未來潛在PNT技術綜述

張風國,歐明,劉鈍,甄衛(wèi)民

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

?

未來潛在PNT技術綜述

張風國,歐明,劉鈍,甄衛(wèi)民

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

摘要：定位導航授時(PNT)技術已經(jīng)融入眾多領域,涉及軍用、民用、商用、科研等各個方面。任何一種導航技術都不是“萬能”的,無法滿足所有的應用需求，為此,各國對PNT技術非常重視,不斷加大投入,各種新導航技術也是層出不窮,它們正處于概念狀態(tài)或深入研究進程中。本文簡要概括了包括X射線脈沖星導航、地磁導航、重力導航、藍綠激光導航、全源導航、微型PNT技術、微納衛(wèi)星技術、量子導航等在內多種具有研究和應用價值的導航技術,分析了不同導航方式的基本原理、優(yōu)缺點和適用范圍,以此進行合理選擇實現(xiàn)的組合導航,可滿足不同應用場景下的可用性、自主性、隱蔽性、抗干擾性的導航需求,為我國未來的PNT技術發(fā)展和PNT體系規(guī)劃建設提供參考。

關鍵詞：導航；定位；授時；體系結構；PNT

0引言

近幾十年來,衛(wèi)星導航不斷發(fā)展,應用廣泛,也因此形成了對衛(wèi)星導航技術的強烈依賴性，而衛(wèi)星導航本身存在一些固有的缺點,如:衛(wèi)星導航信號弱,易受干擾,英國燈塔局的實驗表明,1.5 W的干擾機可以干擾30 km范圍內的接收機;衛(wèi)星導航信號無法穿透建筑物或水體,在室內、峽谷、水下、地下等環(huán)境中均無法使用。慣導的致命缺點是誤差隨時間積累,高精度的慣導器件往往體積較大,價格昂貴，即使采用GNSS+INS的組合導航模式,仍無法滿足電磁干擾、物理遮蔽等復雜情況下的導航定位授時需求。為此,需要從國家層面的高度,統(tǒng)籌規(guī)劃國家PNT體系,以指導未來各種PNT技術的發(fā)展,構建科學合理的PNT體系,滿足軍民商等方面的PNT服務需求。本文廣泛調研了多種具有發(fā)展?jié)摿Φ膶Ш叫录夹g,它們各具優(yōu)勢,通過不斷發(fā)展、不同組合或融合可為各種應用場景提供滿足需求的導航定位授時方案。

1PNT新技術研究

本文梳理了X射線脈沖星導航、地磁導航、重力導航、Locata技術、全源導航、芯片原子鐘、量子導航等在的內多種正在研究或將來可用的新型導航技術,對民用和軍用導航領域均有重大意義。

1.1X射線脈沖星導航

脈沖星是一種快速自轉并具有超高密度、超高溫度、超強輻射、強磁場的中子星，其質量與太陽相當,但半徑僅10 km左右,核心密度達到1×1012kg/cm3.可在無線電、可見光、紅外線、紫外線、X射線等頻段內觀測到脈沖星輻射的燈塔式掃射現(xiàn)象。脈沖星自轉周期穩(wěn)定,自轉周期范圍一般為1.6 ms～11s,周期變化率(p/p)的典型值為10-15,某些毫秒脈沖星的自轉周期變化率可達10-19至10-21,被譽為“自然界最精確的頻率基準”[1]。

X射線脈沖星導航系統(tǒng)是自主式系統(tǒng),不需要地面控制設備,不受人工或自然形成的電磁場的干擾,用戶接收機被動接收信號,隱蔽性好,定向、定位精度高,定位誤差與時間無關。它不但可以為中遠程導彈的近地軌道飛行提供精確的位置、速度、姿態(tài)和時間等豐富的導航信息,也可以為地球軌道航天器及深空探測器提供精確的導航信息和時空基準。此外,X射線脈沖星導航定位系統(tǒng)可對現(xiàn)有的GNSS等系統(tǒng)進行補充和備份，可避免敵方的干擾和摧毀,具有進行二次打擊的戰(zhàn)略意義[2]。

