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应用案例不依赖GPS定位导航授时技术
时间：2017-05-21 发布者：中新创 浏览次数：次
美国国防高级研究计划局（DARPA）正在同时开展5个项目的研究，全部或部分聚焦于定位导航授时技术的开发，以摆脱军事人员和系统设备对GPS的依赖。
很难想象在现代社会中，如果没有全球定位系统（GPS）来提供实时的定位导航授时（PNT）服务，无数的军事和民用设施应如何运转。部分得益于美国国防高级研究计划局（DARPA）早年对GPS小型化技术的投资，今天的GPS技术已经无处不在：从汽车、船舶、飞机、火车、智能手机、手表，到无人驾驶车、制导武器和自动供应链管理，GPS都发挥了重要作用。
尽管GPS是革命性的，但它也有其局限性。例如，在地下和水下等空间，无法接受到GPS信号，GPS卫星一旦突然因故障、敌对打击或干扰（如太阳风暴）等原因无法提供服务，这对依赖GPS作为PNT信息来源的作战人员或系统来说可能是致命的灾难。为了解决这个问题，DARPA正在探索创新技术和方法，以开发新一代可靠的、高精度的PNT系统。
DARPA项目经理阿拉提·普拉巴卡尔介绍称，“定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺。DARPA目前正在研究新机理、研制新设备、开发新算法，以摆脱军事人员和系统设备对GPS的依赖。”
伪卫星是可提供类似GPS信号的系统，这种信号可被传统军事GPS接收器使用。科金斯表示，在电子或物理干扰环境中，伪卫星子项目利用类似GPS卫星的地面和机载射频导航发射器，使用更高功率的信号提供PNT数据，实现PNT区域防护。科金斯指出，区域防护可通过部署伪卫星发射器来实现，支持旅级作战部队的作战区域。伪卫星子项目可使依赖PNT的系统持续作战，如蓝军跟踪系统、通信网络和制导弹药。
DARPA目前正在同时开展5个项目的研究，全部或部分聚焦于定位导航授时技术的开发：
（1）适应性导航系统（ANS）。该项目主要是开发可适应多种平台的“即插即用”PNT传感器结构与算法，从而降低开发成本，将部署周期从数月缩短到数天。ANS项目主要通过冷原子干涉陀螺仪实现惯性测量，利用量子属性制造准确的惯性测量装置，无需外部数据就可以长时间确定时间和位置。此外，ANS项目还寻求利用非导航电磁信号（包括商用卫星、光波和电视信号甚至闪电）为PNT系统提供额外的参考信息。将不同的信号来源相结合，可以使这种PNT系统在GPS信号较弱甚至消失的情况下，提供比GPS系统更强更丰富的信息。
（2）微PNT技术（Micro-PNT）。Micro-PNT项目的目标是，通过利用DARPA开发的微机电系统（MEMS）技术开发独立的芯片级惯性导航和制导系统。DARPA资助的研究人员已经制造了包含6坐标轴惯性测量装置（3个陀螺仪和3个加速度计）样机，并集成了高精度的主时钟，这7种装置构成了一套独立的微型导航系统，尺寸比1美分的硬币还小。DARPA目前正在开发具有自校准、高性能和低成本的微型传感器，以替代当前体积、重量和功率均较大的传感器。Micro-PNT近期的其它技术突破包括用于惯性传感器的新型微加工技术和材料。
（3）量子辅助传感与读出（QuASAR）技术。该项目主要是为了制造具有健壮性和可移植性的原子钟。目前高精度原子钟只能在实验室固定环境下工作。QuASAR研究人员已经在实验室环境下开发出了光学原子钟，其在50亿年内的误差小于1秒。通过研发可移动的原子钟，提高GPS的度，开发新型雷达、激光雷达和测量系统等。
（4）超快激光科学与工程项目（PULSE）。该项目旨在利用超短脉冲激光技术来显著提升原子钟和微波源的精度，从而实现远距离的时间和频率同步。如果PULSE项目取得成功，那么全球范围内都可以共享的光学原子钟授时。
（5）对抗性环境中的空间、时间和方位信息（STOIC）。该项目旨在寻求发展独立于GPS系统之外的定位、导航和定时信息的系统。STOIC具有与GPS系统相当的定时和定位精度，包括三个主要元素：远程健壮的参考信号，极稳定的战术时钟以及为多用户提供PNT信息的多功能系统。
GPS在现代军事应用中已经不可或缺。正是为了应对GPS性能下降或无法使用的情况，DARPA希望通过开发多个新型PNT项目，为军队提供稳定可靠的定位、导航和定时服务。
潜在对手对当前GPS能力的攻击日益复杂，部队需在GPS面临挑战的远程、高风险环境中作战，因此，“可靠PNT”对于所有军种而言都是必需能力。
4月，美海军向工业界寻求创新方法，以改进未来导航套件，从而在GPS拒止环境中导航。此外，2月，美空军特种作战司令部战场空军办公室从罗克韦尔•柯林斯公司订购了远程安全接收器，以保护GPS系统免受不断增长的干扰和欺骗威胁。
