張風(fēng)國(guó),歐明,劉鈍,甄衛(wèi)民

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

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未來潛在PNT技術(shù)綜述

張風(fēng)國(guó),歐明,劉鈍,甄衛(wèi)民

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

摘要：定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)技術(shù)已經(jīng)融入眾多領(lǐng)域,涉及軍用、民用、商用、科研等各個(gè)方面。任何一種導(dǎo)航技術(shù)都不是“萬能”的,無法滿足所有的應(yīng)用需求，為此,各國(guó)對(duì)PNT技術(shù)非常重視,不斷加大投入,各種新導(dǎo)航技術(shù)也是層出不窮,它們正處于概念狀態(tài)或深入研究進(jìn)程中。本文簡(jiǎn)要概括了包括X射線脈沖星導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、藍(lán)綠激光導(dǎo)航、全源導(dǎo)航、微型PNT技術(shù)、微納衛(wèi)星技術(shù)、量子導(dǎo)航等在內(nèi)多種具有研究和應(yīng)用價(jià)值的導(dǎo)航技術(shù),分析了不同導(dǎo)航方式的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,以此進(jìn)行合理選擇實(shí)現(xiàn)的組合導(dǎo)航,可滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的可用性、自主性、隱蔽性、抗干擾性的導(dǎo)航需求,為我國(guó)未來的PNT技術(shù)發(fā)展和PNT體系規(guī)劃建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；定位；授時(shí)；體系結(jié)構(gòu)；PNT

0引言

近幾十年來,衛(wèi)星導(dǎo)航不斷發(fā)展,應(yīng)用廣泛,也因此形成了對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的強(qiáng)烈依賴性，而衛(wèi)星導(dǎo)航本身存在一些固有的缺點(diǎn),如:衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)弱,易受干擾,英國(guó)燈塔局的實(shí)驗(yàn)表明,1.5 W的干擾機(jī)可以干擾30 km范圍內(nèi)的接收機(jī);衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)無法穿透建筑物或水體,在室內(nèi)、峽谷、水下、地下等環(huán)境中均無法使用。慣導(dǎo)的致命缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間積累,高精度的慣導(dǎo)器件往往體積較大,價(jià)格昂貴，即使采用GNSS+INS的組合導(dǎo)航模式,仍無法滿足電磁干擾、物理遮蔽等復(fù)雜情況下的導(dǎo)航定位授時(shí)需求。為此,需要從國(guó)家層面的高度,統(tǒng)籌規(guī)劃國(guó)家PNT體系,以指導(dǎo)未來各種PNT技術(shù)的發(fā)展,構(gòu)建科學(xué)合理的PNT體系,滿足軍民商等方面的PNT服務(wù)需求。本文廣泛調(diào)研了多種具有發(fā)展?jié)摿Φ膶?dǎo)航新技術(shù),它們各具優(yōu)勢(shì),通過不斷發(fā)展、不同組合或融合可為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供滿足需求的導(dǎo)航定位授時(shí)方案。

1PNT新技術(shù)研究

本文梳理了X射線脈沖星導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、Locata技術(shù)、全源導(dǎo)航、芯片原子鐘、量子導(dǎo)航等在的內(nèi)多種正在研究或?qū)砜捎玫男滦蛯?dǎo)航技術(shù),對(duì)民用和軍用導(dǎo)航領(lǐng)域均有重大意義。

1.1X射線脈沖星導(dǎo)航

脈沖星是一種快速自轉(zhuǎn)并具有超高密度、超高溫度、超強(qiáng)輻射、強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星，其質(zhì)量與太陽相當(dāng),但半徑僅10 km左右,核心密度達(dá)到1×1012kg/cm3.可在無線電、可見光、紅外線、紫外線、X射線等頻段內(nèi)觀測(cè)到脈沖星輻射的燈塔式掃射現(xiàn)象。脈沖星自轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定,自轉(zhuǎn)周期范圍一般為1.6 ms～11s,周期變化率(p/p)的典型值為10-15,某些毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期變化率可達(dá)10-19至10-21,被譽(yù)為“自然界最精確的頻率基準(zhǔn)”[1]。

X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng),不需要地面控制設(shè)備,不受人工或自然形成的電磁場(chǎng)的干擾,用戶接收機(jī)被動(dòng)接收信號(hào),隱蔽性好,定向、定位精度高,定位誤差與時(shí)間無關(guān)。它不但可以為中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的近地軌道飛行提供精確的位置、速度、姿態(tài)和時(shí)間等豐富的導(dǎo)航信息,也可以為地球軌道航天器及深空探測(cè)器提供精確的導(dǎo)航信息和時(shí)空基準(zhǔn)。此外,X射線脈沖星導(dǎo)航定位系統(tǒng)可對(duì)現(xiàn)有的GNSS等系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充和備份，可避免敵方的干擾和摧毀,具有進(jìn)行二次打擊的戰(zhàn)略意義[2]。

