對於依賴全球導航衛星作為唯一定位、導航與授時（PNT）信息源的用戶而言，在導航衛星因故障、敵對打擊或干擾等原因無法提供服務或所處位置難以接收衛星信號時，將可能面臨致命的災難。美國DARPA新一代PNT系統建設已經取得初步成果，戰場上的終端用戶將具備高精度自主導航能力，從而擺脫對衛星和網路的依賴。從路徑創新出發，重視研究新機理、研製新設備、開發新演算法，才能在自主時空戰略能力構建中真正擺脫對國外技術的依賴。

2017年7月的黑海事件中約20艘艦船據稱受俄羅斯設備干擾偏離預定位置25海里

一、美軍新一代PNT體系的建設進展

（一）規劃國家PNT體系，增強對抗性環境下PNT服務的完備性

美國政府研究認為，GPS 系統固有的脆弱性與局限性，使其難以全方位地滿足國家安全、經濟發展、基礎設施穩定運行與民眾日常生活的 PNT 需求。為了解決美國高精度 PNT 服務在可用性、可靠性面臨著的潛在威脅，美國聯邦政府相繼出台了《聯邦無線電導航規劃》（國防部、國土安全部與運輸部，2005）《聯合PNT能力文件》（美國戰略司令部，2006）《國家PNT架構研究》（原國家太空安全辦公室，2008）《國家PNT體系執行計劃》（國防部與運輸部，2010）等文件，提出了國家PNT體系的概念，制定了面向2025年的國家PNT體系建設路線圖，明確了國家PNT體系建設的重點，一是物理遮蔽環境下安全、可靠、實時的PNT能力；二是電磁干擾環境下安全、可靠、實時的PNT能力；三是滿足更高精度和完好性需求的能力；四是當PNT信號變弱或有誤時的及時預警、報警能力；五是高空或太空定位和定向的能力；六是用戶及時接入地理空間信息，進行導航的能力；七是確定遮蔽條件對PNT影響的建模能力。在國家安全空間辦公室（NSSO）的主導下，美國國防部與運輸部聯合發布的《國家PNT體系執行計劃》制定了2025年前國家PNT體系建設路線圖，並對國防部相關下屬機構及運輸部、商務部和內政部等共31個聯邦機構進行了任務分工。國防部在GPS系統的基礎上，以自主導航、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管理機構，在以GPS系統為首先方案並利用天基（WAAS）、地基(國家和全球差分GPS)增強系統提升服務性能的同時，部署和建立「增強型羅蘭」（e-LORAN）等GPS備份系統。

（二）PNT關鍵組件研發投資力度加大，主要項目通過實驗室驗證

PNT關鍵組件技術、材料和製造工藝的研發由國防部DARPA的微系統技術辦公室（MTO）主導，主要項目有微型定位導航與授時技術（Micro-PNT）、高穩定性原子鐘（ACES）等。Micro-PNT於2010年1月啟動，主要是利用微機電系統（MEMS）的微型化技術來開發高度小型化、精度更高、穩定性更好的晶元級陀螺儀和時鐘，以及充分集成的授時和慣性測量裝置，將提供研製自旋穩定彈藥的基礎，其子項目主要包括授時和慣性測量裝置（TIMU）、微型速率積分陀螺儀（MRIG）、活動層的主次校準（PASCAL）、晶元級組合原子導航儀（C-SCAN）。Micro-PNT項目主要合作夥伴有Qualtre公司和Honeywell Aerospace公司等，2015財年一度停滯，近期隨著新增經費的投入，導航級的MEMS陀螺儀已經通過了實驗室驗證。高穩定性原子鐘（ACES）於2016年初啟動，旨在取得抗精度削弱方面的突破，設計和製造出新一代超低功耗、超高穩定度的原子鐘。根據DARPA發布了廣泛機構公告（BAA），ACES項目總預算達到5000萬美元，計劃分三個階段實施，最終目標是將所有電子組件集成到50立方厘米的體積內，重量在100克以內，性能則是當前原子鐘的一千倍。

