2017年國外軍事導航領域發展綜述

定位、導航與授時（PNT）技術在國家安全和經濟運行中發揮著支撐作用。衛星導航系統具有覆蓋面積廣，可連續實時提供高精度服務的優勢，在整個PNT體系中佔據主導地位。但是隨著以GPS為代表的衛星導航系統的局限性和弱點日益突顯，例如信號弱易受干擾，難以覆蓋室內、城市峽谷、水下、地下、深空等區域，近幾年PNT技術呈現出多系統融合發展的特徵。2017年導航領域仍延續了這一發展特點。美、歐、俄、日、印各國仍持續推進衛星導航系統的建設，主要全球衛星導航系統（GNSS）採用了相近的頻段、相似的技術和相似的演進策略來適應用戶需求；同時為了應對衛星導航的局限性和多樣化的PNT需求，各種新興技術手段不斷湧現，PNT服務能力也正不斷向衛星導航難以到達的地下、水下等環境擴展。

1

全球導航衛星系統建設持續推進，歐洲和印度遭遇大規模星鍾故障

2017年，美國GPS III建設取得重要進展，首顆GPS III衛星完成全部測試並等待2018年發射；GPS下一代運行控制系統（OCX）實現重要進程碑，OCX Block 0交付給美空軍使用；歐洲伽利略系統再次以一箭四星方式成功發射4顆衛星，在軌衛星數量達到22顆；俄羅斯又發射1顆GLONASS-M衛星並計劃2018年首次發射新一代GLONASS-K2衛星；日本相繼發射3顆准天頂衛星系統（QZSS）衛星，完成了該系統的初步組網；印度在推廣本土定位導航系統過程中遇到波折，第八顆區域導航衛星系統IRNSS 1H發射失敗。

2017年，伽利略系統和印度區域導航衛星系統先後出現大規模星載原子鐘故障，對其後續衛星發射造成了一定影響。星載原子鐘是衛星導航系統有效載荷的核心部分，其性能決定著用戶的導航定位授時精度，因此這些故障事件引起業內廣泛關注。只有妥善解決了星鍾問題，才能保證這兩個系統的未來發展。

1.1

美國GPS III建設取得重要進展

GPS III是美國GPS系統現代化計劃的一項核心內容。隨著GPS IIF衛星於2016年部署完畢，2017年，GPS III的建設成為推進重點。GPS III載荷的技術挑戰已經解決，因導航載荷問題而推遲發射的第一顆GPS III衛星GPS III SV（01）完成全部測試，獲美空軍批准於2018年春發射；第二顆衛星GPS III SV（02）正在進行環境測試，計劃2018年初交付給美空軍；第三顆衛星GPS III SV（03）導航有效載荷已於2017年5月交付。

GPS III作為美軍下一代GPS衛星，其精度比以往提高了3倍，抗干擾能力提高了8倍，衛星壽命延長至15年，比目前在軌的最新型GPS衛星還要長25%。該衛星增加了新的民用L1C信號，可兼容其它GNSS系統，未來將提高商業和民用用戶的全球連通能力。GPS III衛星採用靈活的模塊化結構體系，未來隨著空軍任務需求的變化可以輕鬆插入新技術，可在衛星上增加專用軍事和民用載荷。

GPS III前10顆衛星均由洛克希德?馬丁公司建造，2017年11月，美國GPS理事會表示準備啟動後續22顆GPS III衛星的採購，並將其型號命名為GPS IIIF。同月，美國哈里斯公司宣布完成針對第11顆GPS III及後續衛星開發的全數字任務數據單元（MDU），這是GPS III衛星導航有效載荷的核心模塊，在前10顆衛星導航有效載荷的基礎上進一步改進了系統性能，可為美空軍提供更強大的信號和更高靈活性，能夠更好地適應先進GPS技術以及未來任務需求的變化。此外，新有效載荷還可實現與下一代地面控制系統OCX的平滑對接，降低了集成風險與成本。

GPS運行控制系統的發展決定著GPS系統服務性能與導航戰等各種功能的實現。OCX作為GPS新一代地面運行控制系統，其目標和任務是支撐未來以GPS III衛星為核心的GPS系統空間星座的運行。2017年，因成本嚴重超支而在2016年歷經風波的OCX重新步入正軌。2017年11月，OCX實現重要里程碑：Block 0發射與校驗系統（LCS）交付美空軍。Block 0強化了網路空間安全，支持GPS III衛星的發射和在軌校驗。LCS是具有完整系統能力的Block 1的基礎。Block 1精度更高並確保軍事用戶的抗干擾能力，能控制所有GPS傳統及現代化衛星與信號，包括新增的L1C信號和M碼，也能充分滿足信息保障/網路防禦需求。

