美国武装力量已高度依赖全球定位系统，为从徒步机动步兵到高端精确武器提供精确导航。可靠定位、导航与授时被定义为这样一种能力：为作战部队在全方位威胁条件下执行任务时，持续提供经确认完整性且具备足够精度的位置、速度、姿态和时间信息。威胁条件包括但不限于GPS信号降级、拒止和欺骗。本报告审视了可靠定位、导航与授时的多个方面及其面临的威胁，并描述了美国国防部内诸多持续进行的可靠定位、导航与授时项目，以及若干主要国防承包商的研究与开发项目。

目录

摘要
1.0 技术咨询请求
1.1 咨询内容
1.2 描述
2.0 技术咨询响应
2.1 定位、导航与授时
2.2 对定位、导航与授时的威胁
2.3 确保定位、导航与授时在武器系统中的应用
2.3.1 定位、导航与授时源选择
2.3.2 定位、导航与授时源抽象
2.3.3 导航功能
2.3.4 完整性算法
2.3.5 故障提取
2.3.6 数据融合
2.3.7 定位、导航与授时传播
2.4 国防部计划
2.4.1 美国陆军
2.4.2 美国空军
2.4.3 美国海军
2.4.4 美国国防高级研究计划局
2.4.5 主要国防承包商
参考文献
作者简介

1.0 技术咨询请求

1.1 咨询内容

美国国防部（DoD）和国防承包商有哪些研究或计划涉及确保定位、导航与授时（APNT）？

1.2 描述

感兴趣的途径领域包括以下内容[1]：

定位、导航与授时源选择：使操作员能够包含或排除离散的定位、导航与授时源。

● 定位、导航与授时源抽象：将定位、导航与授时源数据及元数据转换为标准接口协议，将特定的传感器实现与下游数据处理分离。
● 导航功能：从一个或多个核心或可利用传感器推导出定位、导航与授时数据或元数据。 完整性算法：通过一组适当的完整性故障和信息保障故障检测算法来路由定位、导航与授时源数据和元数据。
● 故障提取：根据完整性算法中定义的完整性阈值，识别并排除定位、导航与授时源数据和元数据的功能。
● 数据融合：实例化状态估计算法的功能，例如卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器、Rao-Blackwellized粒子滤波器等。

定位、导航与授时传播：将确保的或未经处理的位置、速度、姿态或时间数据及元数据转换并分发到本机定位、导航与授时用户接口的功能。

2.0 技术咨询响应

2.1 定位、导航与授时

定位、导航与授时是以下三种不同能力的组合[1]：

1. 定位。准确并精确地测定在标准大地测量系统（如1984年世界大地坐标系）中参考的二维（或在需要时三维）位置和方向的能力。
2. 导航。测定当前和期望位置（相对或绝对）并应用航向、方向和速度的修正，以在世界任何地方、从地下到地表及从地表到空间到达期望位置的能力。
3. 授时。在世界任何地方及用户定义的及时性参数内，从标准（协调世界时，或称UTC）获取并保持准确和精确时间的能力。授时还包括时间传递。

当定位、导航与授时与地图数据及其他信息（例如，天气或交通数据）结合使用时，其结果是最流行和可识别的服务——现代导航系统，更广为人知的是全球定位系统（GPS）。

美国国家定位、导航与授时架构（图1）由美国交通部管理。尽管全球定位系统和定位、导航与授时由国防部开发，但它们现在主要用于国防部之外的各种定位和跟踪应用。然而，国防部的不同部门继续广泛使用全球定位系统和定位、导航与授时技术。在许多情况下，军方对定位、导航与授时的使用与非军方使用不同。此外，军方对定位、导航与授时系统的使用面临着敌对势力攻击由高质量定位、导航与授时所产生的能力的挑战[1]。

军方对定位、导航与授时的使用不限于简单的导航，还可以包括对敌方部队和武器系统进行瞄准以及定位友军。

军方对全球定位系统和全球导航卫星系统（GNSS）数据的依赖所存在的潜在漏洞，正在推动对用于检测威胁的新部署方法的需求。在全球定位系统/全球导航卫星系统被拒止的环境中，确保将准确的定位、导航与授时信息传递给作战人员至关重要。因此，确保定位、导航与授时对于国防部在任何环境中确保美军继续使用其全方位的防御和进攻能力都至关重要。

