不依賴衛星的定位導航與授時體系研究

魏毅寅,鄭 辛,劉 壘,徐海剛,李 俊

(1. 中國航天科工集團有限公司,北京 100048;2.北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

0 引言

定位導航與授時信息是支撐現代人類社會正常運轉的核心基礎信息,是推動交通、金融、通信、電力等行業發展和支撐武器裝備精確打擊、體系化作戰等國防安全建設的關鍵。其中,基于衛星的定位導航與授時體系,即天基定位導航與授時體系(positioning, navigation and timing system,PNT),建立了統一的時間、空間基準,正在深刻影響著當代社會發展,也顯著改變了現代戰爭形態。然而,隨著反衛技術和電子對抗技術的快速發展與普遍應用,針對衛星的直接毀傷和信號干擾使天基PNT面臨著巨大挑戰,其脆弱性日益凸顯。

2021年5月,美國政府問責局發布專項報告,質疑美國防部將全球定位系統(global positioning system, GPS)優先作為PNT能力核心基石的做法,提出應“考慮最具彈性的技術作為應用于軍事任務的PNT基石,而不是默認使用GPS”[1]。這反映出PNT信息安全問題已引起美國政府的高度重視。如何在衛星拒止條件下實現精確定位導航與授時,已成為亟待解決的重大現實問題。

1 天基PNT現狀

以GPS和北斗為典型代表的天基PNT體系為軍民領域提供了一種廣泛而普惠的定位導航與授時途徑,已成為支撐國家經濟發展與國防建設的重大基礎設施。同時,天基PNT也存在信號覆蓋受限、信號弱易受干擾、星座和地面控制系統存在受攻擊風險等脆弱性問題。

1.1 國民經濟發展高度依賴天基PNT

在國民經濟領域,新興業態與商業模式大多以天基PNT服務為基礎,前沿技術的市場轉化通常也是以PNT信息可用為前提,海量社會組織與生命個體依賴于不間斷的PNT服務。天基PNT已成為國民經濟領域高精度位置和時間服務不可或缺的基礎設施,為電信網絡/移動通信的高速信息交互、電力設施運行、實時金融服務、個人出行與智能交通、公共安全和災害監測、精準農業、港口物流、大尺度地球物理/氣象科學研究等提供了精確的時空信息,已成為國民經濟發展的基礎。一旦天基PNT服務中斷或受到操控,國民經濟將遭受重創[2],社會治理可能出現混亂與倒退。

美國國土安全部評估“美國部分關鍵基礎設施越來越依賴GPS和基于GPS的服務”,“從長遠看,這種威脅會對美國國家、國土和經濟安全構成越來越大的風險”[3]。2017年英國咨詢機構“創新英國”(Innovate UK)評估,天基PNT中斷對英國經濟的影響可達每天12.5億美元。2019年美國商務部和國土安全部預估天基PNT能力喪失對經濟的直接影響達到每天10億美元[3]。此外,由于天基PNT與電力、交通、金融、物流等行業關鍵基礎設施深度集成,其服務中斷所造成的間接損失更為嚴重。

1.2 打贏現代高科技戰爭高度依賴天基PNT

在國防領域,天基PNT在各類武器裝備精確打擊與體系化協同作戰中發揮了至關重要的作用,成為打贏現代高科技戰爭的關鍵。

(1)武器精確打擊能力高度依賴天基PNT

天基PNT為武器裝備提供高精度導航信息,在現代戰爭中實現了“外科手術”式精確打擊。當前在精確打擊武器、無人平臺、偵察感知等裝備中,70%以上依賴衛星;制導炮彈、單兵和微小型無人裝備等完全依賴衛星。俄烏沖突伊始,俄羅斯發射了“口徑”巡航導彈、“伊斯坎德爾-M”彈道導彈等百余枚導彈,采用“慣性+衛星+雷達/光學末制導”方式,對烏克蘭軍事目標實現精準打擊;烏克蘭使用美國的“海馬斯”火箭炮,采用衛星導航,實現快速精確攻擊。可以說沒有天基PNT的支撐,大量武器裝備就無法實現精確打擊。