“可靠PNT”包含四个子项目：伪卫星、下车PNT、乘车PNT和抗干扰天线。这些子项目分别处于不同的技术成熟度阶段。到目前为止，伪卫星是进入技术成熟和风险降低（TMRR）阶段的项目，已授出竞争性的原型合同。
很难想象在现代社会中，如果没有全球定位系统（GPS）来提供实时的定位导航授时（PNT）服务，无数的军事和民用设施应如何运转。部分得益于美国国防高级研究计划局（DARPA）早年对GPS小型化技术的投资，今天的GPS技术已经无处不在：从汽车、船舶、飞机、火车、智能手机、手表，到无人驾驶车、制导武器和自动供应链管理，GPS都发挥了重要作用。
尽管GPS是革命性的，但它也有其局限性。例如，在地下和水下等空间，无法接受到GPS信号，GPS卫星一旦突然因故障、敌对打击或干扰（如太阳风暴）等原因无法提供服务，这对依赖GPS作为PNT信息来源的作战人员或系统来说可能是致命的灾难。为了解决这个问题，DARPA正在探索创新技术和方法，以开发新一代可靠的、高精度的PNT系统。
DARPA项目经理阿拉提·普拉巴卡尔介绍称，“定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺。DARPA目前正在研究新机理、研制新设备、开发新算法，以摆脱军事人员和系统设备对GPS的依赖。”
伪卫星是可提供类似GPS信号的系统，这种信号可被传统军事GPS接收器使用。科金斯表示，在电子或物理干扰环境中，伪卫星子项目利用类似GPS卫星的地面和机载射频导航发射器，使用更高功率的信号提供PNT数据，实现PNT区域防护。科金斯指出，区域防护可通过部署伪卫星发射器来实现，支持旅级作战部队的作战区域。伪卫星子项目可使依赖PNT的系统持续作战，如蓝军跟踪系统、通信网络和制导弹药。
DARPA目前正在同时开展5个项目的研究，全部或部分聚焦于定位导航授时技术的开发：
（1）适应性导航系统（ANS）。该项目主要是开发可适应多种平台的“即插即用”PNT传感器结构与算法，从而降低开发成本，将部署周期从数月缩短到数天。ANS项目主要通过冷原子干涉陀螺仪实现惯性测量，利用量子属性制造准确的惯性测量装置，无需外部数据就可以长时间确定时间和位置。此外，ANS项目还寻求利用非导航电磁信号（包括商用卫星、光波和电视信号甚至闪电）为PNT系统提供额外的参考信息。将不同的信号来源相结合，可以使这种PNT系统在GPS信号较弱甚至消失的情况下，提供比GPS系统更强更丰富的信息。
（2）微PNT技术（Micro-PNT）。Micro-PNT项目的目标是，通过利用DARPA开发的微机电系统（MEMS）技术开发独立的芯片级惯性导航和制导系统。DARPA资助的研究人员已经制造了包含6坐标轴惯性测量装置（3个陀螺仪和3个加速度计）样机，并集成了高精度的主时钟，这7种装置构成了一套独立的微型导航系统，尺寸比1美分的硬币还小。DARPA目前正在开发具有自校准、高性能和低成本的微型传感器，以替代当前体积、重量和功率均较大的传感器。Micro-PNT近期的其它技术突破包括用于惯性传感器的新型微加工技术和材料。
（3）量子辅助传感与读出（QuASAR）技术。该项目主要是为了制造具有健壮性和可移植性的原子钟。目前高精度原子钟只能在实验室固定环境下工作。QuASAR研究人员已经在实验室环境下开发出了光学原子钟，其在50亿年内的误差小于1秒。通过研发可移动的原子钟，提高GPS的度，开发新型雷达、激光雷达和测量系统等。
（4）超快激光科学与工程项目（PULSE）。该项目旨在利用超短脉冲激光技术来显著提升原子钟和微波源的精度，从而实现远距离的时间和频率同步。如果PULSE项目取得成功，那么全球范围内都可以共享的光学原子钟授时。
（5）对抗性环境中的空间、时间和方位信息（STOIC）。该项目旨在寻求发展独立于GPS系统之外的定位、导航和定时信息的系统。STOIC具有与GPS系统相当的定时和定位精度，包括三个主要元素：远程健壮的参考信号，极稳定的战术时钟以及为多用户提供PNT信息的多功能系统。
GPS在现代军事应用中已经不可或缺。正是为了应对GPS性能下降或无法使用的情况，DARPA希望通过开发多个新型PNT项目，为军队提供稳定可靠的定位、导航和定时服务。
潜在对手对当前GPS能力的攻击日益复杂，部队需在GPS面临挑战的远程、高风险环境中作战，因此，“可靠PNT”对于所有军种而言都是必需能力。
4月，美海军向工业界寻求创新方法，以改进未来导航套件，从而在GPS拒止环境中导航。此外，2月，美空军特种作战司令部战场空军办公室从罗克韦尔•柯林斯公司订购了远程安全接收器，以保护GPS系统免受不断增长的干扰和欺骗威胁。
“可靠PNT”包含四个子项目：伪卫星、下车PNT、乘车PNT和抗干扰天线。这些子项目分别处于不同的技术成熟度阶段。到目前为止，伪卫星是进入技术成熟和风险降低（TMRR）阶段的项目，已授出竞争性的原型合同。
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