2.2 对定位、导航与授时的威胁

美国及其军队的敌人和对手已认识到定位、导航与授时是作为对美国能力和部队综合攻击的一部分而需攻击的关键技术。对定位、导航与授时的威胁可根据其对定位、导航与授时或全球定位系统系统的影响分为以下三大类：

1. 全球定位系统信号降级。如果敌人能够降低全球定位系统信号的质量，那么支撑定位、导航与授时的全球定位系统的精度和/或可靠性就会受到不利影响，国防部系统和部队将无法执行其任务。有几种不同的技术可用于降低全球定位系统信号质量。
2. 全球定位系统拒止系统。这些系统主要使用干扰系统来阻止国防部系统接收用于定位、导航与授时应用的全球定位系统数据。
3. 全球定位系统欺骗。敌人试图欺骗全球定位系统输入，向国防部系统提供错误的定位、导航与授时数据，这会显著降低这些系统的性能。

2.3 确保定位、导航与授时在武器系统中的应用

确保定位、导航与授时在现有国防部武器系统中的实现方式是一个复杂的话题和发展领域。第2.3.1至2.3.7节讨论了确保定位、导航与授时应用中的一些关键主题。

2.3.1 定位、导航与授时源选择

定位、导航与授时源选择使操作员能够包含或排除离散的定位、导航与授时源。为了提高每个系统中定位、导航与授时功能的整体性能，可能存在不止一个定位、导航与授时数据源。在大多数情况下，会有一个全球定位系统源，然后可能还有一个或多个其他来源，包括传感器系统和/或内部导航系统（INS）。通过动态选择不同的源，系统可以提高其定位、导航与授时性能以及对定位、导航与授时威胁的抵御能力。

2.3.2 定位、导航与授时源抽象

定位、导航与授时源抽象将定位、导航与授时源数据和元数据转换为标准接口协议，将具体的传感器实现与下游数据处理分离。通过不同数据的标准化，定位、导航与授时数据及元数据将更容易聚合并使用先进的信号处理工具。

2.3.3 导航功能

导航功能从一个或多个核心或可利用传感器推导出定位、导航与授时数据或元数据。导航是所有军事应用的关键功能，需要知道位置、方向和速度。可靠且准确的定位、导航与授时数据使车辆和系统能够按需移动以执行其任务。

2.3.4 完整性算法

定位、导航与授时源数据和元数据通过一组适当的完整性故障和信息保障故障检测算法进行路由。在充满敌意的、全球定位系统受威胁的环境中，完整性算法用于验证定位、导航与授时数据及数据源的质量和可靠性，并检测来自对手的不同类型的欺骗活动。

2.3.5 故障提取

故障提取涉及根据完整性算法中定义的完整性阈值，识别并排除定位、导航与授时源数据和元数据的功能。故障提取的目的是以有组织的方式确定定位、导航与授时数据的可靠性。如果数据因任何原因不可靠，则可以忽略它们，并使用来自其他不同来源的数据。

2.3.6 数据融合

数据融合涉及实例化状态估计算法（例如，卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器、Rao-Blackwellized粒子滤波器等）的功能。数据融合系统使用各种不同的算法来同时使用两个或多个数据源。通常，可以结合两个或多个数据源来获得比依赖单一数据源更可靠和更准确的读数。

2.3.7 定位、导航与授时传播

定位、导航与授时传播涉及将确保的或未经处理的位置、速度、姿态或时间数据及元数据转换并分发到本机定位、导航与授时用户接口的功能。除了常规传播外，定位、导航与授时数据还有其他方式可以到达需要这些数据的系统，其中一种国防部最感兴趣的是点对点通信。借助安全的通信链路，定位、导航与授时数据可以在安全网络内的不同系统之间共享，从而减轻敌对的定位、导航与授时/全球定位系统干扰或欺骗，并根据需要从安全源提供数据。

许多确保定位、导航与授时技术和方法都基于使用除全球定位系统之外的替代导航和授时手段。由于军方在竞争环境中不能依赖全球定位系统，国防部正在寻求替代技术。有趣的是，其中一些技术，包括内部导航系统和地图匹配技术，在全球定位系统出现之前就已存在，现在正被重新审视用于确保定位、导航与授时应用。