聯(lián)系人： 張風國 E-mail:zhfg1985@163.com

目前觀測到的脈沖星大約有2 000多顆,其中適宜于空間導航定位的X射線脈沖星約有十幾顆。DARPA的最終目標是建立一個能夠提供定軌精度為10 m(3σ)、定時精度為1 ns(1σ)、姿態(tài)測量精度為3弧秒(arcsec,1σ)的脈沖星導航網(wǎng)絡,以滿足未來航天任務從近地軌道、深空至星際空間飛行的全程高精度自主導航和運行管理需求。

X射線脈沖星導航技術研究處于發(fā)展階段,國外研究工作正在全面進行中,國內也取得了顯著成績,在脈沖星觀測、脈沖星輻射機制、脈沖星TOA測量理論模型和算法等方面已取得了許多研究成果,其中涉及的關鍵技術也正在研究當中，此外,我國正在建設的500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST)預計在2016年投入使用,將大大提高我國巡天觀測脈沖星的能力。

1.2地磁導航

由于地磁場為矢量場在地球近地空間內任意一點的地磁矢量都不同于其他地點的矢量,且與該地點的經(jīng)緯度存在一一對應的關系，因此,理論上只要確定該點的地磁場矢量即可實現(xiàn)全球定位。地磁場可以為航空、航天、航海提供天然的坐標系，地磁導航具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、能耗低、抗干擾能力強的優(yōu)良特征,可為潛艇、艦船、飛機、導彈等提供位置和方位等信息。

地磁導航可分為地磁濾波導航和地磁匹配導航，目前研究較多的是地磁匹配導航,其原理是通過地磁傳感器測得的實時地磁數(shù)據(jù)與存儲在計算機中的地磁基準圖進行匹配來定位，地磁匹配導航的過程就是一個用地磁場信息進行導航的過程。

地磁匹配導航的關鍵技術包括導航區(qū)域高精度地磁數(shù)據(jù)庫的建立、載體磁力儀的精確實時測量和快速有效可靠地磁匹配算法。目前,常用的地球磁場模型主要有WMM2010模型和IGRF11模型[6],兩者均為每五年更新一次,都描述了主磁場部分,沒有描述地殼磁場和變化磁場,為此,需要建立高精度的地磁模型[3-4];如圖1所示。載體/平臺本身可能會對磁力儀的測量結果產(chǎn)生影響,需要采取相應的抵消措施;地磁匹配算法屬于數(shù)字地圖匹配技術是地磁導航的核心技術,可以借鑒地形、圖像匹配導航算法[5]。

圖1　地磁匹配原理圖

2003年,美國開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于30 m、水下定位精度優(yōu)于500 m的純地磁導航系統(tǒng)并計劃用于提高飛航導彈和巡航魚雷的命中率；俄羅斯在此方面的研究也頗為深入,已經(jīng)將地磁等高線制導系統(tǒng)應用于SS-19導彈中;芬蘭Oulu大學研發(fā)團隊開發(fā)的移動地圖應用InDooRatlas,可通過識別不同地點的地磁,幫助用戶進行室內導航,可在沒有無線信號的區(qū)域使用。

1.3重力場導航

地球本身的重力梯度具有從一個地方到另一個地方連續(xù)變化的特點,且地球重力梯度場有三維的形態(tài)，如圖2所示。因此,地球重力梯度場為導航系統(tǒng)擺脫對外部信號的依賴提供了可能，基于重力梯度導航技術是一種無源、完全自主的導航方式,工作安全、隱蔽[7-8]。基于重力梯度的導航系統(tǒng)導航精度相當高:一方面,重力梯度或重力高次導數(shù)反映場源體的細節(jié),具有比重力本身更高的分辨率,且同一地理位置有多個方向的梯度分量可供綜合利用,有力地保證了導航的精確度和可靠性；另一方面,導航誤差不隨時間積累。

圖2　全球重力分布

高分辨率的重力梯度基準圖庫、高精度的重力梯度測量工具,以及高效的重力梯度圖形匹配技術/算法是水下重力梯度導航系統(tǒng)的三大關鍵技術。利用海洋自身環(huán)境的重力輔助慣性導航系統(tǒng)能夠克服傳統(tǒng)慣性導航外部標校的弱點和缺陷,有效地改善潛艇水下導航定位精度,保證潛艇水下長時間遠距離的隱蔽航行。

