美國空軍「授時戰」概念分析

原標題：美國空軍「授時戰」概念分析

本文轉載自海鷹資訊（ID：hiwing_news）

作者：葛悅濤 薛連莉 李婕敏

本文刊載自《飛航導彈》2018年第5期

引 言

據報道，美國空軍戰略與技術中心研究人員提出了「授時戰」的概念，並提出美軍需重視定位、導航與授時（PNT）中的授時信息。2017年11月24日，美陸軍在FBO網站發布廣泛機構聲明（BAA），尋求業界開發定位導航授時（PNT）技術新方法，增強陸上士兵作戰能力，列舉了十一項關注研究領域，其中第八項便是關於PNT系統授時，目標是推進陸軍應用的準確授時源和時間傳輸技術。所有的這些舉措均表明，美軍越來越重視「授時戰」的概念。

「授時」是指將標準時間傳遞給用戶，以實現時間統一的技術手段。授時錯誤將會導致一系列的服務出錯，帶來深刻的影響。2017年1月18日，歐洲伽利略衛星導航系統在軌運行的18顆衛星上9台原子鐘出現了故障並停止運行，甚至到了危及系統安全的地步。2017年6月28日，印度IRNSS衛星導航系統6顆衛星上的4個原子鐘出現了故障，面臨了提供數據的困難。2015年6月30日和2016年12月31日，我國北斗二號衛星導航系統在兩次閏秒調整期間，出現了部分授時時鐘顯示錯誤問題。

本文將從美國1994年提出的「導航戰」入手，闡述本次美國提出的「授時戰」的能力要求，繼而分析「授時戰」帶來的影響。

1．美軍「導航戰」概述

在定位、導航與授時（PNT）體系中，美國一直以來對「定位、導航」的重視程度都比「授時」的重視程度高。早在1994年，美國國防部支持聯合電子戰中心（JEWC）為美國軍用GPS接收機研究電子防護和抗干擾相關技術和戰術。針對當時先進的電子干擾等技術已經對美國GPS構成了威脅，在JEWC相關研究的基礎上，1995年，美國國防部成立了Rockwell、BDM、collins、E-System和SRI等幾家公司組成的研究小組，開始研究關於「導航戰」的計劃。1997年，美軍在英國召開的「GPS應用研討會」上正式提出了「導航戰（NAVWAR）」的概念，使「導航戰」成為繼「電子戰」、「信息戰」及「網路戰」之後提出的新型作戰樣式。美軍將「導航戰」定義為：在複雜電子環境中，確保己方和友方能夠有效利用衛星導航信息，阻止敵方使用衛星導航信息，同時不影響戰區外和平利用衛星導航信息。

作為現代無線電(包括衛星)導航系統的關鍵，無線電和數字編碼(通信)技術都涉及信號頻率及其準確度問題。而時間、時間技術、時統設備（如高精度原子鐘）又是這些導航系統的核心。可以說，無論陸基羅蘭導航系統或是天基GPS、GLONASS、伽利略和北斗衛星導航系統，它們都離不開精確時間，同時又在廣裹範圍為大眾提供高精度授時和時間服務。

圖1 美軍「導航戰」及其組成

2．美軍「授時戰」分析

2.1 授時需求分析

根據應用領域不同，授時服務可分為軍用和民用用戶兩種。民用授時主要包括了電力系統（運行調度、故障定位、電力通信網路）、通信（移動通信基站、個人用戶位置服務）、公路交通（道路導航、救援、車輛管理）、航海（航海導航、港口疏浚、航道搜救、航道測量）、測繪、防震救災（地震觀測、地震調查、地震救助、勘測、應急指揮）、公安（戶籍管理、交通管理、警衛目標保障、緝毒禁毒、反恐維穩、巡邏布控、安全警衛、指揮調度）、林業（森林防火、森林調查）、廣播電視、氣象、信息業、激光測距、科研等，這些應用對時間精度的需求範圍從秒量級、到納秒量級，甚至到皮秒量級；軍用授時則主要用於信息化作戰裝備、主站武器平台、大型信息系統等方面，對時間精度的需求範圍從從秒量級到納秒量級。隨著信息時代的發展，時間信息幾乎是所有行動的基礎，針對越來越複雜的環境，如干擾和欺騙，對授時服務的抗干擾性、抗摧毀性也提出了更高的要求。

