◎中國電子信息產(chǎn)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(wù)在可用性、可靠性方面面臨的潛在威脅，美國提出建設(shè)新一代國家PNT體系，新一代PNT體系以自主導(dǎo)航、通信與PNT融合等為途徑，采用開放式體系架構(gòu)，將增強(qiáng)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)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(xué)等基礎(chǔ)研究。我國必須深入探索PNT融合服務(wù)模式，推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)突破和北斗系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用，統(tǒng)籌構(gòu)建國家綜合PNT體系，以期早日形成自主時(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)等全球?qū)Ш叫l(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(fèi)市場提供高精度位置、定位和授時(shí)服務(wù)，特別是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，GPS系統(tǒng)已為美國的各類武器裝備系統(tǒng)、高精度制導(dǎo)導(dǎo)彈提供精準(zhǔn)導(dǎo)航位置信息服務(wù)。然而，對于依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）作為單一定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）信息源的用戶而言，在導(dǎo)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(wù)或所處位置難以接收衛(wèi)星信號時(shí)，將可能面臨致命的災(zāi)難。近期，為面對特殊情況下GPS系統(tǒng)服務(wù)失效情形，美軍正在發(fā)展應(yīng)急條件下的定位、導(dǎo)航授時(shí)戰(zhàn)術(shù)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(xí)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(shè)置了“關(guān)閉”GPS，依靠其他無線電設(shè)備、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或者雷達(dá)導(dǎo)航等定位方式，開展打擊任務(wù)的演習(xí)。作為我國自主時(shí)空戰(zhàn)略能力的基石，當(dāng)前我國北斗系統(tǒng)正在按照“三步走”戰(zhàn)略，實(shí)施北斗三號工程，推進(jìn)全球組網(wǎng)的關(guān)鍵階段，必須探索PNT融合服務(wù)模式，推動(dòng)關(guān)鍵核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，推進(jìn)北斗系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用，統(tǒng)籌構(gòu)建國家綜合PNT體系，才能真正形成自主時(shí)空戰(zhàn)略能力。

一、美軍新一代PNT體系建設(shè)的戰(zhàn)略規(guī)劃與進(jìn)展

（一）規(guī)劃國家PNT體系，增強(qiáng)復(fù)雜環(huán)境下服務(wù)的完備性

GPS系統(tǒng)是PNT體系的基礎(chǔ)設(shè)施。為了解決美國高精度 PNT 服務(wù)在可用性、可靠性面臨著的潛在威脅，美國提出建設(shè)國家PNT體系，以 GPS 系統(tǒng)現(xiàn)代化為依托，以自主導(dǎo)航和各種可用導(dǎo)航信息源為補(bǔ)充，重點(diǎn)滿足更高精度和完好性需求，增強(qiáng)物理遮蔽、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下安全、可靠、實(shí)時(shí)的PNT能力。在國家安全空間辦公室（NSSO）主導(dǎo)下，美國國防部與運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布《國家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》（2010），制定了2025年前國家PNT體系建設(shè)路線圖，并對國防部相關(guān)下屬機(jī)構(gòu)及運(yùn)輸部、商務(wù)部和內(nèi)政部等共31個(gè)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)進(jìn)行了任務(wù)分工。早在2004年，美國就成立直接向白宮負(fù)責(zé)的國家天基PNT執(zhí)行委員會(huì)（簡稱EXCOM，由國防部、交通部、安全部、商務(wù)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(huì)的行政命令，由美國航空航天局、國務(wù)卿、商務(wù)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(chǔ)上，以自主導(dǎo)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(jī)構(gòu)在以GPS為首選方案并利用天基（WAAS）、地基增強(qiáng)系統(tǒng)提升服務(wù)性能的同時(shí)，部署和建立“增強(qiáng)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(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室（MTO）主導(dǎo)PNT核心組件技術(shù)、材料和制造工藝的研發(fā)，主要項(xiàng)目有微型定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)（Micro-PNT）、高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）等。Micro-PNT于2010年1月啟動(dòng)，主要是利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)來開發(fā)精度更高、穩(wěn)定性更好的芯片級陀螺儀和時(shí)鐘，主要合作伙伴有Qualtre和Honeywell Aerospace公司等。隨著新增經(jīng)費(fèi)的投入，導(dǎo)航級的MEMS陀螺儀已經(jīng)通過了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）于2016年啟動(dòng)，旨在取得抗精度衰減方面的突破，設(shè)計(jì)和制造出新一代超低功耗、超高穩(wěn)定度的原子鐘。ACES項(xiàng)目總預(yù)算達(dá)到5000萬美元，計(jì)劃分三個(gè)階段實(shí)施，最終目標(biāo)是將所有電子組件集成到50立方厘米的體積內(nèi)，重量在100克以內(nèi)，性能則是當(dāng)前原子鐘的一千倍。美國空軍為了繼續(xù)推進(jìn)GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化，持續(xù)推進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)，進(jìn)一步降低財(cái)政預(yù)算，美軍積極引進(jìn)新興民營企業(yè)參與系統(tǒng)建設(shè)，2018年3月把價(jià)值6.4億美元的合同分給了美國太空探索技術(shù)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(jià)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(wù)。