2.4 国防部计划

国防部继续发展其在定位、导航与授时、全球定位系统和确保定位、导航与授时方面的计划。此外，国防部和美国国会已针对定位、导航与授时制定了重要政策[2]：

美国国会，特别是各军事委员会，长期以来一直关注全球定位系统和定位、导航与授时问题。过去二十年间，国会听证会、报告要求和调查都涉及采办、太空不可用时的应急计划、蓄意干扰以及许多其他问题。虽然这些行动都表明了国会的兴趣和关切，但它们都是相对被动的措施。

然而，2018年通过了《国家授时韧性与安全法案》，该法案要求[2]：

交通部建立一个陆地授时系统，以备份全球定位系统信号。随后在2019年，国会为全球定位系统备份技术演示拨款。2020年《国防授权法案》（NDAA）要求空军开发一种多全球导航卫星系统接收机原型，作为其韧性工作的一部分。

2021年的《国防授权法案》也反映了国会在国家定位、导航与授时问题和政策上向积极参与者的转变，包括以下条款[2]：

2018年《国防授权法案》要求国防部将欧洲的伽利略和日本的准天顶卫星系统卫星导航信号纳入军事用户设备。其理念是使其更能抵御干扰。还要求调查使用非盟国信号的可能性。

显然，由于对此项目的进展不满意，国会通过2020年《国防授权法案》授权了一个开发多全球导航卫星系统接收机原型的项目。

在2021年《国防授权法案》中，国会扣留了空军部长办公室20%的资金，直到空军证明多全球导航卫星系统接收机原型项目正在进行中，并且空军已向参议院和众议院军事委员会作了简报。

该法案第1611条题为“韧性与可生存的定位、导航与授时能力”。它要求两年内为作战指挥官开发、集成和部署这些能力。法案称，这是“...与适用于联合紧急作战需求声明的时间框架相一致...”

该法案称，新的定位、导航与授时能力应“生成韧性和可生存的替代定位、导航与授时信号”，并“处理由机会信号和机载传感器系统提供的韧性可生存数据”。

该法案还推翻了国防部2018年定位、导航与授时战略中关于未来系统需保密且仅供军用的计划。它指示该部与国家安全委员会、交通部、国土安全部等机构合作，“促进民用和商业采用具有韧性和可生存性的替代定位、导航与授时能力技术，以补充全球定位系统。”[2]。

由于定位、导航与授时对国防部所有作战部分（机动、敌我识别和瞄准）的重要性，以及国防部面临来自不同威胁行为者对可靠使用全球定位系统的日益增长的威胁，国防部的所有部门都在制定计划和进行研究，以满足不同环境下对确保定位、导航与授时的需求。

第2.4.1至2.4.4节总结了其中一些国防部以确保定位、导航与授时为重点的计划。除了陆军、空军、海军、国防高级研究计划局（DARPA）和几个盟国的主要计划并为其提供支持外，几家主要国防承包商也制定了计划以支持确保定位、导航与授时需求。第2.4.5节描述了主要国防承包商正在开发的与确保定位、导航与授时相关的项目。

2.4.1 美国陆军

美国陆军拥有一套完善的与定位、导航与授时和确保定位、导航与授时相关的计划，以支持整个陆军、联合作战以及与盟军的行动。图2概述了美国陆军的确保定位、导航与授时计划。

总部位于马里兰州阿伯丁试验场的定位、导航与授时项目办公室（PM PNT）是陆军的主要采办开发机构，负责开发、现代化和集成最优且经济可承受的定位、导航与授时能力，以促进陆军作战中的决定性行动。定位、导航与授时项目办公室向项目执行办公室——情报、电子战与传感器报告，并与陆军其他部门及联合军种伙伴合作，开发可互操作、可靠的产品，为各种作战和作战支援战场任务提供实时、安全的定位、导航与授时服务。这些能力的采办和开发将为士兵提供准确且可信的定位、导航与授时数据，这对于陆军作战功能和系统至关重要[3]。