據(jù)報道,貝爾宇航公司研制的重力儀/重力梯度儀慣導系統(tǒng)可滿足戰(zhàn)略核潛艇、攻擊型核潛艇和水下無人運載體的要求,其中重力梯度儀(GGI)是關鍵元件,整個系統(tǒng)可裝在直徑為21英寸的潛水器中,1小時的CEP位置精度可達30 m,8小時的CEP位置精度為62 m.此外,為滿足核潛艇長期隱蔽航行的要求,美國研制的新一代潛艇導航系統(tǒng)——重力導航輔助的組合導航系統(tǒng),包括慣性導航儀模塊、重力敏感器模塊、精密導航儀模塊、地形測量等。

1.4偏振光輔助導航

偏振光導航是利用傳播介質對太陽光散射作用所形成的天空光是部分偏振的,該偏振信息包含了太陽、地球及用戶的位置信息,可用于導航[9,10]。

根據(jù)應用場景不同,偏振光導航可分為大氣偏振光導航和水下偏振光導航。大氣偏振光導航是一種基于天空光的偏振特性,通過在兩個或多個方向上測量天空光的偏振方向,利用慣性導航系統(tǒng)提供的艦船姿態(tài)和航向信息實現(xiàn)的自動單天體天文定位系統(tǒng)；水下偏振光導航可通過測量海洋散射光的光振動方向實現(xiàn)導航,該種導航方式的使用限制是要選取合理的工作深度和工作時間[11]。

偏振光導航系統(tǒng)不需要地球物理場數(shù)據(jù)的支持,同時具有天文導航可靠性好的優(yōu)點,在輔助慣性導航方面將具有廣泛應用前景,而定位準確度則是影響偏振光天文導航方式發(fā)展的關鍵。偏振光導航只能描述移動平臺在二維平面上的運動,沒有對高度的感知能力,通常需要依賴于其他的導航方法實現(xiàn)組合導航。

決定偏振光導航準確度的因素主要有傳感器的靈敏度和探測方向天空光的偏振敏感性，當偏振光探測傳感器準確度達到角分級時,艦船定位誤差理論上優(yōu)于1海里,可應用于輔助艦船慣性導航。

1.5ELORAN導航

在2008年發(fā)布的新的聯(lián)邦無線電導航規(guī)劃中,美國對羅蘭C的政策聲明是:保持羅蘭C系統(tǒng)的短期運行并將羅蘭C經(jīng)過改造轉變成現(xiàn)代化的羅蘭C系統(tǒng),即ELORAN[12],為此在規(guī)劃中單獨設立專題進行闡述。由于資金等問題,美國于2010年宣布停止使用LORAN C系統(tǒng),但彈性導航與定時(RNT)基金會在美國已經(jīng)啟動,以爭取實現(xiàn)對美國原先的羅蘭-C系統(tǒng)基礎設施的重新利用。韓國為了抵制朝鮮對其實施的GPS干擾,決定發(fā)展eLORAN系統(tǒng),在韓國境內部署5個羅蘭發(fā)射站和43個差分站,2016年具備初始運行能力,2018年具備全面運行能力[14]。英國和愛爾蘭的燈塔總局(GLAs)也在積極研究布設eLORAN系統(tǒng)。

ELORAN作為陸基系統(tǒng)它采用獨立的體制,可作為GPS的備份系統(tǒng)在GPS失效時將為用戶保持PNT服務，它比傳統(tǒng)羅蘭C擁有更高的精度、可靠性和連續(xù)性同時保持了現(xiàn)有的羅蘭C的所有功能可以為通信系統(tǒng)用戶和其他重要的基礎部門提供高精度的時間頻率基準參考，這些對傳統(tǒng)羅蘭C的提高是通過對臺站設備的升級、在空間傳播信號中加入數(shù)據(jù)信道以及在接收機端的多臺鏈數(shù)字信號處理來實現(xiàn)的。它可以滿足飛行領域非精密進近和在航海領域港口進近的要求[13]。

相關文獻給出的一些評估試驗表明,ELORAN在信號精度、信號有效性、信號可靠性和工作連續(xù)性上都達到了在美國作為GPS備份系統(tǒng)的要求。目前美國的LORAN系統(tǒng)可作為主要或備份的時間頻率源用于精確授時,提供授時精度為100 ns(和UTC(USNO)比較)、穩(wěn)定度為10~11數(shù)量級的時間頻率基準。