（三）PNT系統級預研項目進展順利，為裝備開發和部署奠定基礎

PNT系統級預研由國防部DARPA的戰略技術辦公室（STO）主導，主要項目有自適應導航系統（ANS）、對抗環境下的空間時間與方向信息（STOIC）、精確魯棒慣性制導彈藥（PRIGM）等。ANS系統於2011 年啟動，包括開發冷原子干涉陀螺儀的「精確慣性導航系統」（PINS）項目，尋求用於雷電等外部機會信號校準導航源和開發導航新演算法與軟體結構的「全源定位與導航」（ASPN）項目，合作夥伴為Leidos公司、SRI公司和喬治亞理工學院等。ANS系統已先後完成了平台演示驗證和端對端的演示驗證，將能夠滿足室內、「城市峽谷」、叢林、水下、地下等弱衛星信號環境及強對抗戰場環境的PNT需求。在「量子輔助感知與讀取」等項目研究成果的基礎上，STOIC系統於2015年春季開始，主要包括開發遠程魯棒的參考信號源、漂移小於1納秒/月的新型光學時鐘和實現在不同戰術數據鏈間的精確時間轉換等。STOIC項目的合作夥伴包括Argon ST公司、Leidos公司、Draper實驗室以及佛羅里達大學等，現已完成了第一階段的概念設計、行業研究、分析、建模、模擬和用於概念驗證的數據收集等工作，即將轉入到第二階段，進行詳細設計並開發樣機系統。PRIGM項目於2016財年啟動，主要由諾斯羅普·格魯曼公司承擔，計劃投入1630萬美元，將應用到Micro-PNT項目的研發成果，其中導航級慣性測量裝置（PRIGM:NGIMU）在武器系統中的應用導航級微機電系統，實現在GPS拒止環境下的彈藥制導功能；先進慣性微型感測器（PRIGM:AIMS）計劃實現光子技術和微電磁系統的集成，實現彈藥在發射和飛行階段的導航功能。

（四）A-PNT系統開發由陸軍主導，距實戰化部署僅一步之遙

PNT是陸軍大量信息系統的關鍵支撐，固定頻率的GPS系統受威脅和戰爭環境的影響，難以保證作戰人員訪問的完整性，僅用 GPS無法滿足地面戰場上信息系統對PNT可靠性的要求。為此，美軍參聯會負責統籌軍事需求的聯合需求監督委員會（JROC）於2010年4月5日發布了「批准可靠PNT（A-PNT）初始能力文件」的第049-10號備忘錄，同時指定陸軍作為A-PNT能力開發的主導軍種，在GPS系統受限制或無法訪問的情況下，為部隊提供可信的PNT信息。2014年7月，陸軍需求評審委員會（AROC）批准了A-PNT初始能力開發文件，該項目正式進入裝備採辦的技術開發階段。2015年初，美陸軍成立了直接向採辦、後勤和技術（ASA/ALT）副部長負責的PNT項目辦公室，推動從傳統GPS能力向A-PNT能力的轉型。2016年8月，美國陸軍成立快速能力辦公室（RCO），將A-PNT列為其三項重點任務之一。A-PNT共包含四個子項目：1）利用地面無線電導航提供類似GPS服務的偽衛星項目；2）為固定位置與車輛平台提供、保護和分配PNT服務的乘車PNT項目；3）為士兵提供、保護和分配PNT服務的徒步PNT項目；4）在威脅環境下保護GPS信號和增強PNT可靠性的抗干擾項目。2017年6月，陸軍快速能力辦公室負責人威爾遜·肖夫納少將稱，繼電子戰系統項目完成作戰試驗與鑒定，進入生產與部署階段後，首個A-PNT項目將在2018年初的「網路集成鑒定」（NIE）演習中接受作戰評估，距實戰化部署僅一步之遙。

二、影響與挑戰

（一）採用開放式體系架構，將增強複雜環境適應性

針對GPS的廣泛應用，以及存在眾多不同體制GPS增強系統及非GPS導航系統的現狀，美國制定了開放式PNT體系架構的「較大公分母策略」（Greater Common DenominatorStrategy），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，而不是採用大量用戶定製的系統；鼓勵發展多機理技術，盡量採取可交換方案，以保證PNT的穩健性和對多樣化資源的利用率；追求PNT與新興通信技術的融合；促進跨機構協同和提升信息共享水平。

