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美国陆军PNT能力发展趋势分析

作者:澳门皇冠   来源:皇冠赌场   时间:2019-05-25 13:19  点击:

  针对当前全球定位系统(GPS)易受干扰和攻击的影响,定位、导航与授时(PNT)系统需灵活应对多种复杂战场环境,分析了美国陆军未来发展先进 PNT 技术的背景。

  然后重点分析了美国陆军 PNT 能力的发展趋势,其中主要包括了伪卫星系统、车辆导航系统、惯性导航、定位、导航系统辅助传感器、导航传感器融合、导航仿生技术、授时、PNT 建模与仿真、导航战技术应用、自主与人工智能在 PNT 中的应用等11个方面的发展趋势。

  最后给出了简要总结,认为美陆军将注重改进单兵和车辆态势感知能力,以提高未来支持战场指挥官的任务指挥和决策能力,同时重点关注了开放式系统架构、SWaP-C优化、自主技术和人工智能技术,以提升 PNT 的整体能力。

  然而,在过去的几年当中,以其高可用性和精确性而著称的全球导航 卫 星 系 统 (Global Navigation SatelliteSystem,GNSS)一直受到各种各样的干扰和攻击。美国陆军可靠 PNT 跨职能团队 (Cross Functional Teams,CFT)主任,陆军太空与导弹防御司令部/陆军战略司令 部 (USASMDC/ARSTRAT)项目和技术主任William Nelson表示,“我们仍然相信 GPS 是一个非常强大的系统,我们的目标不是取代它,而是在 GPS 降级的环境中增强 GPS 的可信度,以提供可靠的 PNT。”

  美国空军上校,斯坦福大学教授,国家航天 PNT 咨询委员会副主席,被称为 GPS 之父的 Bradford Parkinson 表示,“我们不取代 GPS ,而是要协助和备份 GPS 。”事实上,除水下装备外,美国几乎所有的武器装备和平台都会用到 GPS 进行 PNT,而在战场前沿等有时 GPS 出现不可用的情况下,会采用其他代替或补充的方式进行 PNT。

  2013年美国陆军发布了《战术可靠 GPS 区域性能力替代方案分析》,明确了其在战术环境下的 PNT 能力发展需求,相关潜在技术、相应系统解决方案,以及不同系统、平台在 GPS 不可用环境中的替代技术与集成方案,并将实现可靠 PNT 能力作为最终目标。

  GPS是美国陆军 PNT 能力的基础,陆军已经将 GPS 装备到各种飞机、战车和单兵装备等各类作战单元。而随着 GPS 易受地形、建筑、电子对抗等自然和人为因素干扰的影响,使得美国陆军的 PNT 优势受到挑战。

  然而,美国陆军仍然将 GPS 作为 PNT 体系的核心能力和基础,在加强 GPS 信号强度、提高抗干扰能力的同时,以陆地导航、混合导航和自动导航等技术弥补 GPS 的能力缺陷,并利用各类数据链、战术网络、无线保真(WiFi)等技术作为 PNT 的传输途径,增加电子对抗的鲁棒性,在兼顾尺寸、质量、功耗和成本(SWaP-C)的前提下,以推动创新、维持技术优势为主要目的,发展综合 PNT 技术。美国陆军已经依靠可靠 PNT 等项目发展 GPS不可用时的 PNT 技术,同时陆军也在发展更灵活、更先进的 PNT 系统,以提高美陆军的 PNT 能力。

  据美国联邦商业机会 (Federal Business Opportunities,FBO)网站2017年11月24日报道,美国陆军通信-电子研究开发和工程中心发布了广泛征集公告 BAA W56KGU-18-R-PN22,以开展一项广泛的、为期5年的研究计划,旨在开发可在战场使用的全新的 PNT 技术,以改进并增强当前和未来陆军的作战能力、灵活性和快速响应能力,增强在对称和非对称环境中的作战能力。

  本文将主要通过梳理该 BAA 需求信息内容,分析美国陆军 PNT 能力的发展趋势,以期为读者提供有益的参考。

  众所周知, GPS 容易受到各类干扰和欺骗的影响,且在一些有遮挡的区域,会发生收不到 GPS 信号或信号较弱的现象,这导致 GPS 难以满足现代复杂战场网络电磁强对抗环境的应用需 求。针对 PNT 系统的攻防,1997年美军曾提出导航战的概念,2017年美空军又提出了授时战的概念。此外,电子战(含自适应电子战、认知电子战)、信息战、网络战等概念也曾应用于 PNT 系统的攻防。