1.6Locata技術

Locata技術是一種新地基無線電測距技術,在相對開放的室外環(huán)境(如露天礦場、建筑場所、港口等)中,實物如圖3所示,LocataNet可提供實時的厘米級的單點動態(tài)定位而不用差分基站，在物理障礙環(huán)境(如深山峽谷、茂密森林、室內和市區(qū)等)中可提供連續(xù)信號覆蓋,高精度定位能力。

圖3　LocataLite實物

LocataLite并不是傳統(tǒng)意義上的偽衛(wèi)星,它工作在ISM頻段(2.4~2.4835 GHz),采用類似于GPS的直接序列擴頻技術，多個Locata地基收發(fā)器LocataLite組成LocataNet,能發(fā)射很強的時間同步測距信號覆蓋某個區(qū)域,可實現(xiàn)不依賴GPS和INS的高精度定位結果,不但可以單獨使用,也可與GNSS和INS組合使用[15]。通常發(fā)射功率小于1 W,信號強度的典型值一般為-60～-105 dBm.Locata創(chuàng)建的網(wǎng)絡采用Time-Loc的專利技術進行時間同步,而不使用原子鐘。據(jù)稱當前的Locata網(wǎng)絡時間精度為2 ns. 圖4示出了美國白沙導彈靶場的Locata試驗網(wǎng)布設。飛行測試結果表明,Locata技術的水平定位精度約為6 cm,垂直精度約為15 cm[24]，美國于2014年發(fā)布了《Locata信號接口控制文檔》,詳細介紹了信號結構以及與GPS的異同[16]。

圖4　美國白沙導彈靶場的Locata試驗網(wǎng)布設

1.7芯片原子鐘

芯片原子鐘(CASC)也可稱為微型原子鐘,具有體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定度高等特點，如圖5所示，微型原子鐘在通信、交通、電力、金融、軍事國防、航空、航天以及基準物理量的測量等領域有著廣泛的應用前景和應用需求。微型原子鐘可以改善大量裝置的特性,其廣泛應用將會產(chǎn)生深遠的甚至革命性的影響,將會帶來良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

圖5　芯片原子鐘SA.45s

芯片原子鐘的發(fā)展為高安全超高頻通信和抗干擾GPS接收器提供了超微型、超低功耗的時間和頻率基準,大大提高超高頻通信和導航相關系統(tǒng)和平臺的機動性和穩(wěn)定性。CSAC可以促進小型慣導系統(tǒng)在船舶、飛機、潛艇等運輸器上的應用。微型原子鐘可大大縮短軍用GNSS設備解碼時間，精確計時可以幫助作戰(zhàn)部隊快速重捕導航衛(wèi)星信號，微型原子鐘同樣適用于手持低功耗通訊設備和個人導航儀。

目前,Symmetricom開發(fā)的一款微型原子鐘SA.45 s,體積小于17 cm3,功耗小于120 mW,秒穩(wěn)優(yōu)于1.5×10-10,月穩(wěn)優(yōu)于3×10-10.DARPA的研究人員將設計開發(fā)體積僅有1cm3,功耗小于30 mW的原子鐘[17]。

微型原子鐘和其它先進的計時技術還可以集成到GPS導航衛(wèi)星上,從而研制“納米GPS衛(wèi)星”,極大提高導航衛(wèi)星星座的生存能力。

1.8微型PNT技術

微電子機械系統(tǒng)(MEMS)結合了機械可動結構和大規(guī)模、低成本微電子加工的優(yōu)點, 在微小尺度上實現(xiàn)了與外界電、熱、光、聲、磁、流信號的相互作用。MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短;機械電器性能優(yōu)良;批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本;集成化程度高[18-19]。MEMS技術在航空、航天、軍事、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控等人們所接觸到的幾乎所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。在軍事領域,可應用于單兵攜帶、戰(zhàn)場實時監(jiān)測、武器安全、彈道修正、超低功率無線通訊信號處理、高密度低功耗的數(shù)據(jù)存儲器件、敵我識別系統(tǒng)等方面。

