導航定位和授時技術(shù)positioning， navigation， and timing — PNT

導讀

進入新世紀后，許多國家軍隊都意識到現(xiàn)代作戰(zhàn)行動對GPS的依賴過于嚴重，而隨著GPS干擾技術(shù)的快速發(fā)展，這一隱患將成為各國軍隊戰(zhàn)時使用武器的巨大威脅。2010年開始，DARPA開展了不依賴衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研發(fā)工作，目的是全面替代GPS，而不是作為GPS系統(tǒng)的補充。2014年6月，DARPA向工業(yè)界發(fā)布新的項目公告，要求發(fā)展不依賴現(xiàn)有GPS的武器導航技術(shù)。此后，DARPA同時開展了多個項目的研究，聚焦于定位導航授時技術(shù)的開發(fā)。

自適應導航系統(tǒng)（ANS）

“自適應導航系統(tǒng)”（ANS）是戰(zhàn)略技術(shù)辦公室負責的一個項目，旨在開發(fā)新型先進慣性導航系統(tǒng)（INS），在無需外界數(shù)據(jù)源的情況下提供精確的時間、位置慣性測量數(shù)據(jù)。ANS項目還包括眾多子項目，進行新型算法和架構(gòu)的開發(fā)來實現(xiàn)PNT傳感器在多種平臺上的快速即插即用功能，并降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時間，盡快實現(xiàn)戰(zhàn)場應用。

對抗環(huán)境下的空間、時間和定位信息（STOIC）

STOIC項目是戰(zhàn)略技術(shù)辦公室進行的另一項工作。它是一個新型PNT系統(tǒng)，集成了遠程魯棒的參考信號、超穩(wěn)定戰(zhàn)術(shù)時鐘和一些多功能系統(tǒng)，可在GPS拒止情況下應用。該項目包括三個組成領域。第一個是開發(fā)用于位置固定導航的抗干擾信號，尤其是頻譜中VLF部分，目標是利用VLF信號發(fā)射器建立一個備選、遠程、魯棒的PNT參考信號源網(wǎng)絡，作為對GPS的一種完全備份方案;第二個組成項目為新型光學時鐘技術(shù)，旨在開發(fā)出漂移小于1納秒/月的新型光學時鐘。這個項目應用到了之前DARPA進行的“量子輔助感知與讀取”（QuASAR）項目的研究成果;最后一個項目是開發(fā)使用平臺上現(xiàn)有的系統(tǒng)在不同戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈（Link-16或戰(zhàn)術(shù)瞄準網(wǎng)絡技術(shù)）間進行精確時間轉(zhuǎn)換的途徑。

微型定位、導航與授時技術(shù)（Micro-PNT）

為滿足PNT系統(tǒng)的設計和集成需求，微系統(tǒng)技術(shù)辦公室開發(fā)新型核心組件技術(shù)、材料和制造工藝。Micro-PNT是微系統(tǒng)技術(shù)辦公室眾多PNT項目中的一個。該項目包括多個研發(fā)項目，主要是利用微機電系統(tǒng)（MEMS）的微型化技術(shù)來開發(fā)高度小型化、精度更高、穩(wěn)定性更好的芯片級陀螺儀和時鐘，以及充分集成的授時和慣性測量裝置。該項目結(jié)合了大量領先的技術(shù)研發(fā)，具有廣闊的應用前景。

下一代原子鐘（NGAC）項目

原子鐘技術(shù)為導航、通信、情報監(jiān)視與偵察（ISR）和電子戰(zhàn)（EW）系統(tǒng)提供了定時和同步的高性能技術(shù)手段。DARPA已對芯片級原子鐘（CSAC）技術(shù)進行了投資并展示了增強功能。2016年，DARPA提出了下一代原子鐘（NGAC）項目，計劃通過采用原子限制和詢問的替代方法，開發(fā)關鍵性能參數(shù)提高100X-1000X的下一代芯片級原子鐘，并著重于開發(fā)必要的組件技術(shù)，以期實現(xiàn)低成本制造和在惡劣的戰(zhàn)爭環(huán)境中的穩(wěn)健部署。NGAC計劃開發(fā)芯片級原子鐘，在低成本、尺寸、重量和功率（CSWaP）平臺上實現(xiàn)精確計時。為了實現(xiàn)這些性能指標，新的支持技術(shù)和詢問技術(shù)將被集成到系統(tǒng)中。該計劃的基礎研究由PE 0601101E，ProjectES-01提供資金。不過該項目僅在2016年獲得了研發(fā)資金，并未進行續(xù)研發(fā)工作。

