军 事 纵 横
发展
不依不依赖GPS的导航技术发展卫星应用于军事并不新奇，但卫星能在实战中发挥不可替代的作用，乃至改变现代战争的作战样式，则是在它开发出了可靠、高效的导航定位功能之后。GPS卫星导航定位系统可提供全球性、全天候、高精度服务，在军事、交通、测绘、农业等领域已经得到广泛应用。但GPS导航系统也有其自身较为明显的缺陷，过度对其依赖存在巨大的风险。
近年来许多国家愈来愈清晰地感受到，过度依赖GPS系统可能带来巨大的潜在隐患与风险，因此纷纷倾力开发可替代型高新技术，并取得了长足进展。
对卫星导航依赖日益增多
GP S卫星导航目前已经得到广泛应用，对美国而言，GPS 提供的定位、导与授时（PNT）服务是不可或缺的，即使在民用和商用领
域同样如此。据统计，美国交通运输、建筑测绘和农业领域高度或严重依赖 GPS 及其服务的比例高达 89%；军事领域对 GPS 及其服务的依赖程度更为严重，目前美军几乎所有装备系统均要依靠GPS 提供全球性、全天候、高精度导航服务，在其经济和军事基础建设中GPS不可或缺。
现代信息化战场上，GPS更是表现不俗，其制导导弹具备发射后“不管”或“少管”功能，即可预先将攻击参数输入导弹，或在导弹发射后通过数据链修改参数，实现自主攻击目标；还可实现“外科手术式”精确打击，如科索沃、阿富汗、伊拉克战争中，美军屡次对敌高价值战略目标，如固定机场、发电站和水库等成功实施防区外远程“外科手术式”精确打击。GPS已发展成为综合性超强的集成系统，包括天基系统以及陆基、空基、海
基联合作战平台，在信息化战争舞台上独树一帜。
海湾战争中，美军把GPS接收机安装在装甲车和直升机上，还使用了一万多个只有香烟盒大小的GPS接收机，可以装在口袋中，不用向导部队也不会迷失方向。据称，多国部队正是通过GPS系统提供的精确位置计算等情报后，才迂回绕过伊拉克共和国卫队，直插敌前方薄弱之处，形成对敌前后夹击态势。海湾战争后，在科威特的扫雷人员广泛使用了GPS设备来测定雷场，它能将地雷的位置精确到1平方米以内。在战场内，GPS设备共清扫了175万颗雷、弹，创造了现代战场扫雷的一大奇迹。科索沃战争中，空袭所用导弹和大多是GPS制导，大大提高了命中精度，飞机投放武器的距离也更远，使载机更加安全。另外，像B-2战略隐形轰炸机，本身就采用了GPS进行导航定位。
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“战斧”也是沾了卫星导航系统的光，才得以如此风光。现在“战斧”已经改用GPS作为制导方式，
不仅将导弹发射的准备时间缩短到几十分钟，并真正实现“发射后不管”。
卫星导航系统对特种作战也意义重大。由于它具备全天候连续、隐蔽定位的优点，尤其是一次定位时间仅需几秒到十几秒，并且使用者不需发射任何电磁信号、只要接收卫星导航信号即可。因此，特种作战部队无需无线电静默就已部分地保持了与指挥机构的联系，无需呼叫就可以获得战术支援，并且可以随着战场变化随时确认理想的行动路径。
GPS卫星导航面临潜在风险GPS卫星导航虽然目前已得到广泛应用，但存在信号强度弱、容易受到干扰和阻塞等问题，过度依赖存在巨大风险。近来国际业界频频发出担忧，认为“对GPS过度依赖，存在巨大风险”；由于其“信息化系统的脆弱，GPS系统一旦失效后果不堪设想”；甚至有评析指出“GPS若失灵，庞大作战体系将形同虚设”。
GPS之所以被诟病，主要是由于该系统过于依赖脆弱的天基卫星系统。卫星在战时极易被干扰、破坏，或受到网络攻击，自身安全性难以得到有效保证。军事专家担心的是，尽管明知GPS系统存在安全隐患，对其依赖程度还在不断提升。
外军研究表明，GPS信号系统功率相对较低，敌方只需通过简单的技术和常规设备就可有效干预其安全运行。例如，2011年，伊朗通过发射虚假GPS信号，巧妙捕获了美中央情报局RQ-170隐身无人机，充分暴露GPS信号弱、易被干扰的缺点；2012年，美国一大学科学实验室只通过一台价值不到
1000美元的GPS信号干扰机，便
成功运用欺骗术改变了一架小型
民用无人机的飞行路径。为此专家
惊呼，假使敌方善用各种欺骗术，