  2015年初,美国陆军专门组建了 PNT 项目办公室,以推动从传统 GPS 能力向 A-PNT 能力的快速转型。

  美国陆军 A-PNT 项目包含4个子项目:1)基于地面无线电导航系统的伪卫星项目;2)为车辆系统提供 PNT 项目;3)为单兵提供 PNT 项目;4)抗干扰的 PNT 天线项目。A-PNT 项目经理 Kevin Coggins在2017年5月表示, A-PNT 项目可使陆军进入战争中的下一个导航级别,并将超越 GPS 的能力。

  为提高未来美陆军 PNT 能力,提供步兵和战车等武器更加可靠和精确的 PNT 技术,美国陆军进行了多项举措,相应的技术发展将成为 GPS 的补充和备份。

  由于 GPS 信号可能被友方或敌方的电磁信号或天然障碍降级或拒止,美国陆军希望通过使用地面或近地面无线电发射机广播类 GPS 信号,以此建立伪卫星系统,以支持和增强 GPS 信号,提高态势感知能力,从而提高任务指挥效率和效果。在GPS信号中度降级环境下,伪卫星系统有助于获取GPS卫星信号;在严重降级环境下,伪卫星系统可用作定位和授时源。在 GPS 可用时,伪卫星系统依靠 GPS 信号将获得更为精准的位置、速度和时间(Position Velocityand Time,PVT)信息。美国陆军希望伪卫星系统具有以下能力:

  3)可兼容抗干扰 GPS天线)具有异形光束输出天线)具有共形天线)具有分布式孔径天线)具备防篡改技术;

  美国陆军希望持续推进惯性导航技术发展,改进单兵和车辆态势感知能力,并提高战场指挥官的任务指挥和决策能力。陆军希望应用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)、机械、光学和原子等技术设计并开发出新型陀螺仪和加速计传感器,以满足单兵和车辆平台的 SWaP-C 最小化目标。此外,陆军还希望开发传感器自校准、速度更新和范围辅助等技术,以保证导航的长期性能。

  美国陆军希望使用多种外部信息来确定位置信息,如 GPS、多全球导航卫星系统(Multi-GNSS)、无线电导航、天文导航、地形匹配导航、机会信号导航(Navigationvia Signals of Opportunity,NAVSOP)和无线电大气信号导航等,以提高战场任务指挥和决策能力。陆军希望重点突破:

  美国陆军希望开发用于单兵和车辆平台的导航辅助技术,在有 GPS信号时,通过辅助传感器提高 GPS的定位精度;在无 GPS信号时,能够保持较长一段时间内与 GPS 相当的定位精度。陆军认为这种辅助传感器应该是无电磁辐射的,或是具有少量辐射的,或辐射是受控的;另外物理硬件和软件应该是模块化的、易于嵌入的,且是可调可优化的,以适应各种军事平台(如步兵、战车和航空器),从而保障未来系统的升级。 在陆军通用操作环境(Common Operational Environment,COE)中,系统应能够正常工作并遵循预期的体系架构。陆军对于军事导航系统辅助传感器的发展主要包括:

  4)超定传感器技术,融合和优化传感器数据、功能和应用,以提供鲁棒的、准确的导航解决方案;

  5)人工智能,通过自适应感知环境变化,智能地融合各种传感器数据,以增强传感器融合能力。

  8)利用人工智能技术提高学习和自适应 PNT 的能力,以对抗敌方的威胁;

  在各种设计考虑中,特别是小型化装备和单兵PNT 需求,美国陆军十分注重尺寸、质量、功耗和成本之间的权衡、协调和优化,期望能够全面降低SWaP-C,提升车辆和单兵 PNT 能力,并降低成本。

  随着大数据、云计算技术、人工智能、无人自主技术等前沿颠覆性技术的发展,美国陆军希望充分利用自主技术和人工智能技术等前沿技术,提高车辆和单兵的环境适应性、态势感知能力、自主导航和协同导航能力,最终提升陆军整体的 PNT 能力。

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