眾所周知，GPS容易受到各類干擾和欺騙的影響，且在一些有遮擋的區(qū)域，會(huì)發(fā)生收不到GPS信號(hào)或信號(hào)較弱的現(xiàn)象，這導(dǎo)致GPS難以滿足現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)電磁強(qiáng)對抗環(huán)境的應(yīng)用需求。針對PNT系統(tǒng)的攻防，1997年美軍曾提出導(dǎo)航戰(zhàn)的概念，2017年美空軍又提出了授時(shí)戰(zhàn)的概念。此外，電子戰(zhàn)(含自適應(yīng)電子戰(zhàn)、認(rèn)知電子戰(zhàn))、信息戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)等概念也曾應(yīng)用于 PNT 系統(tǒng)的攻防。

美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)在PNT領(lǐng)域曾支持過微定位導(dǎo)航與授時(shí)(Micro-PNT)、對抗環(huán)境下的空間時(shí)間和方向信息 (Spatial，Temporal，and Orientation Informationin Contested Environments，STOIC)、適應(yīng)性導(dǎo)航系統(tǒng) (Adaptable NavigationSystems，ANS)、深海定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Positioning System for Deep Ocean Navigation，POSYDON)、超快激光科學(xué)與工程 (Programin Ultrafast Laser Scienceand Engineering，PULSE)、量子輔助傳感與讀取 (Quantum-Assisted Sensing and Readout，QuASAR)等相關(guān)項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，美國陸軍一直在研發(fā)可靠 PNT(A-PNT)技術(shù)，以滿足 GPS 拒止環(huán)境下高復(fù)雜性動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境要求。

2015年初，美國陸軍專門組建了PNT項(xiàng)目辦公室，以推動(dòng)從傳統(tǒng) GPS 能力向A-PNT能力的快速轉(zhuǎn)型。

美國陸軍A-PNT項(xiàng)目包含4個(gè)子項(xiàng)目:1)基于地面無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星項(xiàng)目;2)為車輛系統(tǒng)提供 PNT 項(xiàng)目;3)為單兵提供 PNT 項(xiàng)目;4)抗干擾的 PNT 天線項(xiàng)目。A-PNT 項(xiàng)目經(jīng)理 Kevin Coggins在2017年5月表示， A-PNT 項(xiàng)目可使陸軍進(jìn)入戰(zhàn)爭中的下一個(gè)導(dǎo)航級(jí)別，并將超越 GPS 的能力。

為提高未來美陸軍PNT能力，提供步兵和戰(zhàn)車等武器更加可靠和精確的PNT技術(shù)，美國陸軍進(jìn)行了多項(xiàng)舉措，相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展將成為 GPS 的補(bǔ)充和備份。

1、偽衛(wèi)星系統(tǒng)

由于 GPS 信號(hào)可能被友方或敵方的電磁信號(hào)或天然障礙降級(jí)或拒止，美國陸軍希望通過使用地面或近地面無線電發(fā)射機(jī)廣播類GPS信號(hào)，以此建立偽衛(wèi)星系統(tǒng)，以支持和增強(qiáng)GPS信號(hào)，提高態(tài)勢感知能力，從而提高任務(wù)指揮效率和效果。在GPS信號(hào)中度降級(jí)環(huán)境下，偽衛(wèi)星系統(tǒng)有助于獲取GPS衛(wèi)星信號(hào);在嚴(yán)重降級(jí)環(huán)境下，偽衛(wèi)星系統(tǒng)可用作定位和授時(shí)源。在GPS可用時(shí)，偽衛(wèi)星系統(tǒng)依靠 GPS 信號(hào)將獲得更為精準(zhǔn)的位置、速度和時(shí)間(Position Velocityand Time，PVT)信息。美國陸軍希望偽衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下能力:

1)指揮和控制軟件具有分析能力，有助于偽衛(wèi)星系統(tǒng)的定位;