即便是拥有加密保护的军用系统
也将无可奈何。
GP S系统还存在一些其他软
肋。一是信号难以覆盖特殊区域，
GPS 仍然不能摆脱物理遮蔽的限
制，城市峡谷、高山峡谷、室内、
水下、地下以及浓密的原始森林
中，仍不能或不能很好地使用 GPS
提供的导航定位等服务；二是本
身安全问题，美军就曾发生因GPS
地面控制系统升级时出现故障，导
致接近90种使用GPS接收机的武
器系统无法运行。
美、英大力发展新型导航技术
为解决GPS脆弱性产生的 GPS
服务与应用受限问题，为强对抗条
件下的军事行动提供可用、灵活、
强健的高精度导航定位能力，建立
强对抗条件下的不对称优势，美、
英等国开展了多项不依赖 GPS的
高精度导航技术研究。美国近期开
展了“定位、导航与授时微技术”
（Micro-PNT），“全源定位与导航”
（ASPN）以及新型地面导航定位
技术；英国开始了“通过随机信号
导航”（NAVSOP）项目和高精度量
子导航系统的研究。
“定位、导航与授时微技术”
项目为了满足在卫星导航信号拒
止环境下的应用需求，美国从2010
年开始进行“微定位导航授时”
（Micro-PNT）技术的研究，以美国
高级研究计划局（DARPA）为主导，
利用微电子和微机电系统技术的
进展，开发芯片级精确惯导装置。
2010年，DARPA启动了Micro-PNT
项目的研发工作，发展微型化技术
用于高精度时钟和惯性器件的微
小型化开发。该计划的目标是，利
用芯片级的原子钟与“微惯性测量
单元”（IMU）技术融合取代传统的
PNT手段，以降低系统尺寸、重量
和功耗。该计划有四个关键研究领
域，分别是时钟、惯性传感器、微尺
度集成以及试验与鉴定，共包含了
10个具体的研究计划。该技术一旦
汽车gps导航系统研制成功，在军用、商业和民用交
通、
手机通信、科学考察等领域的
应用潜力非常巨大，将可能对现有
导航体系的发展产生革命性影响。
采用新工艺制造的“微型速率积分陀螺仪”
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2012年，Micro-PNT项目下的“微型速率积分陀螺仪”（MRIG ）子项目在制造工艺上取得突破，采用玻璃合金等非传统材料进行细微加工，完成了微型3D结构的焊接，并采用新工艺替代传统玻璃吹制方法制造出惯性传感器。同时
DARPA启动了Micro-PNT项目的另一个子项目—“芯片级原子钟”（C-SCAN ），旨在研制一种将固态和原子惯性传感器集成在单个微系统内的微型惯性测量组件。
2013年4月，作为Micro-PNT项目的一部分内容，美国密歇根大学在“授时惯性测量装置”（TIMU ）方面的研究取得了重要进展，TIMU 包含当GPS临时失效时导航所需的所有部件。单芯片的TIMU样机包含6坐标轴惯性测量装置（3个陀螺仪和3个加速度计），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。这种先进的设计方案是通过新型制造工艺、利用高质量材料才得以完成，全部组件都集成在了10立方毫米的狭小空间里。TIMU共有6层用微技术加工的二氧化硅结构层，每层厚度仅为50微米，与人类头发的直径相当，都可
实现不同的功能。TIMU未来的潜在应用广泛，由于其体积小且功能强大，未来可用于人员追踪、手持式导航、小口径弹药以及小型空中平台等。
美国DARPA还着眼于将IMU数
据与另一种新技术得到的数据相结合，以有效提高IMU的性能。该新技术利用原子的拉莫尔频率测量运动变化，只要不受较强的外界磁场干扰，就能够维持长时间、远距离的高精度导航。基于上述原理，该项目团队研制了芯片级组合原子导航仪的新系统。该新系统进行了严格密封，屏蔽了外界磁场干扰，目前能够提供4个小时的高精度导航服务，但目前尚未进入生产
。
“全源定位与导航”项目 “全源定位与导航”（ASPN）由美国DARPA负责，于2010年启动。该项目旨在研发一种可使任意导航传感器/敏感器组合方案能够快速集成、重新配置的体系架构、抽象方法以及滤