DARPA在2010年啟動微PNT系統(tǒng)研究項目,利用現(xiàn)有的MEMS技術研究微型化的PNT設備。DAPAR把MEMS技術確認為美國急需發(fā)展的新興技術并資助了大量微PNT系統(tǒng)研究工作,目的在于開發(fā)高穩(wěn)定度和高精度的芯片陀螺、芯片原子鐘以及完整集成的定時和慣性測量單元。DARPA已開發(fā)了一種可集成在一個芯片上的微PNT的原型設備,該設備包括三個陀螺儀、三個加速度計和一個高精度時鐘，與現(xiàn)有的傳感器相比,尺寸小、重量低、性能優(yōu)良。

1.9微納衛(wèi)星導航

微納衛(wèi)星通常指質量小于100 kg, 具有實際使用功能的衛(wèi)星。它是基于微電子技術、MEMS 技術、微光電技術等技術發(fā)展起來的,體現(xiàn)了航天器微小化的發(fā)展趨勢。根據(jù)衛(wèi)星質量,10～100 kg的衛(wèi)星稱為微型衛(wèi)星,1～10 kg的衛(wèi)星稱為納米衛(wèi)星,0.1～1 kg的稱為皮衛(wèi)星,0.1 kg以下的稱為飛衛(wèi)星。一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆這樣的微納衛(wèi)星。

微納衛(wèi)星具有功能密度與技術性能高、投資與運營成本低、靈活性和機動性強、系統(tǒng)建設周期短(可以采用標準化設計、批量化生產(chǎn))、風險小、可靠性強等優(yōu)點,引起各國軍方高度重視。星上處理技術,微型計算機及軟件,微機械構件與組件,可變形可壓縮天線及展開機構等技術是未來微納衛(wèi)星的發(fā)展方向。

在戰(zhàn)時,如果現(xiàn)有的導航衛(wèi)星遭到破壞,可一次發(fā)射多顆衛(wèi)星進行組網(wǎng),為戰(zhàn)場提供臨時的PNT服務信息,降低了導航衛(wèi)星被敵方摧毀所帶來的風險,減輕了陸基導航備份系統(tǒng)的壓力，一次發(fā)射幾十甚至上百顆微納導航衛(wèi)星,可以極大提高生存能力,使得敵方很難摧毀,即使少數(shù)衛(wèi)星被摧毀或發(fā)射故障,其它衛(wèi)星仍可正常提供PNT信息服務。

1.10隨機信號導航

GPS是通過跟蹤衛(wèi)星發(fā)射的信號實現(xiàn)導航,用人造隨機信號(SoOP)導航原理相同,不同點在于SoOP導航所跟蹤的信號不是那些以導航為目的所發(fā)射的信號,而是為其他特定目的發(fā)射的信號,如調幅和調頻無線電、衛(wèi)星無線電、電視、手機發(fā)射網(wǎng)、無線電腦網(wǎng),以及其他多種衛(wèi)星信號[23]。

SoOP導航相對GPS導航有若干優(yōu)勢。SoOP大量存在,種類多,可以保證導航用戶定位需要;SoOP的接收信號強度經(jīng)常遠大于于GPS信號;采用SoOP導航的用戶不必考慮設備部署或運行費用，但不同信號之間存在同步問題,用戶接收機無法預知所接收信號的結構,且多路徑或反射信號可能會導致SoOP導航發(fā)生錯誤。

為了減輕或解決定時問題,在典型的SoOP導航模式中,通常包括一個坐標位置已知的基地臺,允許用戶裝置提取SoOP中的某些特征，用于數(shù)字音頻/視頻廣播和許多無線網(wǎng)絡裝置的正交頻率分配多路傳輸,是一種最具潛力的SoOP信號結構，這些信號可能含有冗余信息,用戶獲得導航數(shù)據(jù)可不必使用基地臺。

