国际防务

2018年国外军事导航领域发展综述

转自:电科小氙    作者:丁雪丽

 

全球导航卫星系统(GNSS)是大多数国家现在和未来定位、导航、授时(PNT)体系中的核心基石。2018年,美国、欧洲、俄罗斯等继续完善和推进卫星导航系统建设,全球导航卫星系统建设步入新阶段。值得注意的是,为了摆脱对国外系统的依赖,英国和韩国均提出要建设自己的卫星导航系统。另一方面,为了继续掌握未来战场导航权,避免过度依赖GPS而带来的巨大风险,美军在推进第三代GPS系统建设的同时,继续寻求各类补充PNT解决方案,维持在PNT领域的技术优势。具有发展潜力的新型导航技术包括脉冲星导航和量子导航2018年也有所突破。

1全球导航卫星系统建设步入升级换代阶段

2018年,全球导航系统系统开始步入升级换代阶段。美国空军发射了GPS第三代导航系统(GPS III)首颗卫星,开启了GPS III系统建设新纪元;欧洲伽利略系统完成现阶段部署并布局二代系统;俄罗斯GLONASS系统以提升信号精度和可用性为目标,发射两颗二代GLONASS-M卫星,并计划2019年发射新一代GLONASS-K2卫星;印度成功发射区域导航卫星系统补充星IRNSS 1I,寻求继续扩展IRNSS的能力,并将其与通信、地球观测卫星服务结合使用,创建可与GPS和伽利略系统相匹敌的能力;英国、韩国也提出建设自主卫星导航系统,满足国家安全需求。

1.1
美国即将进入GPS III时代

2018年12月23日,由于技术和天气原因而多次推迟发射的GPS第三代导航系统首颗卫星终于成功发射进入中地球轨道,此次发射也被美空军称为“一个新时代的开始”。

目前,洛克希德·马丁公司正在生产第一批10颗GPS III卫星。第二颗GPS III卫星也已完成所有测试,已具备发射升空条件,计划于2019年初发射。第三到八颗卫星处于不同的组装和测试阶段。新的GPS III卫星能力有明显提升:卫星寿命延长至15年,是二代星使用寿命的2倍,精度较之前的二代卫星提高了3倍,抗干扰能力提高了8倍。三代星可以依据需要,迅速关闭向特定地理位置的导航信号发送,一代星并不具备这种能力,二代星要关闭特定地区的导航信号也极为繁琐。GPS III还增加了新的L1C民用信号,将首次实现同其他国际全球导航卫星系统的兼容互通。随着三代星的发射,美国将制定新的用户端接收机标准,新的接收机使用者将可通过欧洲的“伽利略”系统及其它系统进行定位,进一步提高定位精准度。

GPS III卫星性能的提升,主要归功于其先进的导航载荷。该载荷由哈里斯公司提供,特点是包括一个任务数据单元(MDU),其70%采用数字化设计,连接原子钟、辐射加固计算机和强大的发射机。到2018年秋,洛克希德·马丁公司已经成功将五套导航有效载荷分别集成到五颗GPS III卫星上。2018年11月1日哈里斯宣布交付第六套载荷。

(1)天基段:启动GPS IIIF新型抗干扰卫星建设

美国空军计划在未来20年发射32颗GPS III卫星,全面替换目前在轨运行的二代星。随着外太空战愈演愈烈,美空军对GPS III卫星的最新优先考虑事项是增强抗干扰能力。2018年9月,空军授予洛马公司价值72亿美元的合同,制造22颗GPS III“后续”(GPS IIIF)卫星。相比于第一批GPS III卫星,GPS IIIF将提供更高的精度、抗干扰能力和弹性,具体而言:

● 提供区域军事保护能力,提高GPS在战场上的抗干扰能力,确保美军和联军部队在敌对环境下能够接入GPS;

● 增加了搜救载荷,提升全球搜索救援行动的及时性;

● 增加了激光后向反射阵列载荷,将实现精确测距,实施统一S波段能力解决测控频率的统一问题;

● 重新设计了核辐射探测系统(NDS),缩减了总体尺寸和重量;