聯(lián)系人： 張風(fēng)國(guó) E-mail:zhfg1985@163.com

目前觀測(cè)到的脈沖星大約有2 000多顆,其中適宜于空間導(dǎo)航定位的X射線脈沖星約有十幾顆。DARPA的最終目標(biāo)是建立一個(gè)能夠提供定軌精度為10 m(3σ)、定時(shí)精度為1 ns(1σ)、姿態(tài)測(cè)量精度為3弧秒(arcsec,1σ)的脈沖星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò),以滿足未來航天任務(wù)從近地軌道、深空至星際空間飛行的全程高精度自主導(dǎo)航和運(yùn)行管理需求。

X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究處于發(fā)展階段,國(guó)外研究工作正在全面進(jìn)行中,國(guó)內(nèi)也取得了顯著成績(jī),在脈沖星觀測(cè)、脈沖星輻射機(jī)制、脈沖星TOA測(cè)量理論模型和算法等方面已取得了許多研究成果,其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)也正在研究當(dāng)中，此外,我國(guó)正在建設(shè)的500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)預(yù)計(jì)在2016年投入使用,將大大提高我國(guó)巡天觀測(cè)脈沖星的能力。

1.2地磁導(dǎo)航

由于地磁場(chǎng)為矢量場(chǎng)在地球近地空間內(nèi)任意一點(diǎn)的地磁矢量都不同于其他地點(diǎn)的矢量,且與該地點(diǎn)的經(jīng)緯度存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此,理論上只要確定該點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量即可實(shí)現(xiàn)全球定位。地磁場(chǎng)可以為航空、航天、航海提供天然的坐標(biāo)系，地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天時(shí)、全天候、全地域、能耗低、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)良特征,可為潛艇、艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈等提供位置和方位等信息。

地磁導(dǎo)航可分為地磁濾波導(dǎo)航和地磁匹配導(dǎo)航，目前研究較多的是地磁匹配導(dǎo)航,其原理是通過地磁傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)地磁數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配來定位，地磁匹配導(dǎo)航的過程就是一個(gè)用地磁場(chǎng)信息進(jìn)行導(dǎo)航的過程。

地磁匹配導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)包括導(dǎo)航區(qū)域高精度地磁數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、載體磁力儀的精確實(shí)時(shí)測(cè)量和快速有效可靠地磁匹配算法。目前,常用的地球磁場(chǎng)模型主要有WMM2010模型和IGRF11模型[6],兩者均為每五年更新一次,都描述了主磁場(chǎng)部分,沒有描述地殼磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng),為此,需要建立高精度的地磁模型[3-4];如圖1所示。載體/平臺(tái)本身可能會(huì)對(duì)磁力儀的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,需要采取相應(yīng)的抵消措施;地磁匹配算法屬于數(shù)字地圖匹配技術(shù)是地磁導(dǎo)航的核心技術(shù),可以借鑒地形、圖像匹配導(dǎo)航算法[5]。

圖1　地磁匹配原理圖

2003年,美國(guó)開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于30 m、水下定位精度優(yōu)于500 m的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)并計(jì)劃用于提高飛航導(dǎo)彈和巡航魚雷的命中率；俄羅斯在此方面的研究也頗為深入,已經(jīng)將地磁等高線制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于SS-19導(dǎo)彈中;芬蘭Oulu大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的移動(dòng)地圖應(yīng)用InDooRatlas,可通過識(shí)別不同地點(diǎn)的地磁,幫助用戶進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航,可在沒有無線信號(hào)的區(qū)域使用。

1.3重力場(chǎng)導(dǎo)航

地球本身的重力梯度具有從一個(gè)地方到另一個(gè)地方連續(xù)變化的特點(diǎn),且地球重力梯度場(chǎng)有三維的形態(tài)，如圖2所示。因此,地球重力梯度場(chǎng)為導(dǎo)航系統(tǒng)擺脫對(duì)外部信號(hào)的依賴提供了可能，基于重力梯度導(dǎo)航技術(shù)是一種無源、完全自主的導(dǎo)航方式,工作安全、隱蔽[7-8]?；谥亓μ荻鹊膶?dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航精度相當(dāng)高:一方面,重力梯度或重力高次導(dǎo)數(shù)反映場(chǎng)源體的細(xì)節(jié),具有比重力本身更高的分辨率,且同一地理位置有多個(gè)方向的梯度分量可供綜合利用,有力地保證了導(dǎo)航的精確度和可靠性；另一方面,導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間積累。