目前，在GPS III任務準備活動中，任務操作人員已經開始使用LCS，其在預演與航天器檢查階段發揮了預期的作用。這也意味著美軍已為GPS III首顆衛星的發射做好了充分準備。

相比於當前地面控制系統，OCX實現了性能上的巨大飛躍，將支撐GPS現代化發展的M碼、L1C、L2C與L5軍民用信號投入使用。未來，OCX還將發展GPS靈活有效載荷支持能力，支持GPS系統在需要時實現在軌升級，增加新信號和新功能，為全面提升GPS系統未來軍民用服務能力、保持其在全球衛星導航領域的優勢地位奠定堅實基礎。

隨著GPS系統空間段和地面段的現代化推進，新一代軍用GPS用戶設備（MGUE）也陸續交付。2017年5月，羅克韋爾?柯林斯公司完成了向美國空軍交付770套M碼GPS接收機的任務。該GPS接收機為第五代飛機進行了針對性設計，可以提升當前GPS信號無法使用情況下的GPS功能。該公司還對用於智能武器的M碼接收機進行了測試。

1.2

歐洲伽利略衛星導航系統完全運行能力星座接近完成

伽利略導航系統2016年12月已開始提供初始服務，包括開放服務（OS）、公共管制服務（PRS）和搜索與救援服務（SAR）。為了實現伽利略系統開放服務的全面能力，還需研發支持OS導航電文認證的用戶終端。2017年歐洲航天局啟動了新投資，支持開發、測試伽利略開放服務認證用戶終端。伽利略系統開放服務將很快可以提供導航電文認證功能（OS-NMA），通過這一功能，用戶能夠驗證導航電文來自伽利略衛星而不是潛在的惡意源。預計2018年開始發射OS-NMA空間信號，2020年實現完全服務能力。

2017年12月，伽利略系統再次以一箭四星方式成功發射4顆衛星，衛星在軌數量達到22顆，這也意味著向完成伽利略導航星座部署又邁近了一步，下一次再發射4顆衛星後，伽利略導航星座將完成24顆導航衛星、2顆備份導航衛星的星座部署，達到系統完全運行能力的星座狀態，為系統在2020年前投入全面運行提供了保證。2017年，歐洲航天局還與德國、英國分別簽訂合同，增造8顆伽利略導航衛星，最終，該系統在軌運行衛星數將達到30顆。伽利略星座預計在2018年中期進行下一次發射。同時，歐洲航天局將與歐盟委員會、衛星系統局合作，開始伽利略二代以及其他未來導航技術的採購。

不過，伽利略系統在2017年的發展也並非一帆風順。2017年1月，歐洲航天局宣布伽利略導航系統原子鐘出現故障。系統一共有3個銣原子鐘和6個氫原子鐘停止工作，涉及到2個型號的5顆衛星，其中有一顆衛星上2個原子鐘出現故障。每顆伽利略配有4個原子鐘：2個銣鍾和2個氫鍾，但僅需1個原子鐘提供導航授時服務，其餘均為備份時鐘。

受此事件的影響，原計劃2017年8月發射的伽利略衛星推遲到了12月才發射。不過，2017年7月，歐洲委員會宣布已查明故障原因，並採取了相關措施降低已發射衛星未來再次出現故障的機率。歐洲航天局調查發現，銣原子鐘的故障由某個部件的短路造成。歐洲航天局已經採取了措施糾正一系列問題、制定計劃替換未入軌衛星上的銣原子鐘上的故障部件，同時改善氫原子鐘。按照歐洲委員會的說法，首批伽利略系統提供的服務目前乃至將來均不會受到故障原子鐘的影響，而且原子鐘故障不會影響服務性能。

1.3

俄羅斯發射1顆GLONASS-M衛星，計劃2018年首發GLONASS-K2衛星

2017年，俄羅斯保持了GLONASS系統的穩定運行。9月發射1顆GLONASS-M衛星，目前系統共有25顆衛星在軌，除兩顆新一代GLONASS-K1外，均為二代GLONASS-M衛星。其中24顆在工作，構成了完整的運行星座，1顆GLONASS-K1仍處于飛行測試階段。