2)指揮和控制數(shù)據(jù)鏈能與陸軍任務(wù)指揮系統(tǒng)相兼容;

3)可兼容抗干擾 GPS天線;

4)具有異形光束輸出天線;

5)具有共形天線;

6)具有分布式孔徑天線;

7)具備防篡改技術(shù);

8)具有高效率、快速響應(yīng)的功率放大器;

9)能夠?yàn)樘煳膶?dǎo)航設(shè)備提供備用位置源;

10)可通過偽衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送 GPS差分校正;

11)能為偽衛(wèi)星系統(tǒng)提供精確授時(shí)的替代技術(shù)。

2、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)

美國陸軍希望車輛導(dǎo)航系統(tǒng)在 GPS 受到干擾或拒止環(huán)境中，依然能夠?yàn)檐囕v提供PNT信息，以提高戰(zhàn)場任務(wù)指揮和決策能力。具體要求如下:

1)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是可配置的，以平衡基本組件的最小化，從而平衡系統(tǒng)的總成本，與任務(wù)和作戰(zhàn)功能相匹配;

2)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)可允許升級(jí)到 GPS 軍用碼( M 碼);

3)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該高度集成，使 SWaP-C 最小化;

4)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該兼容網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)和精確時(shí)間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)，并能夠利用車輛的輔助傳感器提高導(dǎo)航和授時(shí)能力。

3、慣性導(dǎo)航

美國陸軍希望持續(xù)推進(jìn)慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展，改進(jìn)單兵和車輛態(tài)勢感知能力，并提高戰(zhàn)場指揮官的任務(wù)指揮和決策能力。陸軍希望應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、機(jī)械、光學(xué)和原子等技術(shù)設(shè)計(jì)并開發(fā)出新型陀螺儀和加速計(jì)傳感器，以滿足單兵和車輛平臺(tái)的 SWaP-C 最小化目標(biāo)。此外，陸軍還希望開發(fā)傳感器自校準(zhǔn)、速度更新和范圍輔助等技術(shù)，以保證導(dǎo)航的長期性能。

4、定位

美國陸軍希望使用多種外部信息來確定位置信息，如GPS、多全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Multi-GNSS)、無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航(Navigationvia Signals of Opportunity，NAVSOP)和無線電大氣信號(hào)導(dǎo)航等，以提高戰(zhàn)場任務(wù)指揮和決策能力。陸軍希望重點(diǎn)突破:

1)先進(jìn) GPS 接收機(jī)硬件，包括新穎的射頻前端設(shè)計(jì)、與傳統(tǒng)射頻相關(guān)器不同的配置和設(shè)計(jì)、新型天線設(shè)計(jì)、軟件定義 GPS 接收器、實(shí)現(xiàn) GPS 信號(hào)或 GPS 導(dǎo)航解決方案的完整性監(jiān)控等;

2)充分利用 GNSS信號(hào)，如允許標(biāo)準(zhǔn) GPS 接收機(jī)跟蹤非 GPS 信號(hào)的方法(如軟件修改 GPS 接收機(jī)用于跟蹤伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào));

3)利用新興的和計(jì)劃的未來信號(hào)，例如升級(jí)到M 碼信號(hào)，以及包括跟蹤和采集算法的新型接收機(jī)架構(gòu)。這些算法可減少首次定位時(shí)間 (Time To First Fix，TTFF)或提高抗干擾能力;