(2)體系化協同作戰高度依賴天基PNT

天基PNT統一的時間、空間基準,顯著增強了戰場實時感知能力、同步通信能力及后勤支援行動能力,支撐實現無特征地形機動、全天候晝夜跨域協同、分布式指揮與控制等軍事行動,使部隊聯合作戰能力大幅提升,帶來了作戰模式的重大變革。俄烏沖突中,烏方通過美國麥克薩科技公司(Maxar)及地球觀測公司(Capella Space)衛星偵察到了俄羅斯地面部隊動向,以天基PNT信息輔助實現戰場實時偵察感知;烏軍使用美國電子偵察裝備探測“里爾-3”“克拉蘇哈-4”等俄電子戰裝備信號,準確定位后使用自殺式無人機和反輻射導彈進行有效打擊,GPS信息服務支撐了從偵察到精確打擊的協同指揮與控制全過程。可以說,沒有天基PNT的支撐,體系化作戰將無法有效運轉。

1.3 大國博弈背景下天基PNT的脆弱性逐漸凸顯

(1)天基PNT服務范圍受限

只有穩定接收到衛星信號才能實現準確定位,而在城市地下空間、室內、山區、隧道、礦井、叢林,以及水下等特殊區域,衛星信號無法到達或不能穩定覆蓋,導致天基PNT服務范圍受限。

(2)導航信號弱,易受干擾和誘騙

電子干擾或欺騙環境下無法準確定位。其中衛星導航信號弱,易受干擾,4～8 W功率的干擾就可影響200 km范圍。2017年4月,美國對敘利亞的沙伊拉特空軍基地發射59枚戰斧導彈,36枚受俄羅斯的“杠桿-AV”電子戰系統干擾偏離目標。俄烏沖突中,俄羅斯在25萬個移動基站安裝GPS干擾機,有效限制了北約對克里米亞、黑海等地區的實時偵察與打擊,同時在戰場上對GPS信號進行實時干擾,使烏軍被迫放棄使用無人機進行實時偵察。此外,通過信號誘騙也可以有效影響使用,2018年,俄羅斯在敘利亞使用GPS欺騙信號誘使敵方多架攜帶爆炸物的無人機在指定地點降落[3]。

(3)導航星座和地面控制系統存在受攻擊風險

針對衛星星座研發的反衛導彈、激光/電磁武器發展迅猛,針對地面控制系統的網絡攻擊日趨頻繁。2021年11月,俄羅斯利用直升式反衛星武器DA-ASAT擊中軌道高度約670 km的“宇宙-1408”衛星[4];2022年5月,俄政府高級官員聲稱,俄軍已批量裝備“佩列斯韋特”激光武器系統,可在5 s內致盲軌道高度在1500 km左右的低軌衛星;美國聯邦商業機會網(federal business opportunities, FBO)披露,美國曾在GPS地面控制系統升級過程中,出現GPS接收機不兼容問題,導致美空軍至少86種武器系統癱瘓。

綜上所述,對天基PNT的高度依賴已成為關系國家安全與經濟發展的重大現實問題,必須尋求一種替代和補充的技術途徑,要求其在滿足精度需求的同時,還應具備突出的自主性與安全性,難以被干擾和破壞,覆蓋范圍與時間不受限制,且體積、質量、功耗和成本(size, weight, power and cost,SWaP-C)可承受,也就是一種“全空域、全時域、高精度、高可靠、高效費比的定位導航與授時服務能力”。為此,提出基于“慣導+時鐘+多源融合”的不依賴衛星的定位導航與授時體系。

2 不依賴衛星的PNT體系

2.1 概念內涵

不依賴衛星的定位導航與授時體系旨在衛星拒止環境下提供全空域、全時域、高精度、高可靠、高效費比的定位導航與授時服務能力,以發展“慣導+時鐘”提升基礎PNT能力作為保底手段,利用人工智能技術,融合陸基無線電、通信網絡、電視廣播、視覺、天文、地磁等各類PNT手段,實現能力增強、補充與無縫銜接,在典型使用場景下具備與天基PNT相當的功能與性能,有效解決國防建設和經濟發展領域面臨的PNT信息安全重大問題。其概念與內涵如圖1所示。

圖1 不依賴衛星的定位導航與授時體系概念內涵Fig.1 Concept of satellite-independent PNT system

實現不依賴衛星的PNT體系,關鍵在于:一是發展慣性導航與微時鐘技術,提升精度,增強基礎導航與授時能力;二是發展即插即用的多源智能融合技術,延長精度保持時間,全面提升PNT性能。