圖2　全球重力分布

高分辨率的重力梯度基準(zhǔn)圖庫(kù)、高精度的重力梯度測(cè)量工具,以及高效的重力梯度圖形匹配技術(shù)/算法是水下重力梯度導(dǎo)航系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)。利用海洋自身環(huán)境的重力輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航外部標(biāo)校的弱點(diǎn)和缺陷,有效地改善潛艇水下導(dǎo)航定位精度,保證潛艇水下長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離的隱蔽航行。

據(jù)報(bào)道,貝爾宇航公司研制的重力儀/重力梯度儀慣導(dǎo)系統(tǒng)可滿足戰(zhàn)略核潛艇、攻擊型核潛艇和水下無人運(yùn)載體的要求,其中重力梯度儀(GGI)是關(guān)鍵元件,整個(gè)系統(tǒng)可裝在直徑為21英寸的潛水器中,1小時(shí)的CEP位置精度可達(dá)30 m,8小時(shí)的CEP位置精度為62 m.此外,為滿足核潛艇長(zhǎng)期隱蔽航行的要求,美國(guó)研制的新一代潛艇導(dǎo)航系統(tǒng)——重力導(dǎo)航輔助的組合導(dǎo)航系統(tǒng),包括慣性導(dǎo)航儀模塊、重力敏感器模塊、精密導(dǎo)航儀模塊、地形測(cè)量等。

1.4偏振光輔助導(dǎo)航

偏振光導(dǎo)航是利用傳播介質(zhì)對(duì)太陽光散射作用所形成的天空光是部分偏振的,該偏振信息包含了太陽、地球及用戶的位置信息,可用于導(dǎo)航[9,10]。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同,偏振光導(dǎo)航可分為大氣偏振光導(dǎo)航和水下偏振光導(dǎo)航。大氣偏振光導(dǎo)航是一種基于天空光的偏振特性,通過在兩個(gè)或多個(gè)方向上測(cè)量天空光的偏振方向,利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的艦船姿態(tài)和航向信息實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)單天體天文定位系統(tǒng)；水下偏振光導(dǎo)航可通過測(cè)量海洋散射光的光振動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航,該種導(dǎo)航方式的使用限制是要選取合理的工作深度和工作時(shí)間[11]。

偏振光導(dǎo)航系統(tǒng)不需要地球物理場(chǎng)數(shù)據(jù)的支持,同時(shí)具有天文導(dǎo)航可靠性好的優(yōu)點(diǎn),在輔助慣性導(dǎo)航方面將具有廣泛應(yīng)用前景,而定位準(zhǔn)確度則是影響偏振光天文導(dǎo)航方式發(fā)展的關(guān)鍵。偏振光導(dǎo)航只能描述移動(dòng)平臺(tái)在二維平面上的運(yùn)動(dòng),沒有對(duì)高度的感知能力,通常需要依賴于其他的導(dǎo)航方法實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航。

決定偏振光導(dǎo)航準(zhǔn)確度的因素主要有傳感器的靈敏度和探測(cè)方向天空光的偏振敏感性，當(dāng)偏振光探測(cè)傳感器準(zhǔn)確度達(dá)到角分級(jí)時(shí),艦船定位誤差理論上優(yōu)于1海里,可應(yīng)用于輔助艦船慣性導(dǎo)航。

1.5ELORAN導(dǎo)航

在2008年發(fā)布的新的聯(lián)邦無線電導(dǎo)航規(guī)劃中,美國(guó)對(duì)羅蘭C的政策聲明是:保持羅蘭C系統(tǒng)的短期運(yùn)行并將羅蘭C經(jīng)過改造轉(zhuǎn)變成現(xiàn)代化的羅蘭C系統(tǒng),即ELORAN[12],為此在規(guī)劃中單獨(dú)設(shè)立專題進(jìn)行闡述。由于資金等問題,美國(guó)于2010年宣布停止使用LORAN C系統(tǒng),但彈性導(dǎo)航與定時(shí)(RNT)基金會(huì)在美國(guó)已經(jīng)啟動(dòng),以爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)對(duì)美國(guó)原先的羅蘭-C系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的重新利用。韓國(guó)為了抵制朝鮮對(duì)其實(shí)施的GPS干擾,決定發(fā)展eLORAN系統(tǒng),在韓國(guó)境內(nèi)部署5個(gè)羅蘭發(fā)射站和43個(gè)差分站,2016年具備初始運(yùn)行能力,2018年具備全面運(yùn)行能力[14]。英國(guó)和愛爾蘭的燈塔總局(GLAs)也在積極研究布設(shè)eLORAN系統(tǒng)。