作為國防部長辦公室「PNT開放系統架構倡議」的重要組成部分，美國陸軍通信電子研發與工程中心（CERDEC）新興技術辦公室正在與空軍理工學院（AFIT）聯合開發以「蠍子」（Scorpion）軟體為核心的「即插即用」感測器開放式架構，以實現對GPS、基於陀螺儀與加速度計的IMU、視覺輔助導航設備，以及車載攝像頭等原本不同用途感測器的集成與快速切換。作戰人員能夠根據實際擁有設備的不同，在GPS無法提供服務的環境下，靈活地選擇相應感測器所提供的位置與導航信息，將顯著增強對複雜電磁環境和物理屏蔽環境的適應性。

（二）擺脫對GNNS的依賴，將形成非對稱信息優勢

全球衛星導航系統國際委員會（ICG）認為電磁環境已成為制約 GNSS實現其預定功能和性能的關鍵因素。受廣播發送、信號功率小、穿透能力差、衛星星曆及信號頻率公開等固有因素制約，GNNS信號在抗電磁干擾方面異常脆弱。除了能夠干擾或摧毀GNNS星座的電磁脈衝與反衛星武器外，針對GNNS接收系統的低成本、低功耗干擾技術已呈現全球擴散趨勢，使得這種關鍵信息優勢所面臨的風險不斷增加。功率僅4W的GPS干擾機就能對145km外的機載GPS接收機造成干擾。據美國《基督教科學箴言報》披露，2011年12月4日，美國空軍投入阿富汗戰場不久的一架RQ-170「哨兵」無人機就是因遭到通信干擾和GPS信號欺騙，被伊朗軍方成功捕獲的。研發GPS干擾對抗設備的美國Exelis公司負責人稱，在網上只需花25美元就可購買到能夠屏蔽一輛汽車周圍GPS信號的干擾機。

當前，歐盟、俄羅斯、日本和印度等國都在積極研發各自全球或區域衛星導航系統，我國北斗三號全球組網衛星也已進入密集發射階段，在定位精度和短報文服務方面甚至呈現後來居上的態勢。美國軍方在推動保護（Protect）、強化（Toughen）和增強（Augment）GNNS計劃（即PTA計劃）的同時，匯聚多家國防部機構與聯邦政府部門、頂級大學和軍工企業的力量，啟動新一代PNT計劃，積極尋找GNNS替代方案，謀求保證在GPS衛星出現故障、遭敵打擊或干擾等情況下，依舊能提供穩健、可靠、高精度的PNT服務，將形成新的軍事信息系統非對稱優勢。

（三）開闢PNT的新路徑，將有效牽引顛覆性基礎研究

面對武器系統在對抗環境下，向自主長航時高精度方向不斷發展的需求，開闢不依賴GNSS的PNT新路徑進一步對量子信息技術等顛覆性基礎研究形成有效牽引。隨著電子技術、光學技術、小型化低成本技術的發展，光纖和激光陀螺儀逐漸替代傳統的機電陀螺儀，微慣性導航技術、量子導航技術、脈衝星導航技術、自適應導航技術等不依賴GNSS的導航技術逐步成熟。基於量子探測技術的冷原子感測器在替換傳統陀螺儀後，將使其隨機漂移降低到10-9～10-7度每小時，使不依賴衛星的導航精度至少提高100倍，從而滿足深海持續航行等方面的需求。基於量子信息科學的時准設備，如美國國家標準與技術研究院的量子邏輯鍾是全球最準確的時准設備之一。美國國防部2013-2017年科技發展「五年計劃」已將量子信息與控制技術列為未來重點關注的六大顛覆性基礎研究領域之一，重點投資精密導航、精確授時和安全量子網路等在國家安全領域的應用。2016年7月，美國國家科技委科學委員會和國土與國家安全委員會聯合發布報告《推進量子信息科學發展：國家的挑戰與機遇》，也把探測與計量列為量子信息科學影響最大的領域之首。

三、推進自主時空戰略能力構建的對策建議

（一）強化衛星導航系統抗干擾能力，確保北斗系統PNT服務的可用性

（二）推進國家綜合PNT體系構建工程，實現「多元智能化」的PNT服務模式

（三）聚力攻關基於量子效應的精密測量，搶佔未來PNT產業的技術制高點

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