“藍狼”（Blue Wolf）

“藍狼”項目尋求研發(fā)及驗證一種集成式無人潛航器（UUV），能以現(xiàn)有平臺此前無法實現(xiàn)的速度和航程運行，同時潛航器的體積以及載荷與電子設備所占比重將維持不變。“藍狼”項目重點關注針對現(xiàn)有航行器的新能源、增升減阻技術(shù)快速研發(fā)與成熟化。2015年，DARPA啟動了“藍狼”項目，波音公司和洛克希德·馬丁公司共同開發(fā)了革命性的水下推進和減阻技術(shù)，以使有人和無人駕駛的海底軍用潛航器能夠比以往更快，更節(jié)能地在水中移動。

DARPA “藍狼”計劃開發(fā)和演示集成的水下航行器原型，該原型能夠以原來在固定尺寸平臺上無法實現(xiàn)的速度和航程組合運行，同時保留傳統(tǒng)的體積和重量分數(shù)用于有效載荷和電子設備。最初的參考架構(gòu)由直徑為21英寸的潛航器組成，其體積和重量保留給基線導航，控制，電子系統(tǒng)和有效載荷部分。潛航器使用基線電驅(qū)動和傳統(tǒng)的鰭片控制。

動態(tài)升力和減阻是指可實現(xiàn)重大減阻的革命性技術(shù)，例如小翼的動態(tài)升力，車身造型，涂層以及適用于各種范圍和速度組合以提高系統(tǒng)能效的新穎減阻技術(shù)。混合能源系統(tǒng)指的是諸如熱，電化學或利用兩個或多個能源進行能量收集的方法，以提高以瓦特小時/英里為單位的能源效率。DARPA研究人員表示，他們計劃探索可裝在海底潛航器系統(tǒng)模塊中的熱力和電力來源，例如燃料電池和電池。

直接在片數(shù)字光合成器（DODOS）項目

DARPA于2014年啟動了DODOS項目，關鍵是將必要的組件小型化，并將其集成到一個緊湊的模塊中，從而使該技術(shù)得到更廣泛的部署，同時解鎖新應用。為了實現(xiàn)目標，DODOS項目利用微諧振器（將光存儲在微芯片中的微小結(jié)構(gòu)），在緊湊型集成封裝中實現(xiàn)光頻梳。光頻梳的名稱來源于，將單一顏色的輸入激光束轉(zhuǎn)換為一連串均勻排列的多個顏色，就像一把梳子。如果有足夠?qū)挼氖帷褒X”陣列，消除噪聲的創(chuàng)新技術(shù)就成為可能，使得光頻梳成為需要精確頻率參考的系統(tǒng)的一個有吸引力的選擇。2018年，在DODOS項目的支持下，UCSB領導的團隊與美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST）成功實現(xiàn)了光頻率合成器組件的小型化，為此次研究成果奠定了基礎。

2020年6月，DARPA“直接在片數(shù)字光合成器”（DODOS）項目再次取得顯著進展。加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）、加州理工學院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院物理研究所（EPFL）組成的DODOS研究團隊開發(fā)出集成孤子微納芯片。研究成果發(fā)布在《自然》雜志上。

DODOS研究團隊從加利福尼亞大學圣巴巴拉分校，加利福尼亞理工學院和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院物理研究所開發(fā)的集成孤子微梳芯片

對未來的部署至關重要的是，在操作上也更加方便。由于系統(tǒng)設計上的精心選擇，只要打開激光器，就能自動啟動光頻梳。設計的“交鑰匙”操作，極大地簡化了需要光頻梳來實現(xiàn)特殊功能的系統(tǒng)。通過去除通常需要用在器件之間的專用電子和光學器件，簡化的結(jié)構(gòu)降低了規(guī)模、功率和成本要求，同時使光頻梳對環(huán)境和溫度干擾具有強大的穩(wěn)定性。

精確魯棒慣性制導彈藥（PRIGM）

2016財年，DARPA投入1630萬美元用于開發(fā)PRIGM，項目分兩部分進行，將應用到Micro-PNT項目的研發(fā)成果。第一部分是導航級慣性測量裝置（PRIGM:NGIMU）。項目的目的是制造一個完全導航級的MEMS慣性測量裝置，實現(xiàn)在GPS拒止環(huán)境下的彈藥制導功能。新型MEMS慣性測量裝置將采用通信界面，插入式安裝模式，今后將取代現(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)級慣性測量裝置。2015年12月，DARPA與諾斯羅普·格魯曼公司簽訂了價值630萬美元的合同用于進行第一階段，包括交付硬件，以及進行飛行驗證試驗。