俄羅斯在全球衛星導航系統建設上並不甘心落後。目前還有7顆GLONASS-M衛星待發射，其中6顆將通過L3頻段發射碼分多址信號。GLONASS與GPS和其他GNSS不同，其傳統信號採用頻分多址形式，目前僅有1顆GLONASS-M和2顆GLONASS-K1衛星在發送碼分多址信號。由於採用頻分多址方式的GLONASS系統難以融入多個全球導航衛星系統並存的格局，未來GLONASS有望逐步取消頻分多址信號，實現與GPS和伽利略的更好兼容與互操作。另外，根據塔斯社的報道，GLONASS-K2衛星將於2018年首次發射，2019～2020年間開始批量生產。GLONASS-K系列衛星是GLONASS系統的第三代衛星，包括K1和K2兩個型號，GLONASS-K1為GLONASS-M和GLONASS-K2間的過渡型號，K2在K1的基礎上進一步改進，將增加更多碼分多址信號。GLONASS-K2的發射將進一步完善俄羅斯導航系統，俄羅斯航天國家公司已經著手制定GLONASS 2021～2030年的發展計劃。

1.4

日本完成QZSS初步組網，印度第八顆導航衛星發射失敗

2017年，日本朝初步構建獨立的衛星導航系統邁進了一大步，從6月到10月，相繼發射了准天頂衛星系統（QZSS）第二、三、四顆衛星，完成了該系統的初步組網工作。

作為美國GPS系統的輔助應用，QZSS計劃2018年開始提供數據，定位精度可達1米；如果使用日本基準站接收數據，精度可達厘米級。這樣的精度對日本這個多山和高樓林立的國家來說至關重要。日本政府還考慮為QZSS增加3顆衛星，計劃2023年建成不依賴GPS的七星星座。

與之相比，印度航天在2017年遭受很大挫折。2017年1月，繼歐洲航天局宣布伽利略衛星搭載的多個原子鐘出現故障後，印度太空研究組織（ISRO）也透露，印度區域導航衛星系統（IRNSS）搭載的3個原子鐘出現故障。這3個原子鐘都搭載於IRNSS 1A衛星上，與歐洲伽利略衛星上出現故障的原子鐘來自同一銷售商。目前該衛星已無法發送精確導航信號，但其提供的導航報文還可以使用。

ISRO準備用第八顆導航衛星IRNSS 1H替換該故障衛星，不幸的是，2017年8月，IRNSS 1H的發射由於整流罩未能與火箭分離而未能成功。發射前，工程人員修復了IRNSS 1H衛星上的原子鐘問題。印度一直謀求獲得安全、可靠、支持軍事應用的衛星導航能力。IRNSS於2016年完成星座組網，目前共有7顆衛星在軌，主要目標是為印度境內及周邊1500千米區域內提供導航定位服務。除IRNSS 1A外，其他IRNSS衛星目前都能正常地提供精確位置、導航和授時服務。

2

衛星導航面臨日益嚴峻的抗干擾、反欺騙和反網路攻擊挑戰

衛星導航固有的脆弱性特徵導致其在複雜環境下生存能力不足，戰時易受到干擾和欺騙。隨著美國GPS技術在武器系統中的廣泛應用，近年來許多國家都開發了形式多樣的GPS對抗手段，成為各國軍隊戰時使用武器的巨大威脅。

據GNSS內參的報道，2017年6月在俄羅斯黑海新羅西斯克港附近的20多艘船隻受到了欺騙攻擊，船上GPS 系統顯示的船隻位置有誤。報道引用了美國海事局就此事件發出的安全警報和美國海岸巡邏隊的事件記錄，導航專家確認，這是一起欺騙攻擊事件，發出的假信號使接收機給出了錯誤信息。有英國媒體也詳細報道了這一事件，專家們認為，這是利用GPS誤導位置信息的首個例證。黑海事件意味著俄羅斯很可能在測試一種用於誘騙GPS的新系統。與GPS干擾相比，誘騙攻擊具有更強的欺騙性，地面基站發射的假信號會迷惑衛星導航接收機，使其給出錯誤的位置信息。雖然研究人員已提出了一些反欺騙措施，但反欺騙技術研究仍處於起步階段，還未見有成熟技術和裝備。

另外，美國專家指出，考慮GPS受到攻擊所產生的後果時，除了導航定位性能下降，還應考慮授時性能的下降，尤其是對於那些時間要求苛刻的場景和系統，更應重視這一問題。目前迫切需要軍方增強「時間彈性」，應考慮「時間戰」概念，確保能隨時獲得精確授時能力。