（三）系統(tǒng)級預(yù)研項(xiàng)目進(jìn)展順利，為裝備開發(fā)和部署奠定基礎(chǔ)

DARPA戰(zhàn)略技術(shù)辦公室（STO）主導(dǎo)PNT系統(tǒng)級預(yù)研，主要項(xiàng)目有自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）、對抗環(huán)境下的空間時(shí)間與方向信息（STOIC）、精確魯棒慣性制導(dǎo)彈藥（PRIGM）等。ANS項(xiàng)目于2011年啟動(dòng)，主要研究冷原子干涉陀螺儀技術(shù)，開發(fā)可利用雷電等外部機(jī)會(huì)信號的導(dǎo)航校準(zhǔn)新算法與軟件結(jié)構(gòu)，已先后完成了平臺(tái)演示驗(yàn)證和端對端的演示驗(yàn)證，能夠滿足室內(nèi)、“城市峽谷”、叢林、水下、地下等弱衛(wèi)星信號環(huán)境及強(qiáng)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(xué)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(yuǎn)程參考信號源、漂移小于1納秒/月的新型光學(xué)時(shí)鐘和實(shí)現(xiàn)不同戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈之間的時(shí)鐘精確轉(zhuǎn)換，即將進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)和樣機(jī)系統(tǒng)開發(fā)階段，合作伙伴包括Argon ST公司、Leidos公司、Draper實(shí)驗(yàn)室以及佛羅里達(dá)大學(xué)等。在Micro-PNT的基礎(chǔ)上，PRIGM項(xiàng)目于2016財(cái)年啟動(dòng)，主要由諾斯羅普·格魯曼公司承擔(dān)，計(jì)劃投入1630萬美元，應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)和集成光子技術(shù)，在GPS無法提供服務(wù)的情況下，提供彈藥制導(dǎo)，以及在發(fā)射和飛行階段的導(dǎo)航功能。

（四）推進(jìn)GPS全球合作，完善PNT產(chǎn)業(yè)生態(tài)

當(dāng)前，美國政府采用全球合作的手段，完善GPS產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。在EXCOM委員會(huì)中，成立GPS服務(wù)接口委員會(huì)和國際工作組及常設(shè)工作組，持續(xù)優(yōu)化衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的產(chǎn)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(wù)，也為美國軍隊(duì)機(jī)關(guān)、美國海軍氣象天文臺(tái)、美國國家地理空間情報(bào)局、美國國防信息系統(tǒng)局等國防和軍隊(duì)機(jī)構(gòu)，此外主動(dòng)開展兼容性，互操作性、透明度和市場準(zhǔn)入的國際合作，目前已與57個(gè)授權(quán)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(dǎo)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(diǎn)與主要優(yōu)勢