ELORAN作為陸基系統(tǒng)它采用獨(dú)立的體制,可作為GPS的備份系統(tǒng)在GPS失效時(shí)將為用戶保持PNT服務(wù)，它比傳統(tǒng)羅蘭C擁有更高的精度、可靠性和連續(xù)性同時(shí)保持了現(xiàn)有的羅蘭C的所有功能可以為通信系統(tǒng)用戶和其他重要的基礎(chǔ)部門提供高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)參考，這些對(duì)傳統(tǒng)羅蘭C的提高是通過對(duì)臺(tái)站設(shè)備的升級(jí)、在空間傳播信號(hào)中加入數(shù)據(jù)信道以及在接收機(jī)端的多臺(tái)鏈數(shù)字信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)的。它可以滿足飛行領(lǐng)域非精密進(jìn)近和在航海領(lǐng)域港口進(jìn)近的要求[13]。

相關(guān)文獻(xiàn)給出的一些評(píng)估試驗(yàn)表明,ELORAN在信號(hào)精度、信號(hào)有效性、信號(hào)可靠性和工作連續(xù)性上都達(dá)到了在美國(guó)作為GPS備份系統(tǒng)的要求。目前美國(guó)的LORAN系統(tǒng)可作為主要或備份的時(shí)間頻率源用于精確授時(shí),提供授時(shí)精度為100 ns(和UTC(USNO)比較)、穩(wěn)定度為10~11數(shù)量級(jí)的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。

1.6Locata技術(shù)

Locata技術(shù)是一種新地基無線電測(cè)距技術(shù),在相對(duì)開放的室外環(huán)境(如露天礦場(chǎng)、建筑場(chǎng)所、港口等)中,實(shí)物如圖3所示,LocataNet可提供實(shí)時(shí)的厘米級(jí)的單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位而不用差分基站，在物理障礙環(huán)境(如深山峽谷、茂密森林、室內(nèi)和市區(qū)等)中可提供連續(xù)信號(hào)覆蓋,高精度定位能力。

圖3　LocataLite實(shí)物

LocataLite并不是傳統(tǒng)意義上的偽衛(wèi)星,它工作在ISM頻段(2.4~2.4835 GHz),采用類似于GPS的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，多個(gè)Locata地基收發(fā)器LocataLite組成LocataNet,能發(fā)射很強(qiáng)的時(shí)間同步測(cè)距信號(hào)覆蓋某個(gè)區(qū)域,可實(shí)現(xiàn)不依賴GPS和INS的高精度定位結(jié)果,不但可以單獨(dú)使用,也可與GNSS和INS組合使用[15]。通常發(fā)射功率小于1 W,信號(hào)強(qiáng)度的典型值一般為-60～-105 dBm.Locata創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)采用Time-Loc的專利技術(shù)進(jìn)行時(shí)間同步,而不使用原子鐘。據(jù)稱當(dāng)前的Locata網(wǎng)絡(luò)時(shí)間精度為2 ns. 圖4示出了美國(guó)白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)的Locata試驗(yàn)網(wǎng)布設(shè)。飛行測(cè)試結(jié)果表明,Locata技術(shù)的水平定位精度約為6 cm,垂直精度約為15 cm[24]，美國(guó)于2014年發(fā)布了《Locata信號(hào)接口控制文檔》,詳細(xì)介紹了信號(hào)結(jié)構(gòu)以及與GPS的異同[16]。

圖4　美國(guó)白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)的Locata試驗(yàn)網(wǎng)布設(shè)

1.7芯片原子鐘

芯片原子鐘(CASC)也可稱為微型原子鐘,具有體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定度高等特點(diǎn)，如圖5所示，微型原子鐘在通信、交通、電力、金融、軍事國(guó)防、航空、航天以及基準(zhǔn)物理量的測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用需求。微型原子鐘可以改善大量裝置的特性,其廣泛應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的甚至革命性的影響,將會(huì)帶來良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖5　芯片原子鐘SA.45s