● 相比于前10颗卫星实现了70%的数字化,GPS IIIF卫星将采用全数字化导航有效载荷,导航载荷设计已于2017年完成。

在首批10颗GPS III卫星生产制造中,美空军经历了一系列挫折和计划延迟。GPS IIIF卫星计划则采用了完全不同的管理结构,进展会更快。新卫星研发将于2019年启动,并于2026年交付第一颗新型GPS IIIF卫星,美空军称之为GPS III的“新起步”。

(2)运行控制段:加紧建设新一代运控系统并推进现有运控系统“应急”升级

卫星发射与地面控制设备进度不一致仍是GPS III项目中的风险因素。为了配合GPSⅢ卫星发射任务,保障卫星能够正常运行并进行在轨测试,美空军继续加快GPS III下一代运行控制系统(OCX)研制。美国空军和OCX主承包商雷声公司经重新协商将OCX Block 1最终交付日期定在2021年6月。在OCX研制完成前,可能会有7颗GPS III卫星入轨运行。

OCX研制团队计划在2019年完成OCX软件开发。雷声公司组建了一个软件开发团队,利用Amazon Web服务云平台进行软件开发和测试。OCX虽然主要是一项软件开发工作,但需要在分布在全球的监测站安装新接收机,以监控所有GPS信号。2018年夏取得的重大进展是监测站接收机成功通过认证测试,将于2019年开始部署。

OCX Block 0 2017年已交付给美国空军,目前美国空军正在使用Block 0支持GPS III首颗卫星的发射和在轨校验。GPS OCX设计最主要的目的是提高地面段的网络安全性。OCX实现了全部美国防部8500.2深度防御信息保障标准,是目前美军航天系统中网络安全保护级别最高的系统。2018年4月和5月,OCX(Block 0)先后通过了两次网络安全测试,全面验证了其安全性。

在OCX Block 1可用之前,美空军将使用升级后的传统地面系统将GPS III卫星集成到运行星座中,并更早开始测试GPS III的一些先进功能。空军正与洛克希德·马丁公司合作,在“GPS III应急运行(COps)”和“M码早期应用(MCEU)”项目下对现用的GPS星座运行控制系统进行“应急”升级。

洛马公司表示,地面运行控制系统的升级工作将于2019年5月完成,M码早期应用软件于2020年完成。首颗GPS III卫星虽能与OCX Block 0交互,但该颗卫星的管理将在2019年晚些时候COps全部完成后移交给升级后的当前运行控制段(OCS)。

2018年4月,MCEU关键设计获得美国空军批准,进入软件开发和系统工程阶段。MCEU对目前在用的体系结构演进计划运行控制系统(AEP OCS)进行升级,将向当前在轨的8颗GPS IIR-M、12颗GPS IIF卫星和未来GPS III卫星提供M码指挥控制能力,加速M码信号能力测试并装备到现代化用户设备中,为作战人员提供更高的抗干扰、反欺骗能力。

COps将使AEP OCS能够运行GPS III卫星的PNT和核探测系统载荷,并维持有限的M码测试能力。2018年11月,美国空军成功安装了AEP 7.5版,这也是GPS运行管理有史以来最大的一次体系架构上的变化。AEP 7.5是GPS历史上的一个里程碑,改进了网络安全能力,提升了美军在竞争、性能降级和作战受限环境下的作战能力,并为后续安装AEP 8.0支持GPS III卫星指挥控制奠定了基础。

(3)用户段:继续测试/集成新一代M码接收机卡,成立M码协调办公室加快用户设备现代化

2018年,美军各军种继续测试和集成成熟的新一代GPS接收机卡,2019年,军事GPS用户设备(MGUE)增量1计划完成板卡级测试,为各军种制定采购策略提供参考。近期,美军将使用具有M码能力的主力平台,如空军B-2轰炸机、海军陆战队联合轻型战术车、海军阿利·伯克级导弹驱逐舰、陆军斯特瑞克装甲车,验证这些能力。

MGUE增量2聚焦精确制导弹药、联合通用模块化手持设备以及电路板卡及组件的需求,满足低尺寸、重量和功率需求。采用MGUE,美国国防部和各军种将拥有未来数年内持续可用的PNT方案。

