來源：學術 plus 作者：張濤
2021年5月10日，美國政府問責局（Government Accountability Office, GAO）發布題為《國防導航能力：國防部正在開發定位、導航和定時技術，以作為全球定位系統 GPS 的補充 》（Defense Navigation Capabilities: DOD is Developing Positioning, Navigation, and Timing Technologies to Complement GPS）的研究報告，對美國國防部研發新的PNT 技術作為 GPS 的補充情況進行了分析，
文章僅供參考，觀點不代表本機構立場，
國防部研究PNT 技術以彌補 GPS 的不足
編譯：學術plus高級評論員 張濤
發布時間：2021年5月10日
發布來源：美國政府問責局
研究背景
幾十年來，基于衛星的 GPS 將PNT（定位、導航和計時技術）數據傳輸到全球軍事平臺和人員使用的接收器中。PNT 資訊在國防部相關行動的許多方面都是必不可少的。考慮到 GPS 的普遍性，其信號或設備的故障或干擾可能會中斷包括飛機、軍艦、彈藥、陸地車輛和地面部隊的軍事活動。因此，國防部開始探索 GPS 的替代方案，
國防部要求GAO對國防部正在研發的PNT替代技術進行評估，本報告分析和討論了：
（1）國防部計劃如何滿足未來PNT的需求以及 替代PNT技術的功能和局限性；
（2）替代PNT技術如何與彼此以及當前的PNT功能集成；
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GPS 提供的PNT 資訊的威脅
準確的PNT 資訊對美國軍事和民用用戶來說非常重要，對有效的軍事行動、關鍵防御和民用基礎設施來說都是非常必要的。GPS 是美國和其他國家作戰人員基于衛星的PNT資訊的主要來源，由美國太空軍以國防部的名義運營，
美軍使用的 GPS 系統
正常情況下， GPS可以為軍事和民用用戶提供相關的重要能力，但同樣也會受到其他對手的干擾。意識到美國依賴GPS 系統，潛在的對手開始研發和使用干擾器、欺騙器來影響美國軍方使用GPS系統。
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GPS衛星的低功率信號容易受到地面無線頻率干擾系統的干擾，
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GPS衛星也可能會受到物理攻擊的影響，比如對手的地面反衛星武器系統，
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GPS的拒絕或破壞在作戰中會對軍事人員帶來巨大的挑戰，使得其難以精準地對敵軍開火，或了解友軍或敵方部隊的準確位置，
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此外，在城市密集區域等環境下，軍事人員可能收不到 GPS信號，
2020年12月，烏克蘭軍方稱俄羅斯成功阻塞了 GPS 和蜂窩通信，并對烏克蘭東部地區的通信設備發起了電磁攻擊，除了通過電磁阻塞攻擊拒絕 GPS 外，外軍還可以通過欺騙攻擊用錯誤的PNT 數據來欺騙使用 GPS 的國防部用戶，
潛在攻擊者通過欺騙攻擊攻擊使用 GPS 的美國海軍和攻擊的潛在后果下圖所示：
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國防部計劃繼續使用 GPS 同時研究可替代的PNT 技術
3.1 國防部計劃仍將 GPS 作為PNT 架構的核心
國防部已制定了仍將 GPS 作為提供PNT 資訊的核心的戰略。在2020年發布的PNT Science and Technology Roadmap (PNT Roadmap)路線圖中，國防部稱 GPS 仍將繼續成為PNT 資訊的主要來源，但沒有任何一個PNT 系統能夠支持所有的PNT 需求。需要多種不同的解決方案來為國防部平臺提供PNT 資訊， 總的來說，國防部的方法是開發一些可選的PNT 方案作為 GPS 的補充。當 GPS 服務可用時，可以用這些方法來檢查每個資訊源的準確性。
國防部備選的PNT 方法主要有兩種技術路線：
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相對PNT 技術：相對PNT 技術使用自帶的傳感器在沒有外部信號源的情況下來追蹤平臺的位置和校時。