1.11全源導航

全源導航(ASPN)系統(tǒng)以慣性導航為基礎,可使用GPS、機會信號、影像、光線測定和測距、磁場、重力、時鐘、磁羅盤、氣壓計以及雷達等各種傳感器信息,以實現(xiàn)導航定位功能[24]，如圖6所示。全源導航算法運用所有可用信息,能根據(jù)承載平臺的動態(tài)變化而計算出精確的結果，當某些傳感器不可用時,導航系統(tǒng)仍能正常定位。用戶不僅可以在開闊地區(qū)進行導航定位,還可以在水下、地下、叢林、峽谷、室內等遮擋或封閉環(huán)境中定位,滿足GPS受阻環(huán)境下的精確導航需要。

圖6　全源導航系統(tǒng)示意

為研發(fā)“即插即用”式導航系統(tǒng),需要開展大量的科研工作,研究出一套基本整合算法和整合搭配結構(包括所有硬軟件),能連接并結合來自多個物理傳感器的輸入數(shù)據(jù)。全源導航的發(fā)展目標是對不同的環(huán)境最優(yōu)化配置不同的傳感器并能自由切換,具備“即插即用”式導航系統(tǒng)的特征,在體積、重量、功率等方面降到可接受的范圍,算法盡量簡化。

對軍事用戶而言,“全源導航”技術將解決強對抗戰(zhàn)場環(huán)境下的精確定位、導航與授時問題,提供更加穩(wěn)健的定位、導航與授時能力,能夠在未來強對抗的戰(zhàn)場環(huán)境下?lián)碛懈呔榷ㄎ弧Ш脚c授時能力的重要優(yōu)勢。

1.12藍綠激光通信導航

目前,對潛通信的主要手段有甚低頻(VLF)通信和超低頻通信(ELF)。甚低頻的平均海水穿透力約為10～15 m,數(shù)據(jù)率約為75 bit/s,潛艇需上浮至危險深度或潛望深度以4節(jié)左右的航速航行,且要保持一定的航向才能有效接收信號,因而失去了隱蔽性；超低頻電波穿透海水的深度可達80～120 m,兼顧不間斷通信和隱蔽性的要求,但超低頻通信數(shù)據(jù)率低,通常不到1 bit/s,只能發(fā)送極重要而又簡單的信息作為振鈴之用。

波長為450～530 nm的藍綠激光在海水中的衰減最小,最大穿透深度可大于600 m.潛艇完全不用上浮至危險深度或浮出水面,且可以在工作深度或更深的海水中用自身殼體上的光學天線接收報文,不影響潛艇的機動性和隱蔽性[20-21]。

激光對潛通信導航按激光器載體可分為星載激光通信系統(tǒng)和機載激光通信系統(tǒng)星載系統(tǒng)可覆蓋全球范圍,比較適合對戰(zhàn)略導彈核潛艇的通信,機載系統(tǒng)則對戰(zhàn)術潛艇更為有效現(xiàn)在正在解決的問題是其自動瞄準、捕獲和跟蹤(APT)技術。藍綠激光對潛通信的數(shù)據(jù)率高,傳輸容量大,可傳輸數(shù)據(jù)、語音和圖像信號。另外,它還具有波束寬度窄、方向性好、設備輕小、抗截獲、抗干擾、抗毀能力強及不受電磁和核輻射的影響等優(yōu)點。星載激光對潛通信系統(tǒng)同樣可用于潛艇導航,具有隱蔽性和抗干擾抗欺騙的優(yōu)點,并且可以導航通信一體化。

1.13量子導航

量子定位系統(tǒng)(QPS)在定位精度以及信息安全等方面的絕對優(yōu)勢無疑將會引起一場衛(wèi)星導航和定位領域的技術革命。量子力學理論所能允許的情況下,其精度的提高程度取決于在這種定位體制下每個量子脈沖中所能包含光子數(shù)目的多少。當在每個脈沖中大量采用具有量子特性的光子時,脈沖時延的測量精度會大大提高,可比GPS的定位精度高2-4個數(shù)量級。基于量子特性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以通過設計量子加密協(xié)議防止敵方破解使用,這歸功于量子加密具有很高的安全性[22]，QPS技術還提供了一個檢測竊聽者的可能。

英國科學家將在未來三到五年的時間內開始研發(fā)“量子羅盤”這項新導航技術，量子羅盤的敏感性可感知地球磁場和重力場的變化,從而換算出精確的位置信息，它對核潛艇有著至關重要的作用,可以擺脫對衛(wèi)星導航系統(tǒng)的依賴,精確定位潛艇的位置,并為發(fā)射導彈服務。