为了在全军推进M码现代化工作,2018年5月通过的2019财年美国国防授权法案要求建立一个新的M码协调办公室。新成立的办公室要明确美国防部需要M码接收机卡的各部门以及所需的接收机总量,估算设备升级成本和进度。最重要的是,新办公室将系统收集集成测试数据、总结的经验和设计方案,并在国防部各部门间共享这些信息,避免出现重复工作。新一财年的授权法案还要求美空军确保军用GPS用户设备终端从增量2开始能够接收伽利略和日本QZSS信号,并采取适当的风险消除措施。

1.2
伽利略系统完成现阶段部署并布局二代系统

2018年7月25日,伽利略系统再次成功发射四颗卫星。至此,伽利略全球卫星定位系统完成组网,标志着伽利略系统完成现阶段部署工作。目前,系统在轨卫星达到26颗,现定于2020年具备完全运行能力。目前采用“伽利略”系统服务的设备已有上亿部。这一由民用部门掌控的系统被视为对欧洲具有重要战略意义,将使欧洲摆脱对均由军方把控的美国GPS和俄罗斯GLONASS系统的依赖。

不过,伽利略系统建设的步伐并未就此放缓。为了确保伽利略系统的持续不中断运行,欧洲航天局已订购了第三批12颗卫星,准备作为在轨备份和替换2011年发射的较老卫星。卫星生产进展顺利,计划2020年晚些时候发射首颗卫星。目前,欧盟正在GNSS和“地平线2020”HSNAV项目下支持第二代伽利略系统的系统与技术开发。

随着当前伽利略系统空间导航卫星数量的增加以及未来第三批卫星的部署,卫星地面控制基础设施也在相应扩展。地面控制段包括主/备控制中心和全球测控站。2018年9月,欧洲航天局与西班牙GMV航空航天与防务公司签订伽利略控制段合同,升级控制段体系架构,使其能够管理41颗伽利略卫星;升级当前系统中性能已经落后的设备;提升系统运行可靠性,保障业务提供能力。另外还要在法属圭亚那库鲁增加第二个新的测控站。

2018年10月,欧洲航天局与泰雷兹·阿莱尼亚宇航公司签订合同,对伽利略任务段进行升级,包括升级巴黎附近的伽利略安全监控中心(GSMC),并在西班牙马德里附近建设第二个GSMC。该合同包括升级当前系统架构和落后设备,为伽利略卫星提供更精确的广播导航数据;建设新增的导航电文上行链路站;在太平洋瓦利斯岛增加一个传感器站,提供伽利略信号完好性和精确卫星位置的地基测量值;同时增强公共管制服务(PRS)的实施能力。PRS信号是最精确最安全的伽利略信号,加密的PRS信号将仅提供给授权的政府用户使用。法国和西班牙的GSMC将确保伽利略运行资产所需的安全监控功能,并管理PRS接入和运行。

伽利略传感器站和上行链路站

1.3
俄罗斯计划2019年发射GLOANSS-K2卫星并研发高轨道GLONASS

 

2018年,俄罗斯共发射两颗二代GLONASS-M卫星,目前在轨卫星数量已达到27颗,其中包括两颗三代GLONASS-K1卫星。据俄罗斯国家航天集团公司透露,俄罗斯计划2019年发射新型GLONASS-K2卫星。

GLONASS-K2卫星不仅使用传统的FDMA信号,还同时在GLONASS所有三个频段使用CDMA信号。新信号将使硬件造成的用户测距误差降低一个数量级,达到0.3米,同时减少信号多径影响,实现实时误差低于0.1米的高精度导航。GLONASS-K2还将采用基于无源氢钟的新频率标准,进一步提升性能。

此外,为了提升城市区域内的信号可用性(此区域内用户难以从仰角低于25度的卫星接收到信号),俄罗斯计划2019年开始研发高轨道GLOANSS。高轨道GLONASS将由分布在三个轨道平面上的6颗GLONASS-B卫星组成,新卫星基于GLONASS-K平台设计,计划2023年发射首颗星,2025年完成部署,届时GLONASS在东半球的导航精度将提高25%。

高轨道GLONASS地面轨迹(红色)

 

1.4
 英国探索伽利略替代系统

 

随着英国很可能将退出欧盟,英国能否接触到“伽利略”的敏感要素,已经无法得到保证。欧盟的立场是,英国“脱欧”后不能接收“伽利略”系统PRS数据。PRS主要针对军方用户设计,具有抗干扰、反欺骗能力。欧盟认为,只有欧盟成员国才有权获得敏感信息。