在2017年11月英國舉行的國際導航會議（INC）上，專家指出，未來幾年內GNSS面臨的最大威脅將是網路攻擊。網路攻擊中斷計算環境/基礎設施的工作，剝奪、破壞其工作能力甚至對其進行惡意控制。隨著複雜PNT系統的發展，衛星導航接收機系統功能也日益複雜，由於綜合了多種不同的PNT感測器，與傳統衛星導航接收機相比，系統更類似於一台計算機，這也意味著現代與未來軍用PNT將很容易受到當前與計算環境相關的各種網路攻擊。例如，目前很多GNSS接收機運行有嵌入式操作系統如VxWorks或Linux等，許多都支持TCP/IP和USB，產生了網路攻擊風險。

美空軍在推進GPS現代化項目過程中，通過軍用M碼信號、星上信號功率可調、新一代高速星間星地鏈路、點波束增強等技術將顯著增強GPS系統對抗環境下提供PNT服務的能力；下一代地面運控系統OCX未來發展重點包括了網路空間安全與信息安全。2015年啟動的新概念新技術驗證項目導航技術衛星NTS-3，主要目標之一便是演示驗證具有彈性的未來GPS系統。2017年，美空軍研究實驗室授予Braxton技術公司價值950萬美元的合同，提供NTS-3地面控制段，在未來軍事衝突中面臨電子干擾欺騙及網路攻擊時實現衛星導航系統的可靠運行。

3

大力發展GNSS降級/拒止環境下的替代PNT手段，將PNT服務範圍擴展到水下、地下

軍事行動在多種環境下進行，比如樓房、峽谷、茂密的樹叢、水下和地下，GPS信號很微弱或者無法接收。隨著軍事行動越來越多地在GPS信號拒止、不穩定或不易接收的區域展開，軍隊使用GPS系統從戰略優勢變成易受攻擊的弱點，因此除了增強GPS系統本身的彈性，以美軍為首的發達國家正在致力於發展PNT替代手段。

（1）

美陸軍繼續推進「有保證的PNT」項目，並向業界尋求GPS降級環境下的PNT新技術，確定了偽衛星等十一個關注領域

作為美國防部最大的PNT用戶，美陸軍極為重視發展穩健的PNT能力。2017年，為了應對GPS威脅的持續增加，美國陸軍持續推進「有保證的PNT」（A-PNT）項目，並舉辦A-PNT工業日活動，探索態勢感知感測器、晶元級原子鐘、抗干擾天線、天文導航等多種解決方案。為保證該項目的順利進行，2017年6月陸軍發布了多份信息徵詢書（RFI），希望能擴展PNT能力應對反介入和區域拒止作戰。

2017年11月，為增強陸上士兵作戰能力，美國陸軍又發布一項廣泛機構公告（BAA），向業界尋求GPS降級環境下的PNT新技術新方法，並確定了十一個關注領域，包括：偽衛星系統、車輛導航系統、慣性導航技術、最新定位技術、導航系統輔助感測器、導航感測器信息融合、導航仿生技術、PNT系統授時、PNT建模及模擬、導航戰應用技術、自主及人工智慧技術的PNT應用。

美陸軍將偽衛星系統作為支持及補充GPS信號的的近期解決方案。中等GPS降級環境下，利用偽衛星輔助獲取GPS信號。嚴重降級環境下，偽衛星可用作定位和授時源。美陸軍希望尋求多種技術不斷提升偽衛星的效能。對於徒步士兵和地面車輛平台，美陸軍的目標是開發、設計並演示驗證具有可伸縮性和可升級的車載PNT系統、加速度感測器和陀螺儀等慣性感測器和系統，在GPS降級或拒止環境下改善導航與授時精度。

美陸軍還關注採用開放、即插即用感測器融合架構，綜合來自多個不同導航輔助感測器的信息獲得最優PNT解。根據C4ISRNET網站2017年10月的報道，美陸軍正在開發一種感測器融合過濾器方案，可將任何感測器連接到過濾器上，過濾器了解是何種感測器、何種數據以及如何將之整合到單一PNT方案中。初步測試期間，美陸軍將開發一種可將GPS和慣性測量單元組合在一起的開放式框架。未來，該系統還將納入可用於視覺輔助導航的攝像機以及其他有助於確定位置和方向的感測器。採用開放式體系介面便於士兵在多個PNT系統間快速切換，也便於導航定位服務整合未來PNT系統和解決方案，士兵將能更快插入新技術。