车载确保定位、导航与授时系统（MAPS）。位于阿拉巴马州亨茨维尔的确保定位、导航与授时跨职能团队宣布批准了车载确保定位、导航与授时系统能力开发文件，这是陆军有史以来第一个定位、导航与授时需求。该文件建立了一项陆军记录项目，旨在为作战人员开发和部署持久、先进的定位、导航与授时能力。 “车载确保定位、导航与授时系统通过向多个系统分发定位、导航与授时数据，简化了陆军的车载定位、导航与授时能力，消除了单个平台需要多个全球定位系统设备的需求，同时允许多个用户从一个中心点访问有保证的全球定位系统信号和其他定位、导航与授时源[3]”。这种新的定位、导航与授时能力与抗干扰天线系统配对，使士兵能够在

全球定位系统竞争环境中操作，并为他们提供更好的反欺骗和抗干扰能力[3]。

2.4.2 美国空军

空军和太空军对民用和军用全球定位系统卫星系统都负有主要责任。

导航技术卫星3号（NTS-3）。承包商L3Harris技术公司于2019年2月5日宣布，一颗实验性空军导航卫星已通过初步设计评审，继续朝着2022年发射的路径前进[4]。导航技术卫星3号是由美国空军研究实验室（AFRL）和太空与导弹系统中心开发的一个主要先锋项目，旨在展示新的定位、导航与授时技术，这些技术将为未来全球定位系统卫星的工作方式提供参考。“L3Harris于2018年通过太空企业联盟获得了一份8400万美元的合同，成为导航技术卫星3号的主要系统集成商[4]”。这颗实验卫星的开发进度非常紧张，计划自合同签订之日起40个月内将其送入轨道。

根据空军导航技术卫星3号项目经理阿伦·比尔斯格林的说法[4]：

导航技术卫星3号先锋是一项关于敏捷、韧性的天基定位、导航与授时的端到端实验演示……它有可能为空军向整个国防部的作战人员提供这些关键能力的方式带来变革性的进步。美国太空军承诺与空军研究实验室合作并支持技术过渡，这是导航技术卫星3号在2019年9月被指定为空军先锋项目的关键因素。

由于卫星采办计划提前很久就已制定，导航技术卫星3号上的技术可能不会包含在当前批次的10颗全球定位系统III型卫星中，其中两颗已经入轨。

无论如何，空军的这些技术[4]：

……可以为全球定位系统IIIF卫星的设计和开发提供参考，这些卫星将在2020年代末期接替全球定位系统III型卫星舰队。洛克希德·马丁公司是空军全球定位系统III型项目的主要承包商。L3Harris为这些卫星提供有效载荷。

与其他实验卫星不同，导航技术卫星3号可以立即为作战人员带来益处。“一旦进入地球静止轨道，导航技术卫星3号实际上将增强全球定位系统星座[4]”。由于其他全球定位系统卫星在中地球轨道上不断移动，导航技术卫星3号将提供独特的、地理上聚焦的定位、导航与授时信号[4]。

2.4.3 美国海军

美国海军天文台（USNO）主时钟（MC）[5]。位于华盛顿特区的美国海军天文台负责保持精确时间并将其提供给国防部用户。美国海军天文台实现的协调世界时是国防部标准，也是全球定位系统及其他军事应用的主要时间参考。“美国海军天文台主时钟的精度使其成为互联网网络时间协议（一种促进数字数据传输的互联网标准）的流行参考选择[5]”。主时钟是确定协调世界时的主要贡献者，而协调世界时是主要的国际民用时间参考。

主时钟由数十个独立运行的原子钟组成，包括铯频率标准钟、氢脉泽和铷喷泉钟。其主要备份是位于科罗拉多州科罗拉多斯普林斯施里弗空军基地的备用主时钟设施。世界上大多数授时实验室并非连续运行，但国防部要求美国海军天文台提供不间断的时间参考。没有其他连续运行的授时服务能达到美国海军天文台主时钟的精度。

美国海军天文台传播协调世界时的主要手段是通过全球定位系统，超过95%的军事用户依赖其进行时间传递。美国海军天文台监控全球定位系统星座，并提供系统定时偏移和单个全球定位系统卫星的定时数据。全球定位系统服务有两个级别[5]：