芯片原子鐘的發(fā)展為高安全超高頻通信和抗干擾GPS接收器提供了超微型、超低功耗的時(shí)間和頻率基準(zhǔn),大大提高超高頻通信和導(dǎo)航相關(guān)系統(tǒng)和平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。CSAC可以促進(jìn)小型慣導(dǎo)系統(tǒng)在船舶、飛機(jī)、潛艇等運(yùn)輸器上的應(yīng)用。微型原子鐘可大大縮短軍用GNSS設(shè)備解碼時(shí)間，精確計(jì)時(shí)可以幫助作戰(zhàn)部隊(duì)快速重捕導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，微型原子鐘同樣適用于手持低功耗通訊設(shè)備和個(gè)人導(dǎo)航儀。

目前,Symmetricom開發(fā)的一款微型原子鐘SA.45 s,體積小于17 cm3,功耗小于120 mW,秒穩(wěn)優(yōu)于1.5×10-10,月穩(wěn)優(yōu)于3×10-10.DARPA的研究人員將設(shè)計(jì)開發(fā)體積僅有1cm3,功耗小于30 mW的原子鐘[17]。

微型原子鐘和其它先進(jìn)的計(jì)時(shí)技術(shù)還可以集成到GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上,從而研制“納米GPS衛(wèi)星”,極大提高導(dǎo)航衛(wèi)星星座的生存能力。

1.8微型PNT技術(shù)

微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)結(jié)合了機(jī)械可動(dòng)結(jié)構(gòu)和大規(guī)模、低成本微電子加工的優(yōu)點(diǎn), 在微小尺度上實(shí)現(xiàn)了與外界電、熱、光、聲、磁、流信號(hào)的相互作用。MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短;機(jī)械電器性能優(yōu)良;批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本;集成化程度高[18-19]。MEMS技術(shù)在航空、航天、軍事、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控等人們所接觸到的幾乎所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域,可應(yīng)用于單兵攜帶、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、武器安全、彈道修正、超低功率無線通訊信號(hào)處理、高密度低功耗的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件、敵我識(shí)別系統(tǒng)等方面。

DARPA在2010年啟動(dòng)微PNT系統(tǒng)研究項(xiàng)目,利用現(xiàn)有的MEMS技術(shù)研究微型化的PNT設(shè)備。DAPAR把MEMS技術(shù)確認(rèn)為美國(guó)急需發(fā)展的新興技術(shù)并資助了大量微PNT系統(tǒng)研究工作,目的在于開發(fā)高穩(wěn)定度和高精度的芯片陀螺、芯片原子鐘以及完整集成的定時(shí)和慣性測(cè)量單元。DARPA已開發(fā)了一種可集成在一個(gè)芯片上的微PNT的原型設(shè)備,該設(shè)備包括三個(gè)陀螺儀、三個(gè)加速度計(jì)和一個(gè)高精度時(shí)鐘，與現(xiàn)有的傳感器相比,尺寸小、重量低、性能優(yōu)良。

1.9微納衛(wèi)星導(dǎo)航

微納衛(wèi)星通常指質(zhì)量小于100 kg, 具有實(shí)際使用功能的衛(wèi)星。它是基于微電子技術(shù)、MEMS 技術(shù)、微光電技術(shù)等技術(shù)發(fā)展起來的,體現(xiàn)了航天器微小化的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量,10～100 kg的衛(wèi)星稱為微型衛(wèi)星,1～10 kg的衛(wèi)星稱為納米衛(wèi)星,0.1～1 kg的稱為皮衛(wèi)星,0.1 kg以下的稱為飛衛(wèi)星。一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆這樣的微納衛(wèi)星。

微納衛(wèi)星具有功能密度與技術(shù)性能高、投資與運(yùn)營(yíng)成本低、靈活性和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、系統(tǒng)建設(shè)周期短(可以采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn))、風(fēng)險(xiǎn)小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),引起各國(guó)軍方高度重視。星上處理技術(shù),微型計(jì)算機(jī)及軟件,微機(jī)械構(gòu)件與組件,可變形可壓縮天線及展開機(jī)構(gòu)等技術(shù)是未來微納衛(wèi)星的發(fā)展方向。

在戰(zhàn)時(shí),如果現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星遭到破壞,可一次發(fā)射多顆衛(wèi)星進(jìn)行組網(wǎng),為戰(zhàn)場(chǎng)提供臨時(shí)的PNT服務(wù)信息,降低了導(dǎo)航衛(wèi)星被敵方摧毀所帶來的風(fēng)險(xiǎn),減輕了陸基導(dǎo)航備份系統(tǒng)的壓力，一次發(fā)射幾十甚至上百顆微納導(dǎo)航衛(wèi)星,可以極大提高生存能力,使得敵方很難摧毀,即使少數(shù)衛(wèi)星被摧毀或發(fā)射故障,其它衛(wèi)星仍可正常提供PNT信息服務(wù)。