英国正试图通过谈判保留对伽利略PRS服务的访问权限。考虑到谈判可能失败,2018年8月29日,英国政府宣布投入9200万英镑进行为期18个月的研究,探索英国自建独立卫星导航系统替代欧洲“伽利略”系统的可行性。在英国国防部的全力支持下,该研究项目将为英国自建卫星导航系统提供“详细的技术评估和时间安排”。系统将同时提供民用和军用信号,并与美国GPS兼容。英国政府希望利用英国在航天领域的领先优势,确保今后的安全需求。不过,欧洲官员和独立专家对英国自建卫星导航系统的可行性持怀疑态度,认为开发一个成熟的卫星导航系统耗资巨大(约39亿~65亿美元),且其实用性有限。

1.5

 韩国拟2034年建成自主卫星导航系统

 

2018年2月,韩国政府出台航天发展五年规划——《第三次航天开发振兴基本计划》,提出韩国将加快构建自主卫星导航系统,目标是2034年建成“韩国卫星导航系统”(KPS)。

此规划中,将构建“韩国卫星导航系统”(KPS)首次独立列为与运载火箭、卫星及应用、空间探测等并列的重点任务之一,明确提出该系统由7星星座(4颗倾斜轨道和3颗静止轨道导航卫星)和相关地面站构成。系统建设将分三个阶段进行,2024年前完成地面试验设施和导航载荷研发;2028年前发射1地球倾斜轨道卫星,2034年建成系统。

规划提出,KPS将通过播发全球卫星导航系统增强信号、KPS自主信号,提供性能更佳、更稳定的导航服务;同时通过星基增强和地基增强,提供米级、亚米级的精确位置服务。

2 

美军继续增强GPS性能降级或服务失效情况下的PNT能力

 

鉴于卫星导航系统固有的脆弱性和应用的广泛性,为了应对各种复杂环境下的作战需求,保障各类武器平台及系统的生存和作战能力,2018年,美军继续采取多种措施,积极探索发展各类综合导航定位方案和新型技术,增强GPS性能下降或服务失效情况下的PNT能力。

2018年1月,美国国防部在拉斯维加斯附近举行大规模“红旗”空中作战演习。此次演习中,为了让美国及盟国的空中武器装备能够摆脱对GPS系统的依赖,设置了“关闭”GPS,依靠无线电设备、惯性导航系统或者雷达导航等定位方式,开展打击任务的演习。2018年2月,五角大楼在2019财年国防预算草案再次强调,美军应具备在GPS信号受干扰或遮断的环境中作战的能力,即要求美军可在不使用GPS的情况下还能提供定位、导航和授时。2018年3月,美陆军公布了未来重点关注的信息技术清单,天基PNT替代方案位列其中。美国天基PNT国家咨询委员会也强调,除了继续支持GPS现代化,还要确保为GPS提供补充和备用能力,以保护美国安全利益。

2.1

 DARPA继续推进新型PNT技术研发

近几年,美国国防高级研究计划局(DARPA)连续推出多个项目为GPS寻求替代的PNT能力,其中之一便是“竞争环境下的空间、时间及定位信息”(STOIC)项目。DARPA希望借助STOIC项目,在GPS拒止或性能衰减环境下应用甚低频(VLF)信号实现导航、定位和授时。DARPA表示,项目现已进入第三阶段,开始VLF定位系统现场试验,将首先对空中及水上平台接收机进行测试。根据简氏国际防务评论2018年6月报道,DARPA计划2019年4月~5 月完成项目可行性演示验证。

VLF频段十分适合用于远距离通信,VLF信号在地-电离层波导中传播,信号可传播至数百公里以外,衰减却非常小,并且能够在地下或水下传播。VLF定位系统将与STOIC项目下研究的高稳时钟和多功能战术数据链联合使用,有望为美军提供全球PNT能力。

另外,2018年7月末,DARPA还发布了光子-原子项目建议征集书,寻求开发一种使用光子集成电路的新型基于捕获原子的高性能PNT设备,在卫星导航信号不可用时取代GPS系统。原子系统使用捕获原子,由于用于创建原子陷阱的光学系统复杂度高,因而体积大、笨重,而使用光学集成电路替代这些光学组件将解决这一问题。光子集成电路用易于制造、成本较低的芯片替代光学系统,并且与传统自由空间光学的灵敏度没有差别,非常有应用前景。