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絕對PNT 技術：絕對PNT 技術使用 GPS 外的其他外部源來確定平臺的位置。
3.2 相對PNT 技術
（1）慣性傳感器
慣性傳感器通過追蹤與已知位置的相對位移來確定位置。慣性傳感器的定位準確率隨著時間的增加會降低，因為系統在測量位置時會不斷引入小的誤差，隨著時間的增加，小的誤差不斷增加，系統的整體準確率會不斷降低。許多復雜的慣性傳感器準確率很高，但是成本會非常高，這限制了其使用。慣性傳感器可以與 GPS 這類絕對位置系統配合使用進行位置校準。
（2）時鐘clocks
時鐘可以提供相對時間作為慣性傳感器提供的位置資訊的補充。時鐘的工作原理是建立一個非常穩定的振蕩系統，就像鐘擺一樣，精確地計算時間的流逝，現代的高精度計時技術依賴于測量原子的振蕩，與慣性傳感器系統類似，時鐘的準確率也會隨著時間的增加降低。
3.3絕對PNT 技術
當前有許多實用外部源的方法也可以提供絕對PNT 資訊，但是沒有一種方法的性能可以與 GPS 相匹配，
非 GPS 的絕對PNT 資訊源是國防部備用PNT 研究的主要部分，時鐘和慣性傳感器這樣的相對PNT 資訊只能在有限的時間內提供準確的PNT 資訊。隨著時間的推移，來自傳感器的復合型錯誤就變得不準確了，傳感器需要重置來校準位置，GPS 可以提供精度小于10米的重置能力。在 GPS 受限的環境中，比如沒有 GPS 信號或 GPS 信號差，就需要其他源來提供絕對PNT 資訊。
（1）環境映射
其中一種提供絕對位置資訊的方法是使用傳感器識別平臺周圍環境中的不同特征，并將這些資訊與已知地圖進行比較。這種方法可以以不同的方式應用。
例如，國防部正在尋求使用天文導航、磁導航和地面圖像分析的地圖和導航策略。
自 動天文定位技術
國防部當前正在研究的一項環境測繪技術就是自動天文定位技術，天文導航已經存在了幾個世紀，但目前的研發重點是利用恒星和衛星反射的太陽來確定位置。通過對天空成像和分析多顆恒星或衛星的方位，平臺就可以確定位置。
磁導航定位技術
國防部也在研究磁導航定位技術。磁導航方法利用地球磁場的明顯變化作為地標來確定位置，帶有磁傳感器的平臺可以將其讀數與已知的磁場圖進行比較，并確定其位置，定位精度在100米左右。但該方法面臨的一個挑戰是需要所有相關區域的磁圖，另外，平臺本身的噪聲也限制了位置測量的精度，國防部目前正在研究如何通過描述給定平臺上的噪聲源來減輕這種影響，以提高系統的精度。
地 面圖像分析
當前正在研究的另一種獲取絕對PNT 資訊的環境映射方法是地面圖像分析，該方法使用攝像機捕捉平臺周圍的圖像，并應用算法識別本地環境（如建筑物）中的特征，并將這些特征與衛星圖像的參考資料庫進行比較，
（2）射頻定位
另一種獲取絕對PNT 資訊的方法是使用射頻信號，國防部當前正在研究可以用來確定位置的非 GPS 的射頻信號。這些信號可以通過專用網路來傳輸PNT 信號，也可以利用現有信號的優勢來提取PNT 資訊，包括商業衛星和電視塔。PNT 技術專家稱，使用不同種類的射頻信號可以減少系統被欺騙或被阻塞的可能性，因為相比之下阻塞多個頻率更加困難，此外這些源的信號可能比 GPS 還強，
目前，美國國防部正在研發的一項地面射頻技術使用了現有發射機網路在極低頻范圍內運行，該系統使用了一個由10個甚低頻發射器組成的網路，發射器的信號可以從電離層反射到很遠的距離，如下圖所示：
3.4 國防部通過PNT 科技計劃支持PNT 開發
為幫助理解新PNT 技術的能力和不足，提供更具性價比和及時性的軍事平臺融合路徑，國防部PNT 科技社區成立了3個項目：開放架構、非 GPS 時間傳播、建模和模擬。
根據PNT 路線圖，這些項目將分別由各軍種主導，國防部計劃利用這些項目來幫助管理和利用這些PNT 技術的研發。
國防部官員和專家分析稱，目前沒有備選的PNT 技術可以替代 GPS，當前沒有任何一項單項PNT 技術能夠滿足所有的PNT 需求，PNT 技術路線圖中給出的目標是，在任何威脅環境下，平臺都能夠擁有獨立的PNT 系統以不同方式來獲取充足的PNT 資訊來滿足其任務需求，如下圖所示：
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（全文完）