（一）采用開放式體系架構(gòu)，將增強(qiáng)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性

美國制定了開放式PNT體系架構(gòu)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(lì)發(fā)展多機(jī)理技術(shù)，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(shù)的融合；促進(jìn)跨機(jī)構(gòu)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(gòu)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(shù)辦公室正在與空軍理工學(xué)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(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對GPS、基于陀螺儀與加速度計(jì)的IMU、視覺輔助導(dǎo)航設(shè)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(jù)實(shí)際擁有設(shè)備的不同，靈活選擇相應(yīng)傳感器所提供的PNT信息，將顯著增強(qiáng)對復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)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(rèn)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(shù)已呈全球擴(kuò)散態(tài)勢，對此種關(guān)鍵信息優(yōu)勢構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。實(shí)驗(yàn)表明，功率僅4W的GPS干擾機(jī)就能對145km外的機(jī)載GPS接收機(jī)造成干擾。研發(fā)GPS干擾對抗設(shè)備的美國Exelis公司稱，只需25美元就可網(wǎng)購到能夠屏蔽一輛汽車周圍GPS信號的干擾機(jī)。當(dāng)前，我國北斗三號全球組網(wǎng)衛(wèi)星也已進(jìn)入密集發(fā)射階段，在定位精度和短報(bào)文服務(wù)方面甚至呈現(xiàn)后來居上的態(tài)勢。美國在積極推動(dòng)GPS保護(hù)（Protect）、強(qiáng)化（Toughen）和增強(qiáng)（Augment）計(jì)劃（即PTA計(jì)劃），確保采用立法、執(zhí)法的方式，將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為國家重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，用于懲罰對GPS系統(tǒng)的非法干擾的同時(shí)，匯聚多家國防部與聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、頂級大學(xué)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(wù)，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(chǔ)研究

PNT新路徑的開辟，有效牽引量子信息科學(xué)等基礎(chǔ)研究，促進(jìn)微慣性導(dǎo)航、量子導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航、自適應(yīng)導(dǎo)航等技術(shù)不斷成熟。美國國防部2013-2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”已將量子信息與控制技術(shù)列為未來重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，重點(diǎn)投資精密導(dǎo)航、精確授時(shí)和安全量子網(wǎng)絡(luò)等在國家安全領(lǐng)域的應(yīng)用。2016年7月，美國國家科技委科學(xué)委員會(huì)和國土與國家安全委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布報(bào)告《推進(jìn)量子信息科學(xué)發(fā)展：國家的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》，也把探測與計(jì)量列為量子信息科學(xué)影響最大的領(lǐng)域之首?；诹孔犹綔y技術(shù)的冷原子傳感器在替換傳統(tǒng)陀螺儀后，隨機(jī)漂移降低到10-9～10-7度每小時(shí)，使不依賴衛(wèi)星的導(dǎo)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(jìn)我國自主時(shí)空戰(zhàn)略能力構(gòu)建的對策建議

（一）前瞻戰(zhàn)略頂層設(shè)計(jì)，積極探索PNT融合服務(wù)模式

自主時(shí)空PNT服務(wù)體系以北斗系統(tǒng)PNT服務(wù)為核心，融合其他GNSS、偽衛(wèi)星、量子導(dǎo)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)超前布局，軍地相關(guān)部門和單位依托中國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)的組織實(shí)施，開展國家綜合PNT體系構(gòu)建工程的論證實(shí)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(jìn)北斗與其他PNT系統(tǒng)信息深度融合。采用中國2000坐標(biāo)基準(zhǔn)和北斗時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多源PNT系統(tǒng)觀測信息函數(shù)模型的統(tǒng)一表達(dá)，建立深度PNT信息融合的基礎(chǔ)。建立合理優(yōu)化的隨機(jī)模型和計(jì)算方法，實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地確定各類觀測信息在融合過程中的方差或權(quán)重，控制各觀測異常對綜合PNT參數(shù)的影響，提升可用性和連續(xù)性，增強(qiáng)穩(wěn)健性和可靠性。三是要推進(jìn)以北斗為核心的PNT體系與各類信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的核心技術(shù)融合發(fā)展。當(dāng)前以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，日益成為推動(dòng)信息技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)能，要做好天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)與中國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)的規(guī)劃銜接，充分考慮導(dǎo)航與遙感、通信等各類信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用的融合。