2.2 慣性導航技術

慣性導航系統通過自身內置的陀螺和加速度計敏感,計算獲得位置、航向、速度等導航信息,從原理上不受外界電磁干擾,具有突出的自主性,在不依賴衛星的PNT體系中,是基礎導航能力和自主性的根本保證。

慣性導航系統的核心是陀螺,基于其工作原理,慣性導航技術可劃分為四代:機電陀螺慣導技術、光學陀螺慣導技術、振動陀螺慣導技術和原子陀螺慣導技術,如圖2所示。

圖2 四代慣性導航技術Fig.2 Four generations of inertial navigation technology

第一代是機電陀螺慣導技術,特點是精度高,但體積、質量大,價格昂貴,典型產品有靜電、三浮、動調等陀螺及平臺慣導,主要滿足早期核潛艇、洲際導彈等戰略裝備精確打擊與導航控制需求。

第二代是光學陀螺慣導技術,特點是啟動快、動態范圍大、成本適中,典型產品有光纖、激光等陀螺及捷聯慣導,目前已廣泛應用于艦船、飛機、導彈、戰車等領域,替代第一代機電陀螺慣導,滿足了大量戰術武器及部分戰略武器與平臺自主導航需求。未來主要向兩個方向發展:一是超高精度光學陀螺,大幅提升精度,全面滿足戰略武器裝備發展需求;二是集成光學陀螺,大幅降低體積、質量、功耗與成本,滿足戰術武器不斷發展的綜合需求。

第三代是振動陀螺慣導技術,特點是體積更小、成本更低,典型產品有半球諧振、微機電等陀螺及捷聯慣導。其中,微機電慣導與衛星導航組合已廣泛用于制導彈藥、微小型無人裝備、單兵等領域,滿足了常規環境下微小型裝備的導航需求;半球諧振陀螺慣導已開始在戰術武器裝備中逐步推廣應用[5]。未來主要向兩個方向發展:一是高精度硅微機電陀螺慣導,實現一定時間內10 m自主導航精度,且體積、質量、成本與衛星導航終端相當,滿足衛星拒止環境下微小型裝備導航需求;二是半球諧振陀螺慣導,實現更長時間內高精度自主導航,以更優的SWaP-C綜合性能滿足衛星拒止環境下戰略、戰術武器裝備導航需求。

第四代是原子陀螺慣導技術,具有超高精度潛力,主要方向是核磁共振陀螺、無自旋交換弛豫(spin-exchange relaxation-free, SERF)陀螺、原子干涉陀螺等,目前處于實驗室探索研究階段。

整體來看,慣性導航技術的發展就是在持續提升精度的同時不斷優化體積、質量、成本、功耗等綜合性能,從而實現所有武器裝備“用得上、用得起”,如圖3所示。特別是,通過進一步發展第二代慣導技術,全面發展第三代慣導技術,完全能夠支撐不依賴衛星的PNT體系對基礎導航能力與自主性的核心需求。

圖3 慣導技術發展趨勢[6]Fig.3 Inertial navigation technology development trend[6]

2.3 微時鐘技術

慣導系統內置晶振,具備基本的守時/授時能力,通過采用高精度微時鐘替換晶振,可以實現守時/授時精度數量級提升,滿足衛星拒止環境下國防領域體系化協同作戰與經濟領域時間同步的需求。

目前,微時鐘技術快速發展,芯片原子鐘典型產品穩定度優于3×10-10,硅基微時鐘穩定度優于1×10-8,已具備工程應用條件。未來,通過攻關可進一步提升穩定度、體積等綜合性能,有力支撐不依賴衛星PNT體系基礎守時/授時能力與自主性需求。

2.4 多源融合技術

慣導與微時鐘的誤差會隨時間累積,當其他PNT信息可用時,通過多源融合技術修正累積誤差,能使PNT信息精度保持時間大幅延長。其重點是制定多源融合策略,突破多源智能融合算法,進一步提升各類PNT傳感器性能,并加強PNT基礎支撐能力建設。

(1)多源融合策略

多源融合需充分利用一切可用的外部PNT信息,涉及多種傳感器與信息源,多種傳感器技術機理、接口模式、時空基準都存在差異,因此需要進行規劃與設計,制定統一標準規范,保障多種PNT信息的可用、能用與好用。重點包括三方面:一是在多源信息基準的傳遞方面,針對傳感器及信息類別差異,制定時空基準轉換、傳感器接口與PNT信息規范,形成多源信息基準傳遞策略;二是針對多源PNT信息融合需求,制定信息評價標準,形成PNT信息優選與故障重構策略;三是針對同類信息存在共模干擾問題,形成PNT信息冗余配置策略,提升可靠性與強壯性。