2.2 對授時系統的干擾方式

對於授時系統的干擾，主要考慮星基無線電導航系統的干擾，對於典型的衛星導航系統，干擾對象主要包括空間段、控制端和用戶端三個部分。空間段的干擾，主要包括物理摧毀衛星授時系統，或通信信道干擾衛星授時系統正常的授時通信；控制端是指衛星導航系統的地面控制部分，包括衛星主控站、注入站、檢測站等，對其進行物理摧毀或者干擾，可以終止地面運控系統對衛星的控制，使得衛星授時系統無法正常運行；對用戶區域實施局部壓制（瞄準式干擾、阻塞式干擾和相關干擾等）或者欺騙（產生式和轉髮式等）電子干擾，達到對用戶端干擾的目的，使得被干擾用戶無法正常使用衛星授時系統，或收到較大的授時誤差。在物理摧毀和干擾的過程中，相關元器件還可能發生故障甚至損壞，從而無法在較長一段時間恢復正常的時間同步功能。

2.3 美軍「授時戰」相關能力要求

美國空軍研究人員提出，實際上GPS提供的是授時信息，GPS的導航和定位信息都是由接收機從授時信息導出的。美國國土安全部第21號總統政策指令所確定的16個關鍵行業中，就有11個依賴於精準授時。授時在軍民領域都有著極為廣泛的用途。授時功能如此重要，所以美軍從以下幾方面來提高授時的抗干擾能力：

做好授時的各項工作

首先，美軍應該意識到要想確保精準授時，當前的防護措施存在很多不足，需要做更多的防禦工作。美軍必須要像重視「導航戰」那樣來重視對待「授時戰」，需要排查導致多種導致威脅到授時功能的途徑，威脅不僅僅包括了電子攻擊，還包括很多其他方面的威脅攻擊。為此，美軍需要建立干擾授時的防禦基礎設施和網路戰設施，並提高、維護授時資源和授時分配。同時還要做好對敵授時攻擊的工作，使得美軍的各個軍中和所有軍事功能佔有絕對的優勢。

提升授時的地位，將授時從PNT中拆解出來

其次，美國國防部應該提升授時的地位，將授時從PNT中拆解出來，使得精準授時工作不再被政策、規劃、條令等忽視。其實，授時功能與PNT中的導航與定位並不是密不可分的，有很多的測量和授時分配的方法都完全是不依賴於GPS和其它導航系統的，比如DARPA的晶元級原子鐘項目和高穩態掌上原子鐘項目。

選定一個專門機構負責「授時戰」相關作戰行動

第三，美軍需要選定一個專門的機構來負責「授時戰」相關的作戰行動。如果和「導航戰」一樣選擇JNWC的話，應該將其名字改為聯合授時戰中心（JTWC），來全面體現PNT的任務職能；同時，該機構還應該從美國戰略司令部下屬的聯合太空業務司令部分離出來，弱化授時對於GPS天基導航系統的依賴，移交給美國戰略司令部，以強調「授時戰」的重要性。

高度重視授時相關威脅

精準授時技術對於美國的國家安全和日常生活具有非常廣泛的影響，目前GPS運行良好，但授時系統很脆弱，這存在著很大的風險，美國國防部必須要對授時相關威脅予以高度重視。

2.4 授時相關項目

美國高級研究計劃局（DARPA）推出了精準授時的相關項目，主要包括：1）量子輔助感測與讀取（QuASAR）項目；2）超快激光科學與工程（PULSE）項目；3）定位、導航與授時微技術（Micro-PNT）；4）對抗環境中的空間、時間和方位信息（STOIC）項目。

QuASAR項目

該項目目標是研發工作在低於或接近於標準量子極限下具有魯棒性和可移植性的原子鐘。目前，高精度原子鐘只能在實驗室固定環境下工作，QuASAR研究人員已經在實驗室環境下開發出了光學原子鐘，其在50億年內的誤差小於1 s。通過研發可移動的原子鐘，提高GPS的精確度，開發新型雷達、激光雷達和測量系統等。

PULSE項目

該項目目標是利用超短脈衝激光技術提升原子鐘和微波源的精度，以實現遠距離的時間和頻率精確同步。如果PULSE項目取得成功，那麼全球範圍內都可以共享最精確的光學原子鐘授時。

Micro-PNT項目

Micro-PNT項目包含多個子項目，其中關於微型時鐘的項目有晶元級原子鐘（CSAC）、綜合微型主原子鐘技術（IMPACT）以及增強穩定性原子鐘（ACES）項目。