1.14中微子導航

中微子是一種質量極小、不帶電的中性基本微粒，它能以接近光速直線傳播,不參與重力、電磁力以及質子和中子結合的強相互作用與其它組成物質的基本粒子之間互相作用力很弱,在傳播過程中能量損耗甚微,可很容易地穿透海水、鋼鐵以至整個地球,不需要衛(wèi)星和中繼站,傳播距離遠且方向性好,保密性強,不受電磁波的干擾。中微子可用于潛艇通信導航,可徹底解決通信過程中的信號衰減和遮擋問題,也可徹底解決水下長航時精確導航的隱蔽性問題,具有突出的戰(zhàn)略優(yōu)勢，此外,中微子還可應用于深空定位導航。

與電磁波產(chǎn)生原理不同,中微子需要利用高能加速器來產(chǎn)生,當質子流的能量被加速到4千億電子伏時,從加速器中引射出來轟擊鉛靶,從而獲得大量帶電介子和K介子,然后衰變?yōu)橹形⒆印Ｔ诮邮斩?由于中微子不帶電,因此不能用電子器件來接收,而需要采用一種“間接”的探測技術來完成這一工作。

80年代,前蘇聯(lián)和美國進行了中微子通信的試驗,獲得了成功。1986年,美國還與原蘇聯(lián)合作進行了中微子穿透地球的試驗。2012年3月,大亞灣中微子實驗國際合作組宣布,實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩,并測量到其振蕩幾率。目前,中國、美國、加拿大、德國、日本等正在不斷研究和改進中微子的產(chǎn)生和探測技術及相關理論模型等。

2結束語

上述多種導航方法各具優(yōu)勢,可用于不同環(huán)境下的導航定位授時需求,可為我國的PNT體系發(fā)展方向具有參考價值。衛(wèi)星導航和普通慣性導航技術非常成熟,本文未進行分析。綜上所述可得出如下結論:

1) X射線脈沖星導航具有抗干擾性、抗毀性和隱蔽性,可為航天器提供自主導航定位信息和精度極高的時間信息;

2) 地磁導航、重力導航和偏振光導航均屬于自主導航,不需要發(fā)射信號,具備隱蔽性,可為地下、水下等環(huán)境中的用戶提供導航定位服務信息,誤差不隨時間積累;地磁導航容易受干擾,重力導航具備抗干擾性,兩者的導航原理基本相似,都需要制備高精度匹配圖、研制高靈敏度傳感器、研究快速高效的匹配算法,偏振光導航不需要匹配圖,通常只能實現(xiàn)二維定位;

3) ELORAN屬于遠程地基低頻無線電定位系統(tǒng),具有較強的抗干擾能力和較高的定位精度,具備GNSS系統(tǒng)的戰(zhàn)略備份能力;

4) Locata技術是類似于偽衛(wèi)星的局域高精度實時定位系統(tǒng),具備室內定位能力和較強的抗干擾能力,設備輕便,功耗低,可為PNT用戶提供高精度的時間和位置信息;

5) 芯片原子鐘和微納衛(wèi)星都可歸納到微型PNT技術范疇內。芯片原子鐘體積小,功耗低,具有很強的守時功能;微納導航衛(wèi)星可作為緊急情況下的GNSS系統(tǒng)備份;微型慣導和時鐘技術可滿足特定用戶對PNT信息的需求;

6) 全源導航基本包含隨機信號導航的信號源,其主體思想就是采用“即插即用”的方法,開發(fā)合理的算法,“利用一切可用的信號用于導航”；

7) 量子技術目前處于試驗研究階段,中微子技術難度很大,尚處于起步狀態(tài),一旦獲得成功,將徹底解決信號遮擋問題。利用藍綠激光可解決水下潛艇等潛航器的通信和定位問題。

參考文獻

[1] 史世平,徐青.X射線脈沖星導航定位原理及應用[J]. 測繪科學與工程,2007,27(2)5-7.

[2] 毛悅.X 射線脈沖星導航算法研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學，2009.

[3] 楊云濤,石志勇,關貞珍,等.地磁場在導航定位系統(tǒng)中的應用[J].中國慣性技術學報，2007,15(6):686-692.