高能光子发射

2.2

 美陆军研发GPS拒止环境下人/机定位新技术

 

2018年,美陆军研究实验室(ARL)研发了一种判断无线信号源到达方向的新技术,可对GPS拒止环境内的人和机器人进行定位。能够对复杂、未知以及缺乏基础设施的环境中的人员和机器人进行定位,对徒步士兵以及人/机编队作战至关重要。

与根据信号相位或到达时间预测到达方向的现有方法不同,新型定位技术可抗多重散射。该技术的基本原理是根据在各个不同空间地点采样的接收信号强度梯度,获取信号源方向信息。这意味着在信号被接收机接收前,即使存在将信号向不同方向散射的障碍物,新技术也可精确预测信号源方向,解决了当前典型定位方法在障碍物较多场景下性能较差的问题。

2.3

 美陆军起草新的GPS接收机使用规则

 

2018年,美国陆军起草了新的GPS接收机使用规则,目的是应对欺骗、干扰攻击以及GPS拒止环境下的信号丢失问题。过去数年来,美国陆军一直在努力制定完整的GPS需求文档,试图建立“有保障的PNT系统之系统体系架构”,但由于装备GPS的设备数量庞大,涉及面广,美陆军决定转而采取新方法,将GPS接收机需求重新划分为三类:即车载设备、徒步类和态势感知类。

陆军目前面临的困难是在用PNT系统繁多,例如,一辆装甲运兵车上可能有5到7台互不相连的不同GPS接收机,有些采取了加密措施,有些则没有,由此可能会影响整辆车的效能。而根据新需求,车载设备要实现基于软件的统一网络化PNT解决方案,徒步型接收机需求与之类似;态势感知类PNT解决方案则是要确保士兵能够理解其所面临的威胁并准备好应对电子攻击。

2.4

 美国海军增强型数据链导航系统(ELNS)为航空器PNT提供新途径

 

2018年7月,L3技术公司和CTSi公司为美国海军研发的增强型数据链导航系统(ELNS)通过了原型飞行测试。ELNS采用L3技术公司的波形,使敌方难以侦测和中断己方信号,是一种可在通信拒止和GPS拒止环境下使用的综合通信与导航系统。ELNS提供区域导航服务,可在整个着陆过程中取代GPS,覆盖范围超过50海里(约92.6千米)。

美国海军项目负责人表示,ELNS是一种全新的通信导航系统,可在从需要高完好性的MQ-25无人机到承重有严格限制的小型无人飞机等各类无人机上使用。ELNS还是首个能够在GPS拒止环境下为小型无人机系统提供导航能力的系统,为航空器定位、导航和授时服务开辟了一条倍受关注的新途径。

3“授时”保障能力受到密切关注

GPS定位以授时为前提,导出GPS导航和定位信息都需要授时信息。时间信息几乎是所有军事行动的基础,美国空军研究人员已提出“授时战”的概念,并指出美军需重视PNT中的授时信息。随着信息作战环境越来越复杂,对授时服务的抗干扰性、抗摧毁性也提出了更高要求。其实,授时功能与PNT中的导航与定位并非密不可分,有很多测量和授时分配方法都不依赖于GPS和其他导航系统。

2018年12月,美国总统特朗普签署了国家授时安全与弹性法案,要求在两年时间内为GPS系统建立地面备用授时系统,确保当GPS信号受到破坏、性能下降、不可靠甚至无法使用时,有可以使用的正常授时信号,满足军事和民用需求。法案要求在最大程度上保证该备用系统为地面系统,采用无线技术,要与UTC同步,且难以中断,能够在地下和建筑物内使用,能够部署到偏远地带,还可扩展到提供PNT能力,能与相似系统如增强型罗兰系统协同工作。

为GPS卫星建立一个可靠的备用授时系统对美国国家和经济利益至关重要。美国已认识到解决这一问题的迫切性,尽力避免GPS系统因为自然现象如太阳耀斑或协同攻击如干扰等而陷于危险境地。该法案虽不是投资法案,但为后续投资系统建设铺平了道路。