4)開發(fā)抗干擾 GPS 或 GNSS 天線，以及相關(guān)抗干擾技術(shù)。

5、導(dǎo)航系統(tǒng)輔助傳感器

美國陸軍希望開發(fā)用于單兵和車輛平臺(tái)的導(dǎo)航輔助技術(shù)，在有 GPS信號(hào)時(shí)，通過輔助傳感器提高 GPS的定位精度;在無 GPS信號(hào)時(shí)，能夠保持較長一段時(shí)間內(nèi)與 GPS 相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪?。陸軍認(rèn)為這種輔助傳感器應(yīng)該是無電磁輻射的，或是具有少量輻射的，或輻射是受控的;另外物理硬件和軟件應(yīng)該是模塊化的、易于嵌入的，且是可調(diào)可優(yōu)化的，以適應(yīng)各種軍事平臺(tái)(如步兵、戰(zhàn)車和航空器)，從而保障未來系統(tǒng)的升級(jí)。 在陸軍通用操作環(huán)境(Common Operational Environment，COE)中，系統(tǒng)應(yīng)能夠正常工作并遵循預(yù)期的體系架構(gòu)。陸軍對于軍事導(dǎo)航系統(tǒng)輔助傳感器的發(fā)展主要包括:

1)基于視覺的導(dǎo)航系統(tǒng)和技術(shù)，包括先進(jìn)的計(jì)算機(jī)跟蹤、映射、特征識(shí)別和提取算法，光學(xué)鏡頭技術(shù)、照相機(jī)、微型固態(tài)材料及相應(yīng)設(shè)備等;

2)基 于 光 探 測 和 測 距 (Light Detectionand Ranging，LIDAR)或激光探測和測距(Laser Detectionand Ranging，LADAR)系統(tǒng);

3)低功耗、窄帶的無線電射頻測距系統(tǒng)，以降低對臨近的無線電通信系統(tǒng)的干擾;

4)速度傳感器、速度檢測器、磁強(qiáng)計(jì)和其他用于先進(jìn)定位和導(dǎo)航技術(shù)的無源傳感器;

5)網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航概念和系統(tǒng)。

6、導(dǎo)航傳感器融合

美國陸軍希望通過多種導(dǎo)航輔助傳感器(如照相機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、激光測距儀等)的信息融合，以提高車輛和步兵的定位導(dǎo)航能力。陸軍希望導(dǎo)航傳感器融合發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面:

1)開放式系統(tǒng)架構(gòu)傳感器融合設(shè)計(jì)應(yīng)該是通用的、靈活的，便于修改和定制，以滿足各種任務(wù)要求，并簡化多種新型和現(xiàn)有傳感器的接口和集成;

2)即插即用系統(tǒng)架構(gòu)需要滿足標(biāo)準(zhǔn)化軟件、電氣和機(jī)械接口，以降低傳感器集成和配置復(fù)雜性，并降低開發(fā)時(shí)間和成本;

3)壓縮感知算法，使用建模和采樣等技術(shù)，有效地獲取和處理最佳傳感器數(shù)據(jù)，以提高定位導(dǎo)航精度;

4)超定傳感器技術(shù)，融合和優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)、功能和應(yīng)用，以提供魯棒的、準(zhǔn)確的導(dǎo)航解決方案;

5)人工智能，通過自適應(yīng)感知環(huán)境變化，智能地融合各種傳感器數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)傳感器融合能力。

7、導(dǎo)航仿生技術(shù)

美國陸軍系統(tǒng)希望能夠受到生物學(xué)的啟發(fā)，應(yīng)用仿生技術(shù)來提高 PNT 能力。主要包括以下幾個(gè)方面:

1)研究脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物物種(如箭蟻、鹵蟲蜂、候鳥、魚類等)，獲得仿生過程、模型、系統(tǒng)和技術(shù)，用于應(yīng)對復(fù)雜任務(wù)和環(huán)境的 PNT 系統(tǒng)。陸軍感興趣的項(xiàng)目主要包括應(yīng)用于姿態(tài)、定向和導(dǎo)航的、基于仿生過程的新型傳感器，以及應(yīng)用于PNT 的仿生定制算法;

2)仿生技術(shù)與傳統(tǒng) PNT 和材料的融合;

3)通過應(yīng)用生物啟發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化 PNT 系統(tǒng)的SWaP-C。

8、授時(shí)