[4] 郭才發(fā),胡正東,張士峰,等.地磁導航綜述[J].宇航學報,2009,30(4):1314-1319,1389.

[5] 孫寧芹.地磁匹配導航應用于巡航導彈的關鍵技術分析[J].飛航導彈,2011(10):66-70.

[6] 彭富清.地磁模型與地磁導航[J].海洋測繪,2006,26(2):73-75.

[7] 李德禹.水下重力梯度導航關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學,2009.

[8] 劉鳳鳴.重力梯度輔助導航定位技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[9] 江云秋,高曉穎,蔣彭龍.基于偏振光的導航技術研究[J]. 現(xiàn)代防御技術,2011,39(3):67-70.

[10]祝燕華.天空偏振光輔助的組合導航方法[J].中國慣性技術學報,2012,20(6):674-677.

[11]王光輝,劉曉亮,萬峻,等.水下偏振光導航[J].艦船科學技術,2011,33(7)：78-82.

[12]汪捷,嚴建華,李川章.國際eLORAN發(fā)展現(xiàn)狀與我國羅蘭C現(xiàn)代化的技術分析[J].海洋測繪,2009, 29(3):79-82.

[13]International Loran Association.Enhanced loran (eLoran) definition document [R].2007.

[14]SEO J, KIM M. ELoran in Korea- Current status and future plans[C]//Poceedings of the Europen Navigation Conference, Vienna, 2013:23-27.

[15]Locata Signal Interface Control Document[R].2014.

[16]GAMBALE N. New technology for PNT resilience[R].2014.

[17]深圳儒科電子CSAC-SA.45s原子鐘測試[EB/OL].[2012-10-19]. http://www.doc88.com/p-958217609900.html.

[18]李榮冰,劉建業(yè),等. 基于MEMS技術的微型慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國慣性技術學報,2004,12(6):88-95.

[19]方震華,黃慧鋒.微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術在軍用設備中的應用現(xiàn)狀[J].電子機械工程,2010,26(4):1-4.

[20]張礴,顧李馮.藍綠激光在水下航行器導航中的應用展望[J].機械與電子2011(5):41-44.

[21]劉恒殊.應用激光進行控制與水下通信[J].光機電信息,2009,16(11):34-35.

[22]BAHDER T B. Quantum positioning system[C]//The 36th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting Naval Observatory Washington D C Washington 2004: 423-427.

[23]FISHER KENNETH A, RAQUET JOHN F. Precision position, navigation, and timing without the global positioning system[J]. Air & Space Power Journal,2011:24-33.

[24]李冀.國外提升衛(wèi)星信號在拒止環(huán)境下導航定位能力的新技術[J].導航定位學報, 2013,1(2):55-59.

張風國(1985-),男,工程師,主要從事導航定位授時(PNT)研究和電離層閃爍效應研究方面的工作。

歐明(1984-),男,在讀博士,主要從事電離層探測技術研究。

劉鈍(1973-),男,高級工程師,主要研究方向為衛(wèi)星導航應用技術,衛(wèi)星導航系統(tǒng)環(huán)境影響效應評估及應對措施等。

甄衛(wèi)民(1963-),男,研究員,主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和衛(wèi)星導航領域研究。

Review of Potential Navigation Technology

ZHANG Fengguo,OU Ming,LIU Dun,ZHEN Weimin

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Abstract:PNT technologies have been used widely in many kinds of applications, including military, commerce, civil, science and so on. Many countries have placed great emphasis on PNT technologies and plenty of new methods spring up in recent years, which are instatephase or in study and development. This paper reviews various valuable and useful methods of positioning and navigation, including X-ray navigation, geomagnetic navigation, gravity navigation, blue-green laser navigation, all-source navigation, micro-PNT, micro/nano-satellites navigation, quantum positioning system (QPS),and then analyzes their principles, advantages and disadvantage. The requirements of availability, autonomy, covert and anti-interference performance in different situations could be satisfied with reasonable combination of these PNT technologies. The analysis and conclusions can provide valuable references for the development of potential navigation technologies and national PNT architecture design.

Key words:Navigation; position; timing; architecture; PNT

作者簡介

收稿日期：2015-04-27

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0027-08

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.006