1.10隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航

GPS是通過跟蹤衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航,用人造隨機(jī)信號(hào)(SoOP)導(dǎo)航原理相同,不同點(diǎn)在于SoOP導(dǎo)航所跟蹤的信號(hào)不是那些以導(dǎo)航為目的所發(fā)射的信號(hào),而是為其他特定目的發(fā)射的信號(hào),如調(diào)幅和調(diào)頻無線電、衛(wèi)星無線電、電視、手機(jī)發(fā)射網(wǎng)、無線電腦網(wǎng),以及其他多種衛(wèi)星信號(hào)[23]。

SoOP導(dǎo)航相對(duì)GPS導(dǎo)航有若干優(yōu)勢(shì)。SoOP大量存在,種類多,可以保證導(dǎo)航用戶定位需要;SoOP的接收信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)常遠(yuǎn)大于于GPS信號(hào);采用SoOP導(dǎo)航的用戶不必考慮設(shè)備部署或運(yùn)行費(fèi)用，但不同信號(hào)之間存在同步問題,用戶接收機(jī)無法預(yù)知所接收信號(hào)的結(jié)構(gòu),且多路徑或反射信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致SoOP導(dǎo)航發(fā)生錯(cuò)誤。

為了減輕或解決定時(shí)問題,在典型的SoOP導(dǎo)航模式中,通常包括一個(gè)坐標(biāo)位置已知的基地臺(tái),允許用戶裝置提取SoOP中的某些特征，用于數(shù)字音頻/視頻廣播和許多無線網(wǎng)絡(luò)裝置的正交頻率分配多路傳輸,是一種最具潛力的SoOP信號(hào)結(jié)構(gòu)，這些信號(hào)可能含有冗余信息,用戶獲得導(dǎo)航數(shù)據(jù)可不必使用基地臺(tái)。

1.11全源導(dǎo)航

全源導(dǎo)航(ASPN)系統(tǒng)以慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ),可使用GPS、機(jī)會(huì)信號(hào)、影像、光線測(cè)定和測(cè)距、磁場(chǎng)、重力、時(shí)鐘、磁羅盤、氣壓計(jì)以及雷達(dá)等各種傳感器信息,以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能[24]，如圖6所示。全源導(dǎo)航算法運(yùn)用所有可用信息,能根據(jù)承載平臺(tái)的動(dòng)態(tài)變化而計(jì)算出精確的結(jié)果，當(dāng)某些傳感器不可用時(shí),導(dǎo)航系統(tǒng)仍能正常定位。用戶不僅可以在開闊地區(qū)進(jìn)行導(dǎo)航定位,還可以在水下、地下、叢林、峽谷、室內(nèi)等遮擋或封閉環(huán)境中定位,滿足GPS受阻環(huán)境下的精確導(dǎo)航需要。

圖6　全源導(dǎo)航系統(tǒng)示意

為研發(fā)“即插即用”式導(dǎo)航系統(tǒng),需要開展大量的科研工作,研究出一套基本整合算法和整合搭配結(jié)構(gòu)(包括所有硬軟件),能連接并結(jié)合來自多個(gè)物理傳感器的輸入數(shù)據(jù)。全源導(dǎo)航的發(fā)展目標(biāo)是對(duì)不同的環(huán)境最優(yōu)化配置不同的傳感器并能自由切換,具備“即插即用”式導(dǎo)航系統(tǒng)的特征,在體積、重量、功率等方面降到可接受的范圍,算法盡量簡(jiǎn)化。

對(duì)軍事用戶而言,“全源導(dǎo)航”技術(shù)將解決強(qiáng)對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的精確定位、導(dǎo)航與授時(shí)問題,提供更加穩(wěn)健的定位、導(dǎo)航與授時(shí)能力,能夠在未來強(qiáng)對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下?lián)碛懈呔榷ㄎ弧?dǎo)航與授時(shí)能力的重要優(yōu)勢(shì)。

1.12藍(lán)綠激光通信導(dǎo)航

目前,對(duì)潛通信的主要手段有甚低頻(VLF)通信和超低頻通信(ELF)。甚低頻的平均海水穿透力約為10～15 m,數(shù)據(jù)率約為75 bit/s,潛艇需上浮至危險(xiǎn)深度或潛望深度以4節(jié)左右的航速航行,且要保持一定的航向才能有效接收信號(hào),因而失去了隱蔽性；超低頻電波穿透海水的深度可達(dá)80～120 m,兼顧不間斷通信和隱蔽性的要求,但超低頻通信數(shù)據(jù)率低,通常不到1 bit/s,只能發(fā)送極重要而又簡(jiǎn)單的信息作為振鈴之用。

