用共识方法时，人工智能（AI）算法对确定PNT信息的可靠性具有一定的帮助。
国防部对PNT融合引擎的开发进行了综合考虑，包括成本、重量和功耗；各种融合引擎算法；定制MOSA规范的插件；以及测试符合MOSA标准的PNT融合引擎等。作战测试和评估政策是MOSA实施部署的一项挑战。
4.
建立PNT建模与仿真框架，评估潜在的能效，指导投资决策
国防部通过开发PNT建模与仿真框架，对PNT技术的任务能效进行评估，为可替代PNT技术的研发提供有价值的投资决策。PNT科技发展路线图中提到的建模与仿真计划是将PNT技术模型集成到仿真中。建模与仿真框架也称作多域定量决策辅助框架，由陆军组织实施研发工作，以了解不同的PNT技术如何在威胁环境中协同工作以提供PNT信息。建模与仿真框架计划有两大优势：一是评估不同PNT系统的任务效能；二是指导PNT投资决策。此外，建模与仿真还可用于“红队”演习中挑战其他PNT技术，并对其弱点进行详细评估。通过建模与仿真，可以确定在某些情况下是否需要更多的PNT源以及这些PNT源是否可用，而无需对一项技术的能力进行评估。建模与仿真有助于各种权衡方案的评估，提高理解度。
建模与仿真可以分为系统级、交战级、任务级和战役级四个层级，不同层级及其相应特征用于不同的分析目标，如图2所示。
图2 国防部建模与仿真的四个层级
系统级代表单个系统或组件，用来描述其可靠性或性能，如惯性传感器和PNT融合引擎。交战级代表几个系统或设备之间存在冲突，用来描述平台上PNT系统的作战效能，有助于权衡考虑成本、尺寸、重量和功耗。任务级代表许多系统协同工作以实现任务目标，可以用来评估如何使用不同的PNT技术来成功执行任务。战役级代表部队-部队战区与大量跨任务运行的系统发生冲突，用来评估部队结构和权衡采办，例如平台、弹药或PNT能力组合。
三、如何制定政策解决可替代PNT技术在发展及集成方面的挑战
GAO制定了六项政策制定方案，以应对发展和集成可替代PNT技术面临的各种挑战。政策方案确定了决策者可能会采取的新行动，国会、联邦机构和行业团体可能包含在内。该报告对政策制定者提出了六项建议。
（一）加强协作：考虑在国防部内部建立协调机制，以明确可优先考虑的可替代PNT技术需求的职责和权限。
加强协调可以使各军种相互利用彼此的研发活动；确定可替代PNT技术的优先次序可以提高技术的可见性，使国防部更多的项目和平台能够更好地了解可用技术。
（二）注重弹性：考虑选择最具弹性的技术作为执行军事任务的PNT基石，而不是默认使用GPS。
专注于弹性能力，使能够增强弹性能力的PNT技术获得更高的发展优先权，即便这些PNT技术不能完全替代GPS。
（三）明确需求：考虑明确任务实际需要的PNT性能水平，而不是默认符合GPS性能的要求。
更好地反映任务所需的性能要求有利于国防部在发展可行的可替代技术时做出更为明智的决策（如节省成本或是集成时间），以满足实际任务需求，没必要达到相当于GPS级的性能标准。
（四）与工业部门协调：考虑确保国防部和商业部门的协调，以便工业界为满足国防部需求做准备，国防部可以充分利用工业界的优势。
国防部向工业界明确说明其需求，使工业界更好地满足这些需求；工业界有可能拥有可应用于国防的可替代PNT技术。
（五）开放式体系架构制度化：考虑开放体系架构计划更具长久性，包括资金投入。
如果采用适当的资源，国防部的开放式体系架构计划有可能大大降低所有PNT技术的集成成本和缩短集成时间；开放式体系架构使新的可替代PNT技术部署更为容易，使国防部能够应对PNT面临的不断演变的威胁。
（六）分析漏洞：考虑让国防部对各种PNT系统的漏洞进行持续分析。
考虑到未来解决方案可能需要多种不同技术组合的PNT系统，用户可以更好地了解每个组合的漏洞；用户可以根据任务和威胁使用不同的PNT解决方案。
编译：中国电科20所 魏艳艳
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