美國陸軍希望推進(jìn)先進(jìn)精確授時(shí)時(shí)鐘源和時(shí)間傳遞技術(shù)發(fā)展，主要包括以下幾個(gè)方面:

1)微型原子鐘、原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、緊密耦合的 GPS 接收機(jī)/時(shí)鐘，該項(xiàng)主要考慮:①軍事規(guī)范相適應(yīng)環(huán)境下的授時(shí)精度、長期和短期穩(wěn)定性，以及低相位噪聲;②高精度時(shí)鐘，為陸軍提供在 GPS拒止環(huán)境下的精準(zhǔn)授時(shí);③ 步兵、地面/空中的有人/無人平臺(tái)所涉及的SWaP-C優(yōu)化;

2)保證授時(shí)準(zhǔn)確性的無線電傳送方式。

9、PNT建模與仿真(M&S)

建模與仿真應(yīng)用于技術(shù)開發(fā)的各個(gè)階段，美國陸軍希望突破以下幾個(gè)方面:

1)支持技術(shù)開發(fā)中的設(shè)計(jì)權(quán)衡;

2)對系統(tǒng)組件、系統(tǒng)、體系進(jìn)行性能分析;

3)在各種環(huán)境下，分析作戰(zhàn)任務(wù)中 PNT 的影響;

4)支持任務(wù)規(guī)劃和決策，同時(shí)了解 PNT 可用性、重要性和影響;

5)應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程工具和實(shí)踐來支持 PNT 技術(shù)的開發(fā)。

10、導(dǎo)航戰(zhàn)(NAVWAR)技術(shù)應(yīng)用

導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)是指在不影響戰(zhàn)區(qū)外和平使用GPS/GNSS導(dǎo)航信息的同時(shí)，使美國及其友方能夠有效利用 GPS/GNSS 導(dǎo)航信息，并阻止敵方使用GPS/GNSS導(dǎo)航信息。美國陸軍希望通過導(dǎo)航戰(zhàn)來提高在戰(zhàn)場上的反介入/區(qū)域拒止(A2AD)能力，主要包括以下幾個(gè)方面:

1)GPS干擾源的實(shí)時(shí)檢測、地理定位和特征描述技術(shù);

2)GPS接收機(jī)欺騙、干擾和攻擊的實(shí)時(shí)檢測，通過偽信號(hào)或者重播等方法重新獲取優(yōu)良的 PNT 數(shù)據(jù);

3)通過利用 GPS接收機(jī)和/或傳感器集成來進(jìn)行態(tài)勢感知;

4)有選擇地拒止敵方使用 PNT 信息，同時(shí)保護(hù)中立和友軍的 PNT 信息。

11、自主與人工智能(AI)在PNT中的應(yīng)用

美國陸軍認(rèn)為自主和人工智能技術(shù)將為作戰(zhàn)人員提供更為先進(jìn)的作戰(zhàn)能力[26-30]，主要包括以下幾個(gè)方面:

1)利用人工智能技術(shù)可以增強(qiáng)傳感器融合，提高對環(huán)境變化的自適應(yīng)能力;

2)提高各種傳感器的智能融合能力;

3)利用人工智能提高士兵的態(tài)勢感知能力;

4)利用人工智能，使導(dǎo)航系統(tǒng)了解 GPS和其他傳感器的環(huán)境、路徑和實(shí)際測量結(jié)果，以改進(jìn) GPS 和其他傳感器的性能，提高導(dǎo)航精度;

5)利用自主技術(shù)提供先進(jìn)的避障能力;

6)應(yīng)用自主和人工智能技術(shù)提高自主導(dǎo)航定位速度;

7)應(yīng)用自主和人工智能技術(shù)提高傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力;

8)利用人工智能技術(shù)提高學(xué)習(xí)和自適應(yīng) PNT 的能力，以對抗敵方的威脅;

9)人工智能相關(guān)算法的開發(fā)和應(yīng)用，以提高整體 PNT 能力。