波長(zhǎng)為450～530 nm的藍(lán)綠激光在海水中的衰減最小,最大穿透深度可大于600 m.潛艇完全不用上浮至危險(xiǎn)深度或浮出水面,且可以在工作深度或更深的海水中用自身殼體上的光學(xué)天線接收?qǐng)?bào)文,不影響潛艇的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性[20-21]。

激光對(duì)潛通信導(dǎo)航按激光器載體可分為星載激光通信系統(tǒng)和機(jī)載激光通信系統(tǒng)星載系統(tǒng)可覆蓋全球范圍,比較適合對(duì)戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的通信,機(jī)載系統(tǒng)則對(duì)戰(zhàn)術(shù)潛艇更為有效現(xiàn)在正在解決的問題是其自動(dòng)瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤(APT)技術(shù)。藍(lán)綠激光對(duì)潛通信的數(shù)據(jù)率高,傳輸容量大,可傳輸數(shù)據(jù)、語音和圖像信號(hào)。另外,它還具有波束寬度窄、方向性好、設(shè)備輕小、抗截獲、抗干擾、抗毀能力強(qiáng)及不受電磁和核輻射的影響等優(yōu)點(diǎn)。星載激光對(duì)潛通信系統(tǒng)同樣可用于潛艇導(dǎo)航,具有隱蔽性和抗干擾抗欺騙的優(yōu)點(diǎn),并且可以導(dǎo)航通信一體化。

1.13量子導(dǎo)航

量子定位系統(tǒng)(QPS)在定位精度以及信息安全等方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)無疑將會(huì)引起一場(chǎng)衛(wèi)星導(dǎo)航和定位領(lǐng)域的技術(shù)革命。量子力學(xué)理論所能允許的情況下,其精度的提高程度取決于在這種定位體制下每個(gè)量子脈沖中所能包含光子數(shù)目的多少。當(dāng)在每個(gè)脈沖中大量采用具有量子特性的光子時(shí),脈沖時(shí)延的測(cè)量精度會(huì)大大提高,可比GPS的定位精度高2-4個(gè)數(shù)量級(jí)?；诹孔犹匦缘男l(wèi)星定位系統(tǒng)可以通過設(shè)計(jì)量子加密協(xié)議防止敵方破解使用,這歸功于量子加密具有很高的安全性[22]，QPS技術(shù)還提供了一個(gè)檢測(cè)竊聽者的可能。

英國(guó)科學(xué)家將在未來三到五年的時(shí)間內(nèi)開始研發(fā)“量子羅盤”這項(xiàng)新導(dǎo)航技術(shù)，量子羅盤的敏感性可感知地球磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的變化,從而換算出精確的位置信息，它對(duì)核潛艇有著至關(guān)重要的作用,可以擺脫對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴,精確定位潛艇的位置,并為發(fā)射導(dǎo)彈服務(wù)。

1.14中微子導(dǎo)航

中微子是一種質(zhì)量極小、不帶電的中性基本微粒，它能以接近光速直線傳播,不參與重力、電磁力以及質(zhì)子和中子結(jié)合的強(qiáng)相互作用與其它組成物質(zhì)的基本粒子之間互相作用力很弱,在傳播過程中能量損耗甚微,可很容易地穿透海水、鋼鐵以至整個(gè)地球,不需要衛(wèi)星和中繼站,傳播距離遠(yuǎn)且方向性好,保密性強(qiáng),不受電磁波的干擾。中微子可用于潛艇通信導(dǎo)航,可徹底解決通信過程中的信號(hào)衰減和遮擋問題,也可徹底解決水下長(zhǎng)航時(shí)精確導(dǎo)航的隱蔽性問題,具有突出的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，此外,中微子還可應(yīng)用于深空定位導(dǎo)航。

與電磁波產(chǎn)生原理不同,中微子需要利用高能加速器來產(chǎn)生,當(dāng)質(zhì)子流的能量被加速到4千億電子伏時(shí),從加速器中引射出來轟擊鉛靶,從而獲得大量帶電介子和K介子,然后衰變?yōu)橹形⒆?。在接收?由于中微子不帶電,因此不能用電子器件來接收,而需要采用一種“間接”的探測(cè)技術(shù)來完成這一工作。

80年代,前蘇聯(lián)和美國(guó)進(jìn)行了中微子通信的試驗(yàn),獲得了成功。1986年,美國(guó)還與原蘇聯(lián)合作進(jìn)行了中微子穿透地球的試驗(yàn)。2012年3月,大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組宣布,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩,并測(cè)量到其振蕩幾率。目前,中國(guó)、美國(guó)、加拿大、德國(guó)、日本等正在不斷研究和改進(jìn)中微子的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)及相關(guān)理論模型等。