（二）提高創(chuàng)新發(fā)展能力，推動(dòng)關(guān)鍵核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破

創(chuàng)新發(fā)展能力是構(gòu)建我國自主時(shí)空戰(zhàn)略能力構(gòu)建的基石，必須要強(qiáng)化軍地間協(xié)同創(chuàng)新，聚焦關(guān)鍵核心技術(shù)突破，積極引導(dǎo)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(jìn)集成電路、基礎(chǔ)芯片自主可控、服務(wù)終端的芯片化集成等方面，大力發(fā)展微機(jī)電傳感器的深度集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航組件和微型原子鐘組件等微型裝置在綜合PNT服務(wù)終端的芯片化集成、零系統(tǒng)間偏差與自適應(yīng)切換，加強(qiáng)綜合PNT產(chǎn)品的檢驗(yàn)、檢測與認(rèn)證，構(gòu)建從芯片、器件、天線、模塊到終端的全自主產(chǎn)業(yè)鏈。另一方面，要大力提升衛(wèi)星信號、提高接收機(jī)抗干擾能力和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等核心能力，持續(xù)維護(hù)和完善北斗系統(tǒng)，及時(shí)采用新的衛(wèi)星信號設(shè)計(jì)方法，如新型導(dǎo)航信號體制、星間鏈路、高精度衛(wèi)星鐘、導(dǎo)航信息認(rèn)證等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)北斗系統(tǒng)星座穩(wěn)健性，為系統(tǒng)服務(wù)向全球拓展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，加速攻關(guān)自適應(yīng)抗干擾天線、欺騙干擾識別與信號認(rèn)證、更穩(wěn)健的接收信號捕獲與跟蹤等技術(shù)，在鐵路、電力、交通、金融、海事等國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域推廣應(yīng)用抗干擾接收機(jī)。

（三）加快推進(jìn)北斗系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用，夯實(shí)我國PNT體系發(fā)展基礎(chǔ)

衛(wèi)星導(dǎo)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?yàn)閳?jiān)定實(shí)施軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略提供示范帶動(dòng)引領(lǐng)作用，而且具有巨大的市場發(fā)展?jié)摿?，提升?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國防軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)的水平。一是加快北斗系統(tǒng)建設(shè)，盡快形成全球服務(wù)能力。加快推進(jìn)北斗系統(tǒng)三號衛(wèi)星組網(wǎng)，推進(jìn)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(qiáng)系統(tǒng)與各類衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)的數(shù)據(jù)資源銜接，構(gòu)建統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)系統(tǒng)，探索高精度應(yīng)用模式。二是加快構(gòu)建以北斗導(dǎo)航應(yīng)用為核心的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，提升衛(wèi)星導(dǎo)航芯片、電子元器件、原子鐘的技術(shù)水平，突破導(dǎo)航與遙感、通信、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的融合應(yīng)用，加快形成政產(chǎn)學(xué)研用的軍民協(xié)同創(chuàng)新體系，研發(fā)各類GIS移動(dòng)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品、精度測量產(chǎn)品及北斗行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品及器件。三是優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，加快衛(wèi)星導(dǎo)航條例的制定，規(guī)范我國衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域相關(guān)活動(dòng)，確立北斗系統(tǒng)作為國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的法律地位，推動(dòng)北斗應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保護(hù)北斗系統(tǒng)提供可靠服務(wù)，提高北斗系統(tǒng)法制化管理水平。