第二部分為先進慣性微型傳感器（PRIGM:AIMS）。該項目的基本目標是實現(xiàn)彈藥在發(fā)射和飛行階段的導航功能，PRIGM:AIMS項目的內(nèi)容是開發(fā)探測慣性力的新途徑，基礎研發(fā)和應用研發(fā)費用分別為610萬和620萬美元。在DARPA支持下，卡內(nèi)基·梅隆大學的研究人員通過聲學和光學組件的材料和器件設計實現(xiàn)了陀螺性能增強，聲光陀螺儀在靈敏度（9x）、信噪比（13x）和穩(wěn)定性（超過100s）方面性能得到提升，同時器件外形尺寸減小了一半。

高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）

高穩(wěn)定性原子鐘（ACES）是微系統(tǒng)技術(shù)辦公室進行的一個新項目，旨在設計、制造新一代原子鐘，這種原子鐘只有手掌般大小，采用電池供電，性能比當前這代原子鐘要好一千倍。新型原子鐘必須能裝在錢包般大小的套件中去，功率僅有0.25瓦。項目分三個階段進行，總預算達到5000萬美元，2016財年預算為460萬美元，在抗精度削弱（accuracy-eroding）過程方面會取得突破性進展。原子鐘的精度削弱體現(xiàn)在多個方面，例如溫度波動而導致的原子頻率變化，或由電源關閉再重啟而導致的微妙的頻率差異。ACES項目尋求具有超高穩(wěn)定度的原子鐘，需要多個領域團隊的技術(shù)合作，包括原子物理學、光學、光子學、精密加工和真空技術(shù)。

2019年8月，DARPA宣布在ACES項目支持下，三個團隊開發(fā)的新一代芯片級原子鐘在性能優(yōu)化上取得突破性進展。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室團隊開發(fā)出的芯片級原子鐘受溫度和環(huán)境因素干擾小，定位精度是前代原子鐘的100倍;美國國家標準與技術(shù)研究所開發(fā)出一種僅由三個微型芯片及相關支持性元件組成的微型原子鐘，功耗比之前的原子鐘要低很多，精度卻是其50倍;霍尼韋爾公司團隊成功開發(fā)了能夠支持原子鐘小型化的精密原子傳感器。

由NIST，加利福尼亞理工學院，斯坦福大學和查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室開發(fā)的微加工光子光學原子鐘的示意圖

深海導航定位系統(tǒng)（POSYDON）

“深海定位導航系統(tǒng)”（POSYDON）綜合運用水下聲波信號，水面浮標，水下信標或節(jié)點，GPS信號，能夠快速的確定水下執(zhí)行任務的無人系統(tǒng)的位置坐標，并將數(shù)據(jù)傳輸回水面艦艇或潛艇的指揮控制系統(tǒng)。POSYDON的研發(fā)工作由DARPA和BAE系統(tǒng)等公司合作完成。

POSYDON能夠在大洋中提供實時，連續(xù)和穩(wěn)定的定位信息。通過布放少量的可遠距離傳播的聲源系統(tǒng)，水下平臺不再需要定期上浮接收GPS信號即可獲得連續(xù)，高精度的導航信息。POSYDON為水下使用者帶來了“類GPS”的能力。GPS信號在海面反射并且不能穿透海水，POSYDON的重要性在于確保這些UUV（無人的水下傳播媒介）能真正專注于他們的任務而不必周期性地浮出水面讓GPS計算出它們確切在哪兒。這種技術(shù)依賴于一種“三角測量”。衛(wèi)星發(fā)出的GPS信號被發(fā)送到一個表面節(jié)點，表面節(jié)點使用聲波連接和定位海底無人機。

模塊化光學孔徑積木（MOABB）

模塊化光學孔徑積木（MOABB）項目試圖在大大降低光學系統(tǒng)的尺寸和重量的同時提高轉(zhuǎn)向率。具體來說，MOABB旨在構(gòu)建可以相干地排列在一個平面上的毫米級光學單元組合，以形成更大更高功率的器件。這些構(gòu)建塊將代替常規(guī)光學系統(tǒng)的精密透鏡、反射鏡和機械部件。MOABB還將開發(fā)可擴展的光相控陣列，無需機械組件來控制電磁波（如光和無線電）的技術(shù)。這些進步將使尺寸和重量減少100倍，轉(zhuǎn)向率提高1000倍。對于諸如LIDAR、激光通信和激光照明等應用，MOABB提供了一個引人注目的機會，用平面的集成系統(tǒng)來代替空白空間和散裝零件。