CSAC的目標是開發超小型、低功耗的原子時間和頻率基準單元，其穩定性優於1×10-11，體積小於1 cm3，功耗小於30 mW。美國早在2002年就開始發展CSAC，Microsemi公司、Sandia實驗室、Draper實驗室等11家單位參與了該項目。在DARPA啟動Micro-PNT項目之前，就已經取得了豐碩的成果。2011年1月上市的CSAC型號為CSAC SA.45 s，功耗為125 mW，整機（含電路板）體積約為16 cm3，質量35 g，Allan方差小於5×10-12 /h。

IMPACT的目標是構建小型化、低功率、集成微型主原子鐘，改進微型原子鐘的穩定性和精確性。IMPACT技術將使原子鐘的尺寸大幅減小、功耗大幅降低。目前已經實現了功率低於250 mW，時間誤差小於160 ns/d的性能指標。由於主原子鐘一般用於提供絕對時標，於是，精度和可靠性有望比晶元級原子鐘高兩個數量級。未來，可望實現尺寸5 cm3、功耗50 mW、Allan方差1×10-13 /h、穩定度優於5 ns/d的晶元級原子鐘。

ACES是DARPA於2016年發布的一個新項目。項目以及總經費為5000萬美元，從2016年8月開始，DARPA先後與8家公司簽訂了合同，要求對方為GPS無效環境中的電池供電的攜帶型應用領域開發小型、輕型及節能的原子時鐘。該項目重點關注兩大領域：研製一部滿足技術指標的集成原子鐘樣機以及進行備用原子鐘體系結構、部組件技術和探詢方法的基礎研究。

STOIC項目

該項項目的目標是開發對抗環境下的與GPS相當的超穩定戰術時鐘。STOIC具有與GPS系統相當的定時和定位精度，包括三個主要元素：遠程健壯的參考信號，極穩定的戰術時鐘以及為多用戶提供PNT信息的多功能系統。

總的來說，美軍對於授時雖然沒有像定位與導航的重視程度高，但是仍然給予了相應的經費支持，主要關注授時系統的高精度、小型化、低功耗、穩定性、魯棒性、可移植等，而缺少對於授時系統的抗干擾、防欺騙的研究。依據「授時戰」的思想，未來將會出現更加完善的授時系統攻防項目，以贏取未來戰場的時間權。

3 .「授時戰」帶來的影響

人類的日常生活、經濟活動、科學試驗、國防等領域都需要在統一的時間基礎上進行，因此需要建立標準時間產生、保持、傳遞和使用的完整體系，而對於時間精度的要求從秒級到納秒級，甚至皮秒級。

美國授時戰帶來的國民經濟方面的影響

隨著全球信息化程度的提高，需要精確授時的領域越來越多，如電力、通信、交通、通信網路、銀行、地震監測、氣象預報等，授時體系對於國家經濟命脈、國家安全至關重要。如電力網採用衛星授時的方法實現同步，整個電力網具有成千上萬個節點，電網的運行自動化系統、故障錄波器、微機繼電保護、時間順序記錄裝置、運行報表統計、電網運行設備的操作以及電網發生事故時間等，都要求電網有一個統一的時間標準，需要標準時鐘提供統一的標準時間信息，一旦授時系統被攻擊，則會造成整個國家電力系統癱瘓，無法正常運行。

美國授時戰對軍事帶來的影響

在現代化戰場上，時間信息幾乎是所有作戰行動的基礎。精確的時間同步，是各類武器裝備、平台、各級作戰指揮系統兼容、信息融合的基礎。在整個指揮作戰迴路中，要形成陸、海、空、天、電跨域、實時、可靠的態勢信息，實現各級指揮所之間的數據信息交換，實現計算機數據通信網與武器系統平台之間的互聯、互通、互操作，均需要各類武器裝備、偵察監視平台、數據鏈、指揮網路之間實現精確的時間同步。唯有精確授時，才能夠使「發現即摧毀」的快速協同作戰成為可能。因而，在作戰中，一旦敵方授時系統被干擾，將會造成整個作戰迴路的時間不統一，指揮部無法對部隊實現準確的指揮、控制，作戰人員對武器系統之間也無法做到時間上的精確控制，武器系統則無法實現有效、準確、可靠的打擊。因此，攻擊敵方的授時系統可快速擾亂敵方的指揮作戰秩序，為實現其它攻擊提供優勢，達到事半功倍的效果。

美國1974年初步建成了GPS系統並投入使用，且一直在不斷完善中，各軍事強國也相續建立了自己的衛星導航定位系統，但現在美國GPS III仍處於國際領先地位。自「導航戰」以來，各國都在研究定位導航系統相應的攻防技術與裝備。美國「授時戰」的提出，將會帶來軍民領域深刻的影響。可以期待，未來幾年將會是授時領域研究的高潮。

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