如果美陸軍能成功開發一種開放式即插即用PNT資產環境，則意味著可以實時適應態勢變化，這種能力上的轉變將讓美軍在GPS降級/拒止等環境下具備重大戰術優勢，將增強美軍的靈活性，滿足各種作戰場景要求。每一平台、每一任務都可根據需求量身定製導航感測器，也讓對手無法確定平台上到底採用哪種感測器。

未來，人工智慧和自主技術也有望應用到PNT方案中，為作戰人員提供更先進的能力，如利用人工智慧適應環境變化並對變化作出響應以及進行感測器數據智能融合等等。

（2）

諾斯羅普·格魯曼公司與美軍合作，演示新型全源自適應融合導航技術，保證GPS拒止環境下導航服務

2017年，諾斯羅普·格魯曼公司在一系列與美空軍、海軍合作完成的演示中，驗證了其開發的新型全源自適應融合高速導航技術，它能在不使用GPS衛星信號的情況下將軍用飛機和機載武器系統安全、精確地引導至固定（陸地）和移動（艦基）目標位置。這種絕對（固定）和相對（移動）導航技術將保護美軍大量關鍵任務不受GPS拒止環境的影響。情報、監視與偵察、貨物運輸、全天候瞄準和攻擊等任務都將受益於這項新型GPS拒止導航技術。該新型技術採用高速演算法和硬體，利用從多種來源（包括雷達、光電/紅外、光探測與測距、天體跟蹤、磁力計、高度計等其他可能信號）收集的數據生成導航解。

（3）

PNT服務能力將向水下、地下等區域擴展

導航定位是軍用水下航行器應用的關鍵技術，也為各類海洋活動如海底測繪、資源開發、深海探測等提供基本保障，但水下信息傳輸限制以及部分水下任務的隱蔽性需求制約了衛星導航信號的應用。美國海軍在2016年發布的新版《水下戰科技目標》中新增加的一個重點關注領域就是水下精確定位導航授時，指出「未來水下裝備需要新的定位導航授時方法，在敵方拒止區域將定位導航授時誤差降至最低」。2017年2月，美國海軍空間與海戰系統中心與GPS理事會以及GPS技術工作組（TWG）成員（包括澳大利亞、挪威、瑞典、丹麥與荷蘭）發布信息徵詢書，表示了對軍用水下導航系統（MUNS）的高度關注。MUNS綜合運用GPS信號（通過浮動天線）和其他感測器輸入維持水下導航定位，實現隱蔽作戰。美海軍正在為這種能力尋求潛在資源，希望確定當前以及未來MUNS兼容系統的可用能力。

美國防先進研究計劃局（DARPA）繼2016年啟動深海導航定位系統（POSYNDON）項目後又將目光轉向了地下。地下作戰涉及到人造隧道、地下城市基礎設施、天然洞穴等，隨著地上商業和軍事情報監視偵察（ISR）能力的不斷增強，敵方活動也越來越多地轉向地下以規避探測。全球城市化進程的加速使執行地下搜救任務的救援人員也面臨著危險地下環境的挑戰，如能見度低、通信困難、難以進入和不可預測的地形等。2017年DARPA發布了「動態地形」項目信息徵詢書，尋求開發突破性技術，實現未知複雜地下環境中的快速測繪與導航。

DARPA非常關注涉及地圖解析度、導航速度、搜索準確性、系統成本等方面的創新概念、方法、架構和技術，希望尋求崎嶇和動態地形現場測繪和導航方案等技術，為作戰人員和救援人提供前所未有的能力。

4

結語

目前，全球衛星導航已初步形成了多系統共存的局面，兼容與互操作成為基本的發展需求，提升軍事服務能力仍一直是系統發展的核心。2017年，儘管擔憂衛星導航系統的脆弱性，各國發展和應用衛星導航系統的積極性並未受到影響，獲取對抗條件下的PNT優勢已經成為導航大國追求的目標。面對未來威脅環境的發展，以衛星導航系統為主，多種PNT技術融合發展的特徵更加明顯，為了繼續佔據技術優勢地位，一直走在前沿的美軍正在積極發展開放式PNT系統體系，保證不管在何種GPS環境下都能隨時提供PNT能力。作戰環境和用戶需求的多樣化發展，正促使PNT服務能力向GPS服務難以到達的水下、地下等環境擴展，開放體系、多源融合成為未來軍用PNT技術發展的重要趨勢。

電科小氙

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