DARPA的研究人員將建立二維毫米尺度的傳輸/接收單元，該傳輸/接收單元具有高填充因數(shù)孔徑、非機械光束控制和集成放大功能的特點。研究人員意圖利用當前的半導體制造工藝將這些單元構(gòu)建成相干的單元陣列。該計劃旨在采用晶圓級加工工藝制造一個具有分布式增益的10厘米發(fā)射/接收相干陣列。MOABB項目包括兩大技術(shù)領域：開發(fā)適用于短波紅外波段的光學相干單元陣列技術(shù);將該技術(shù)應用于激光雷達系統(tǒng)，以測試并證明該技術(shù)的可行性。DARPA分別與四個公司簽訂了總額為1630萬美元的合同以推動該項目的研究進程。研究人員最終想將該技術(shù)成果應用于光探測、光測距及激光雷達系統(tǒng)。與DARPA簽訂合同的四家公司分別為：洛克希德·馬丁相干技術(shù)公司、美國TREX公司、美國模擬光子有限責任公司、美國Teledyne科技影像有限責任公司。

導引頭成本轉(zhuǎn)換（SECTR）

“導引頭成本轉(zhuǎn)變”項目是DARPA針對美軍機載武器在對抗環(huán)境中作戰(zhàn)需求而設立的研發(fā)項目，旨在開發(fā)創(chuàng)新的武器導引頭/制導系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅需很少的信息支持，即能對固定、可改變位置和持續(xù)移動目標進行精確末段尋的，并能在 GPS拒止環(huán)境中實現(xiàn)全天時導航，且尺寸小、重量輕、功率低、成本低。

“導引頭成本轉(zhuǎn)變”項目于2015年啟動，分兩個階段實施。第一階段工作主要進行重量小于5千克導引頭的設計和技術(shù)開發(fā)，持續(xù)時長21個月。根據(jù)公開信息，洛馬公司與BAE系統(tǒng)公司均通過第一階段的關鍵設計評審，但只見美空軍研究實驗室代表DARPA授予洛馬公司價值 820萬美元第一階段合同。第二階段工作進行重量不超過2千克導引頭的集成和測試，持續(xù)時長18個月，導引頭最終的質(zhì)量指標為小于1千克。BAE系統(tǒng)公司贏得了該階段合同。

SECTR導引頭指標要求

2020年3月，DARPA公布2021財年預算要求，顯示“導引頭成本轉(zhuǎn)變”（SECTR）項目在2021年將不再申請資金。這意味著該項目經(jīng)過6年的開發(fā)，于2020財年結(jié)束。該項目突破了適應GPS拒止環(huán)境的低成本精確制導技術(shù)，成果可能或已經(jīng)應用于某類承擔精確打擊任務的武器，可能有效增強美軍空地彈在復雜對抗環(huán)境中的作戰(zhàn)能力。

機械式天線（AMEBA）

“機械式天線”（AMEBA）項目是由DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室發(fā)起的創(chuàng)新研究項目，旨在研發(fā)便攜式低頻信號發(fā)射系統(tǒng)。一旦成功應用，將使低頻通信擺脫對大型發(fā)射站的依賴，可更方便靈活地向潛艇、無人潛航器、地下目標和偏遠作戰(zhàn)人員等發(fā)送數(shù)據(jù)、文本甚至語音，在深遠海、深地等空間通信領域具有廣闊應用前景。

與當前無線電發(fā)射器通過振蕩電路產(chǎn)生電磁波不同，AMEBA項目將探索全新的電磁波生成與發(fā)射機理，利用強磁場材料（永磁體）或強電場材料（駐極體）的機械振動產(chǎn)生低頻電磁波。項目研究內(nèi)容分為特低頻（ULF，頻率為0.3千赫至3千赫）通信和甚低頻（VLF，頻率為3千赫～30千赫）通信兩大部分。

原子光子集成（A-PhI）

DARPA于2018年發(fā)布的原子-光子集成（A-PhI）項目建議征集書中將利用光子集成電路的原子干涉陀螺儀列為未來研究重點，尋求降低捕獲原子式高性能PNT裝備復雜度的新方法。同時，該項目還要研制捕獲原子式陀螺儀、一種模擬光波的相干式光纖陀螺儀（FOG）。DARPA表示，性能可靠的PNT裝備是美軍執(zhí)行軍事任務的重要資源，其影響范圍覆蓋通信、導航、偵察以及電子戰(zhàn)等領域。PNT信息通常來自于GPS導航衛(wèi)星，但此類信號易受敵方阻塞和干擾，使得GPS備份至關重要。時鐘和慣性測量元件的精度（IMUs）與GPS系統(tǒng)類似但持續(xù)周期較短，這就是A-PhI項目的由來。