波算法，为用户提供 GPS 服务受限条件下的低成本、高精度的导航定位能力，满足不断变化的任务需求与环境变化的要求。
ASPN计划试图利用各种可用的导航信息资源、方法与途径，构建一种开放的体系架构，实现不同
导航信息资源、方法和途径的灵活组合、可重新配置和即插即用。ASPN并不是要全面取代或替代导航卫星系统，而是为在无法使用导航卫星系统提供的导航定位服务的情况下，提供一种解决方案，弥补因导航卫星系统固有脆弱性产生的服务或能力不足，增强导航定位服务和体系的可用性、完好性和强健性，特别是提升强对抗条件下的导航定位能力。
新型地面精确导航定位技术 新型地面精确导航定位技术使用安装在地面的同步收发机传送信号，为覆盖区域内的用户提供高精度、高可靠性的定位、导航和授时服务。各地面间的直线距离最大可达30千米，时钟频率可实现纳秒级同步。信号接收强度为GPS卫星的100万倍，定位精度理
ASPN方案示意图
新型导航芯片与美分硬币的对比全源导航算法惯性导航系统
平台
动态变化
精确导航解决方案
G P S
随机信号
光线测定与测距
影像磁场重力雷达
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论可达6厘米。2013年12月，美国与澳大利亚合作，利用在白沙靶场布设的地面精确导航定为网络，试验了新型地面精确导航定位技术。试验证实，这种导航定位技术实用性强，效果等同甚至优于当前使用的
GPS系统。
新型地面精确导航定位技术未来将成为美军着力打造的“GPS 备份能力”的重要组成部分，在战场区域内提供效果与GPS相同甚至更优的定位、导航和授时服务，极大提升美军在复杂电磁环境中的作战能力。
“通过随机信号导航”项目 2012年，英国BAE公司公布了“通过随机信号导航”（NAVSOP ）项目，该项目旨在利用使用者周围多种不同的自然与人造信号（Wi-Fi、无线电台、移动电话信号）等来估算自身的位置。最具革命意义的是，这种系统所需设施和所有硬件都是现成的，无需建立代价高昂的网络系统，且可以用于抵抗敌方的干扰和欺骗。该技术可在城市区域、建筑物内部甚至地下和水下等GPS 信号无法使用的地方发挥作用，也可以通过捕获各种信号，在北极等
世界上极端条件地区发挥作用。但NAVSOP技术也有缺陷，在利用多路或反射信号进行导航时，会出现计算错误。NAVSOP在军事方面具有广泛的应用潜力，它既能协助士兵在偏远地区展开行动，也能在敌方企图破坏其制导系统时，为无人驾驶飞机提供更好的安全保障。BAE公司认为，该项技术将改变导航对抗领域的“游戏规则”。
量子导航系统 量子导航系统的原理是利用激光俘获并冷却位于封闭真空容器中的原子云，将原子冷却至非常接近绝对零度的温度。这种超冷低能原子移动缓慢，对外力影响极为敏感，可利用激光束精确测量外力对原子的扰动，即可计算出容器运动状态，进而获取高精度导航数据。量子导航系统具有以下特点：一是导航精度高，潜艇在水下使用惯性导航系统时，一天的航迹误差超过1千米，而量子导航系统的误差不会超过1米；二是不受环境限制，量子导航系统能够在地球表面任何地方，特别是水下、建筑物内等环境中使用；三是不易被干扰，量子导航系统无需GPS信号或其他无线电导航信号等
外来信息，可实现自主导航。
近期，英国国防科学技术实验室（DSTL）与国家物理实验室的研究人员合作，计划在3～5年时间内研制出不依赖卫星导航的量子导航系统。2014年初，DSTL利用激光阵列冷却铷原子，已开发出一套长1米、鞋盒形状的量子导航系统原型机，并计划2015年9月对其进行测试。DSTL 下一步将致力于实现该设备的小型化，使其尺寸缩小到芯片级。未来，该系统可应用于单兵装备，以及汽车、智能手机等设备，具有广阔的军民应用前景。
结  语
尽管以GPS为代表的卫星导航系统存在诸多不足，但卫星导航系统仍是目前最可靠和最有效的导航定位手段，新型导航技术短期内尚无法撼动和取代卫星导航系统的地位。然而由于新型导航定位技术具备平战结合、军民共用特点，具有微小型化、智能化、实用化、低成本等优势，所以其发展必然前景
广阔。
责任编辑：安翠香
NAVSOP系统示意图. All Rights Reserved.