保证精密授时也一直受到美国空军的关注。2018年4月,美国空军研究实验室与频率电子公司签订了1940万美元、为期七年的合同,研发空间PNT用的抗辐射原子钟技术,要求必须具备对抗网络攻击的能力。该项目技术将应用到美空军空间系统的授时部分,计划在未来导航技术卫星NTS-3空间实验中演示。

4脉冲星导航和量子导航技术有所突破

近年来,新概念导航技术,如脉冲星导航、量子导航等因具有不可忽视的研究和应用价值而倍受关注。2018年,美国航空航天局(NASA)完成世界首次X射线脉冲星导航太空验证,而英国则研发出了世界首部用于精确导航的量子“罗盘”。

4.1

 NASA首次验证太空X射线脉冲星导航技术

脉冲星是快速旋转的中子星,有些脉冲星的周期为毫秒级,并且极其稳定、误差很小,堪称精确的宇宙时钟。这些脉冲星发出的X射线可以用于定位和导航,具有定位精度高、抗干扰能力强、无需地面系统支持、全轨道自主导航等特点,对实现航天器长时间高精度自主导航,提高航天器的战时自主生存能力具有重要意义。

2018年初,多家媒体网站报道了NASA研究团队成功演示验证太空X射线脉冲星导航技术的消息。NASA戈达德航天中心发布新闻公报称,这是首次太空全自主和实时X射线导航演示,该中心利用搭载在国际空间站的中子星观测设备,对新型导航系统进行了初步测试,实现了精度5公里之内的定位。演示验证了该技术可使用毫秒脉冲星精确确定以每小时数千英里运动的物体的位置,类似于GPS使用卫星向地球用户提供定位、导航和授时服务。

该演示证明了X射线脉冲星导航技术作为新型自主导航方法的可行性。研究小组正进一步优化和验证该系统,最终目标是开发出高精度的全自动太空导航设备,使航天器能在长时间不与地球通信的情况下保持准确定位。

4.2

 全球首款量子“罗盘”问世

量子导航在定位精度和信息安全方面具有难以比拟的优势。2018年11月,在英国国家量子科技展上,M Squared激光系统公司宣布其已与帝国理工学院联合研制出首款用于精确导航的量子加速计,这也是英国国防部投资数百万英镑在其“国家量子技术项目”下开发的号称是人类历史上首个量子“罗盘”的导航设备,设备完全独立于基于卫星的GPS导航系统,能确定地球上任何地方的精确位置。

研究团队展示了这种可移动、可商用的量子加速度计。虽然加速计并非新鲜事物,目前已广泛应用于手机、电脑等电子设备,但如果缺乏外部参考源,难以长时间维持其准确性。

而科学家最新研发的量子设备测量过冷原子在极低温度下(接近绝对零度)如何运动。当原子处于超冷状态时,就可以用量子力学描述其运动方式,并以此制造出原子干涉仪。原子随干涉仪搭载平台的运动而产生波动,这些微小的变化可以通过“光学尺”进行精密测量,从而计算出加速度。新型量子加速计的系统设计可用于大型机动平台导航,例如船舶和列车,对城市和国家安全具有重要意义。

5结语

 

2018年,在全球卫星导航领域,美国GPS第三代系统首星上天倍受关注。新一代GPS系统在精度、抗干扰等多项性能上全面超越二代系统,将在高效导航、精确定位、快速通信和精准授时领域发挥重要作用,对美军维持在未来导航领域的优势地位有重大意义。不过,由于目前地面设施还不完善,很多功能预计要到2022年后才能够实现。欧洲和俄罗斯也致力于不断提升各自卫星导航系统的服务性能和竞争力,英国和韩国提出建设自主卫星导航系统谋求航天技术优势。可以说,卫星导航系统正被视作自主可控的国家安全命脉。

为了有效降低依赖GPS所带来的风险,军方正在不断寻求那些能够在没有GPS信号的环境下正常工作的设备,有保障的PNT业务需求持续增长。美军继续开发各类新型PNT解决方案,有效解决GPS信号受到阻挡或无法使用环境下的PNT需求。“授时”性能正越来越受重视,建立可靠的备用授时系统成为美政府追求的目标。而脉冲星X射线导航、量子导航等新概念导航技术的进步也将成为导航定位技术不断发展的重要驱动力。

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