高級PNT能力演示（APCD）

微機電系統(tǒng)（MEMS）和原子物理學界都對新功能進行了基礎研究，這些新功能將影響在戰(zhàn)場上保持和傳遞精確定時和導航信息的能力。高級PNT能力演示（APCD）計劃將在最有前途的新物理能力中進行選擇，并演示其在現(xiàn)實戰(zhàn)斗場景中的潛力。一種方案是利用慣性傳感器的進步，在20分鐘的任務時間內(nèi)僅進行慣性測量單元（IMU）操作。基于MEMS的演示將使彈藥能夠在GPS受限的情況下導航，并保持彈藥和導彈能力，以便在未來戰(zhàn)場環(huán)境中準確導航。另一種情況是使用高性能而緊湊的低功耗原子物理就是來存儲時間和位置信息。這將啟用高級定位，導航和定時（PNT）功能，例如在低地球軌道（LEO）星座或無人飛行器（UAV）中，可以從中分發(fā)基于原子的信息。

海洋交戰(zhàn)及時信息（TIMEly）

2019年9月，DARPA發(fā)布“即時海上交戰(zhàn)信息”（TIMEly）項目廣泛機構(gòu)告知書（BAA），將開發(fā)異構(gòu)海上通信架構(gòu)，并在海上完成演示驗證。美軍正在嘗試打造可快速重構(gòu)的軍事力量，行動迅速，能適應不斷變化的環(huán)境，即使一些部門消失或被抽調(diào)去完成更重要的任務仍可繼續(xù)有效發(fā)揮作用。TIMEly項目是“馬賽克戰(zhàn)爭”概念的衍生物，其目標是構(gòu)建可快速重構(gòu)的海空、海面和水下軍事力量，這些力量行動迅速、不可預測、靈活性和適應性強，更像是馬賽克中的碎片，而不是擁有嚴格設計的拼圖。

TIMEly項目將重點關注網(wǎng)絡協(xié)議、服務質(zhì)量和信息交換等技術(shù)，同時要掌握水下環(huán)境對網(wǎng)絡鏈接距離、容量、延遲和安全的限制。該項目設想采用動態(tài)可重構(gòu)的響應式架構(gòu)，將吸收水下通信和海上無人系統(tǒng)前沿技術(shù)。DARPA表示，TIMEly項目將投入4500萬美元經(jīng)費，共分以下三個階段：第一階段為期15個月，主要是設計與元件級測試;第二階段為期15個月，主要是搭建架構(gòu)并完成水下演示驗證;第三階段為期15個月，主要是完成樣機的多域作戰(zhàn)演示驗證。

彈性網(wǎng)絡化分布式馬賽克通信項目（RN DMC）

2020年6月，為了打破對大型天線和放大器的依賴，DARPA發(fā)布了彈性網(wǎng)絡分布式馬賽克通信（RN DMC）項目，尋求開發(fā)一種可移動、自成形、自修復的馬賽克天線來提供遠程通信。馬賽克天線由空間分布的低尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）收發(fā)器元件或“碎片”（tiles）組成，可以被放置在船舶、車輛、無人和有人機、衛(wèi)星以及單個小隊成員上。發(fā)射功率分布在碎片之間，增益通過信號處理實現(xiàn)，而不通過物理天線孔徑來集中能量。

馬賽克天線碎片的分部部署將具備更強的魯棒性來應對故障和攻擊，同時希望以更低的成本（目標是每片1000美元或更少）實現(xiàn)可消耗。RN DMC項目包括三個重點領域：系統(tǒng)設計、實驗性能驗證和操作架構(gòu)定義。這項工作分為三個計劃階段，總共45個月。

總結(jié)

發(fā)展不依賴GPS導航技術(shù)的目的是為作戰(zhàn)人員和武器精確打擊提供競爭激烈環(huán)境中類似GPS的定位、導航和授時功能。以美軍為首的西方國家軍隊積極發(fā)展這一技術(shù)體系，既有著面對未來威脅環(huán)境發(fā)展的無奈，又有著占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢地位的野心，也有著對現(xiàn)有GPS發(fā)展的無望。定位、導航和授時服務對軍隊而言就像氧氣對人類一樣不可或缺。DARPA當前及未來較長一段時間都會投入研究新機理、研制新設備、開發(fā)新算法，以擺脫軍事人員和系統(tǒng)設備對GPS的依賴。

審核編輯 ：李倩