DARPA開(kāi)發(fā)取代GPS的定位、導(dǎo)航和授時(shí)新技術(shù)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）目前正在執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)劃，開(kāi)發(fā)在全球定位系統(tǒng)（GPS）遭到拒止的情況下，提供精確定位的新途徑。其中包括開(kāi)發(fā)大小如硬幣的慣性傳感器、脈沖激光器等。

在當(dāng)今的世界，全球定位系統(tǒng)（GPS）難以計(jì)數(shù)的軍用、民用應(yīng)用提供實(shí)時(shí)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）服務(wù)，不僅汽車(chē)、船舶、飛機(jī)和列車(chē)都使用GPS，就連智能手機(jī)和手表都整合了GPS應(yīng)用。GPS使得包括無(wú)人駕駛車(chē)輛、精密彈藥、自主供給鏈管理等在內(nèi)的諸多方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。然而， GPS依然存在其局限性：在地下和水中，都不能接收到GPS信號(hào)；在太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，GPS信號(hào)會(huì)明顯變壞，甚至完全不能使用； GPS信號(hào)可能會(huì)遭到敵人的干擾。對(duì)于指望GPS作為唯一PNT來(lái)源的戰(zhàn)斗人員來(lái)說(shuō)，GPS局限性可能會(huì)成為致命的問(wèn)題。DARPA為了解決GPS的問(wèn)題，正在執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)劃，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的技術(shù)，最終提供可靠的高精度PNT能力來(lái)應(yīng)對(duì)GPS能力下降和缺失的情況。DARPA要引入新的結(jié)構(gòu)、器件和算法，讓部隊(duì)和PNT系統(tǒng)擺脫對(duì)于GPS的依賴。

DARPA目前執(zhí)行的5個(gè)與PNT技術(shù)相關(guān)的項(xiàng)目包括：自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)、微技術(shù)PNT系統(tǒng)、量子輔助傳感和讀出系統(tǒng)（QuASAR）、超高速激光科學(xué)和工程應(yīng)用系統(tǒng)、競(jìng)爭(zhēng)性區(qū)域的空時(shí)方位信息計(jì)劃。

自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）旨在為各種PNT傳感器的跨多種平臺(tái)快速即插即用開(kāi)發(fā)新的算法和結(jié)構(gòu)體系，降低開(kāi)發(fā)成本，將開(kāi)發(fā)部署周期從若干個(gè)月縮短為若干天。研發(fā)性能更優(yōu)的新型慣性器件，這類(lèi)慣性器件使用冷原子干涉測(cè)量法，能夠測(cè)量傳感器內(nèi)原子云的相對(duì)加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)。這一計(jì)劃目標(biāo)以此來(lái)撬動(dòng)量子物理的優(yōu)先研究，從而研發(fā)極精確的慣性測(cè)量裝置。這種裝置不需要外部數(shù)據(jù)修正時(shí)間和位置信息，可獨(dú)立長(zhǎng)時(shí)間有效工作。此外，自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)還尋求利用包括商業(yè)衛(wèi)星信號(hào)、無(wú)線電信號(hào)和電視信號(hào)甚至雷電在內(nèi)的各種非導(dǎo)航電磁信號(hào)來(lái)為PNT提供更多的參考點(diǎn)。這些信號(hào)源結(jié)合在一起所提供的PNT信號(hào)比GPS更加豐富，強(qiáng)度也更強(qiáng)，從而為GPS拒止的環(huán)境和GPS不佳的環(huán)境提供位置信息。

PNT微技術(shù)系統(tǒng)（Micro-PNT）就是要利用DARPA已經(jīng)開(kāi)發(fā)的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)PNT的超微型化，包括開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性和高精度的芯片級(jí)陀螺儀、時(shí)鐘和完整的集成化的授時(shí)與慣性測(cè)量器件。DARPA的研究人員已經(jīng)制造了1枚高度集成化的授時(shí)與慣性測(cè)量器件樣品，即在1枚芯片上集成了3個(gè)陀螺儀、3個(gè)加速度計(jì)和1個(gè)高精度的主計(jì)時(shí)器，而這枚芯片能夠輕易安裝在1枚硬幣大小的面積上。與現(xiàn)有傳感器相比，DARPA開(kāi)發(fā)的這種具備自校準(zhǔn)能力的高性能高效費(fèi)比的微型傳感器在尺寸，重量和功率消耗諸方面的提升都是巨大的。

量子輔助傳感和讀出系統(tǒng)計(jì)劃（QuASAR）旨在制造世界上最準(zhǔn)確的原子鐘，要求既結(jié)實(shí)又輕便。該項(xiàng)目研究人員已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)發(fā)出了光學(xué)原子鐘，其授時(shí)誤差不到每50億年1秒。使這種高精度原子鐘的輕便化有可能改進(jìn)現(xiàn)有的包括GPS在內(nèi)的各種軍用系統(tǒng)，還有可能應(yīng)用于完全新型的雷達(dá)、激光雷達(dá)和計(jì)量學(xué)裝置。

超高速激光科學(xué)和工程應(yīng)用系統(tǒng)（PULSE）通過(guò)運(yùn)用最新的脈沖激光技術(shù)來(lái)顯著提高原子鐘和微波源的精度，并且減小其尺寸，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的遠(yuǎn)距離時(shí)間和頻率同步。這樣的能力對(duì)于充分發(fā)揮超精密原子鐘的性能是必不可少的。如果成功，PULSE技術(shù)就能使最準(zhǔn)確的光學(xué)原子鐘在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行同步授時(shí)。

競(jìng)爭(zhēng)性區(qū)域的空時(shí)方位信息計(jì)劃（STOIC）是要開(kāi)發(fā)新型的PNT系統(tǒng)，在競(jìng)爭(zhēng)性區(qū)域提供不依賴于GPS但定位、授時(shí)精度具有與GPS相當(dāng)?shù)姆?wù)。STOIC計(jì)劃要開(kāi)發(fā)的新型PNT系統(tǒng)包括3個(gè)主要部分，將它們綜合在一起就有可能提供全球的不依賴于GPS的PNT服務(wù)，包括遠(yuǎn)程高生命力的參考信號(hào)、超穩(wěn)定的戰(zhàn)術(shù)時(shí)鐘以及多用功用戶系統(tǒng)。（李洪興）endprint