(2)多源融合算法

多源融合算法通過采用因子圖等數學工具,來處理組合導航系統中導航傳感器接入接出、環境動態干擾等因素的影響,實現所有PNT信息無縫融合,獲得最優導航結果。發展重點包括兩方面:一是針對復雜戰場環境下運動狀態、空間環境、信息環境等不確定擾動影響,實現多源導航信息可用性、可信性和完備性的定性和量化,支撐多源導航信息高效利用;二是針對光、電、磁、力、聲傳感器信息的數學模型、噪聲類型、信號質量等差異,從算法與軟件層面實現異源、異構、異質、異步多源導航信息建模與智能化融合。

美國空軍研究實驗室采用慣性+視覺/磁力計/氣壓計等傳感器完成多源融合技術驗證,在無衛星信號的環境下實現高精度定位導航,定位精度優于10 m,并先后在各類艦艇、飛機和車輛上完成了演示。

(3)多源PNT基礎能力

基礎能力體現在基礎設施和基礎信息數據庫兩方面,為多源PNT提供信息源或參考基準的支撐。其中前者主要包括:以甚低頻定位系統、增強羅蘭為代表的陸基PNT系統,以及提供可用于定位的無線電信號的通信基站、無線網絡等設施。特別是甚低頻定位系統,具有全球可用、抗干擾能力強、理論精度與GPS相當的優勢,美國海軍在2019年完成的測距試驗中,定位精度450 m,預測修正后誤差小于40 m[6],是天基PNT的潛在備份系統之一。

基礎信息數據庫是數字化與模型化的時空參考基準,包括地球物理信息(地磁、重力、地形、景象等)、天體物理信息(恒星、脈沖星)等,相關傳感器通過數據匹配實現PNT信息轉換與輸出。目前景象匹配可實現米級定位,天文導航可實現角秒級姿態測量,未來地磁、重力、脈沖星等基礎信息數據庫需進一步提高分辨率與精度,滿足深海、深空等特殊領域PNT需求。

(4)多源PNT傳感器

多源融合是不依賴衛星的PNT系統的性能倍增器,其精度提升效果與用戶可承載性很大程度上取決于PNT傳感器。如,無人機采用慣導+相機融合的方式可使定位精度達到10 m;無人車采用微慣導+激光雷達融合實現了亞米級定位精度。未來發展重點是各類PNT傳感器模塊化、芯片化,并與慣導系統實現集成應用:如氣壓傳感器、磁傳感器已經實現商用芯片化,重點在于集成應用與融合模式創新;視覺、天文、重力、仿生等傳感器重點向模塊化、芯片化、低成本方向發展,并實現與慣導的一體化集成。

整體來看,通過進一步發展多源融合策略、算法、PNT傳感器與基礎支撐能力,可有效抑制慣導與微時鐘的誤差累積,支撐不依賴衛星的PNT體系對長時間精度保持能力的需求。

2.5 應用前景

不依賴衛星的定位導航與授時體系,在衛星導航不可用或強電子對抗環境下,具備以下能力:

1)覆蓋性:在強對抗環境下和地下空間、室內、山區、隧道、礦井、叢林、水下、深空及地外星體等區域,具備海、陸、空、天全空域覆蓋的高精度定位導航與授時能力,并具有極高的連續性、完好性和可用性。

2)精確性:與衛星導航相當,滿足高速通信、智慧城市、智能交通、精準農業和武器裝備精確打擊、無人平臺精確到達、態勢偵察感知、實時指揮控制等國民經濟與國防建設發展需求。

3)可承載性:體積、質量、功耗及成本顯著降低,可滿足民用海量、無限、連續、密集定位導航與授時的需求和武器裝備低成本、大批量的需求。

3 結論

綜上所述,不依賴衛星的PNT體系具有重大的現實需求和良好的技術基礎,我們應抓住戰略機遇,全力推進,盡快建設形成能力,覆蓋水下、地面、空中、太空、深空等全空域,全面解決衛星拒止情況下PNT安全的現實問題,滿足國防與經濟領域的重大需求。