2結(jié)束語

上述多種導(dǎo)航方法各具優(yōu)勢(shì),可用于不同環(huán)境下的導(dǎo)航定位授時(shí)需求,可為我國(guó)的PNT體系發(fā)展方向具有參考價(jià)值。衛(wèi)星導(dǎo)航和普通慣性導(dǎo)航技術(shù)非常成熟,本文未進(jìn)行分析。綜上所述可得出如下結(jié)論:

1) X射線脈沖星導(dǎo)航具有抗干擾性、抗毀性和隱蔽性,可為航天器提供自主導(dǎo)航定位信息和精度極高的時(shí)間信息;

2) 地磁導(dǎo)航、重力導(dǎo)航和偏振光導(dǎo)航均屬于自主導(dǎo)航,不需要發(fā)射信號(hào),具備隱蔽性,可為地下、水下等環(huán)境中的用戶提供導(dǎo)航定位服務(wù)信息,誤差不隨時(shí)間積累;地磁導(dǎo)航容易受干擾,重力導(dǎo)航具備抗干擾性,兩者的導(dǎo)航原理基本相似,都需要制備高精度匹配圖、研制高靈敏度傳感器、研究快速高效的匹配算法,偏振光導(dǎo)航不需要匹配圖,通常只能實(shí)現(xiàn)二維定位;

3) ELORAN屬于遠(yuǎn)程地基低頻無線電定位系統(tǒng),具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的定位精度,具備GNSS系統(tǒng)的戰(zhàn)略備份能力;

4) Locata技術(shù)是類似于偽衛(wèi)星的局域高精度實(shí)時(shí)定位系統(tǒng),具備室內(nèi)定位能力和較強(qiáng)的抗干擾能力,設(shè)備輕便,功耗低,可為PNT用戶提供高精度的時(shí)間和位置信息;

5) 芯片原子鐘和微納衛(wèi)星都可歸納到微型PNT技術(shù)范疇內(nèi)。芯片原子鐘體積小,功耗低,具有很強(qiáng)的守時(shí)功能;微納導(dǎo)航衛(wèi)星可作為緊急情況下的GNSS系統(tǒng)備份;微型慣導(dǎo)和時(shí)鐘技術(shù)可滿足特定用戶對(duì)PNT信息的需求;

6) 全源導(dǎo)航基本包含隨機(jī)信號(hào)導(dǎo)航的信號(hào)源,其主體思想就是采用“即插即用”的方法,開發(fā)合理的算法,“利用一切可用的信號(hào)用于導(dǎo)航”；

7) 量子技術(shù)目前處于試驗(yàn)研究階段,中微子技術(shù)難度很大,尚處于起步狀態(tài),一旦獲得成功,將徹底解決信號(hào)遮擋問題。利用藍(lán)綠激光可解決水下潛艇等潛航器的通信和定位問題。

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張風(fēng)國(guó)(1985-),男,工程師,主要從事導(dǎo)航定位授時(shí)(PNT)研究和電離層閃爍效應(yīng)研究方面的工作。

歐明(1984-),男,在讀博士,主要從事電離層探測(cè)技術(shù)研究。

劉鈍(1973-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù),衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)環(huán)境影響效應(yīng)評(píng)估及應(yīng)對(duì)措施等。

甄衛(wèi)民(1963-),男,研究員,主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究。

Review of Potential Navigation Technology

ZHANG Fengguo,OU Ming,LIU Dun,ZHEN Weimin

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Abstract:PNT technologies have been used widely in many kinds of applications, including military, commerce, civil, science and so on. Many countries have placed great emphasis on PNT technologies and plenty of new methods spring up in recent years, which are instatephase or in study and development. This paper reviews various valuable and useful methods of positioning and navigation, including X-ray navigation, geomagnetic navigation, gravity navigation, blue-green laser navigation, all-source navigation, micro-PNT, micro/nano-satellites navigation, quantum positioning system (QPS),and then analyzes their principles, advantages and disadvantage. The requirements of availability, autonomy, covert and anti-interference performance in different situations could be satisfied with reasonable combination of these PNT technologies. The analysis and conclusions can provide valuable references for the development of potential navigation technologies and national PNT architecture design.

Key words:Navigation; position; timing; architecture; PNT

作者簡(jiǎn)介

收稿日期：2015-04-27

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2015)06-0027-08

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.006