1. 标准定位服务（SPS）。标准定位服务是一种定位和授时能力，持续向全球所有[公共]用户开放，无需用户付费。标准定位服务在L1频段使用单频全球定位系统粗/捕获码，可提供水平9米、垂直15米的可预测定位精度，以及优于协调世界时40纳秒的时间传递精度。
2. 精密定位服务（PPS）。精密定位服务是一种高度精确的定位、速度和授时能力，供授权的军事用户使用。精密定位服务在L1和L2频段使用双频全球定位系统P(Y)码，提供比单频标准定位服务更稳健的服务。它可提供水平2.7米、垂直4.9米的定位精度，以及优于协调世界时30纳秒的时间传递精度。未经授权的用户通过加密被拒绝使用精密定位服务。

基于全球定位系统的定位、导航与授时服务（GPNTS）。海军目前正在现代化其舰载定位、导航与授时融合与分发系统。正在开发的系统是基于全球定位系统的定位、导航与授时服务，旨在取代导航传感器系统接口套件和独立的军用全球定位系统接收机（WRN-6）。基于全球定位系统的定位、导航与授时服务原计划在2016财年初步部署，并将在2029年达到全面作战能力。它将为舰队在反介入/区域拒止环境中提供更稳健的定位、导航与授时。增强功能包括最新的选择可用性/反欺骗军用全球定位系统接收机；数字、归零全球定位系统抗干扰天线；以及用于同步时间和频率的冗余铷原子钟。基于全球定位系统的定位、导航与授时服务也是开发和集成能够接收和使用新的仅限军用的M码信号的海洋域全球定位系统接收机的牵头系统[5]。

2.4.4 美国国防高级研究计划局

美国国防高级研究计划局拥有一个稳健、先进的定位、导航与授时和确保定位、导航与授时研究计划，以支持国防部当前和未来的定位、导航与授时需求。图3显示了美国国防高级研究计划局定位、导航与授时方法的关键要素[6]。

2.4.5 主要国防承包商 为了开发和部署全球定位系统、定位、导航与授时以及确保定位、导航与授时系统，国防部使用了众多国防承包商。本节讨论了由诺斯罗普·格鲁曼、雷神和洛克希德·马丁开发的与全球定位系统、定位、导航与授时以及确保定位、导航与授时相关的主要计划。

诺斯罗普·格鲁曼

诺斯罗普·格鲁曼的方法将可信确保定位、导航与授时枢纽的负担从单纯依赖全球定位系统转移到互补使用惯性器件，并通过额外的替代导航方法进行增强。图4显示了诺斯罗普的确保定位、导航与授时方法。

图4：诺斯罗普·格鲁曼公司确保定位、导航与授时方法[7]。

内部导航系统（INS）计算随时间移动的方向，并存在不同程度的漂移，通过使用高精度振荡器，可以提供时间的连续性。内部导航系统的巨大优势在于它无法被欺骗或干扰[7]。

在单个平台上，可能有多个传感器，每个传感器都是支持导航的补充信息的潜在来源。

根据“确保定位、导航与授时（PNT）”[5]：

诺斯罗普·格鲁曼公司的解决方案利用尽可能多的此类传感器数据，以形成一个准确且稳健的确保定位、导航与授时解决方案，该解决方案将是可信的。这一理念的核心是一个软件定义的开放架构，可以经济高效地集成来自不同传感器（包括全球定位系统和非全球定位系统）的数据，汇集到单一枢纽，并分发到整个平台。

雷神公司

雷神公司被英国国防部国防装备与保障局选中，开发一个原型系统，以利用来自全球导航卫星系统（GNSS）的定位、导航与授时信息。根据合同，雷神英国的确保定位、导航与授时业务将交付一个技术演示项目，该项目采用先进的多单元抗干扰技术，以证明该技术与下一代多全球导航卫星系统接收机的集成，从而加速此类系统对最终用户的可用性并降低其风险。

雷神英国武器与传感器总经理约翰·加拉格尔表示[8]：

许多关键基础设施组织使用全球导航卫星系统信号，该技术已经改变了我们的日常生活方式；然而，全球导航卫星系统信号容易受到干扰，无论是故意的还是无意的。低成本干扰设备的可用性意味着干扰是一个持续的威胁。

雷神的抗干扰技术将有助于缓解卫星信号干扰这一真实、重大且日益增长的威胁，并提出一个保护我们一线指挥部和国家关键基础设施的未来解决方案[8]。

NavHub™-100导航系统

柯林斯航空航天（雷神公司旗下）的NavHub-100是一种导航解决方案，通过一个设备生成并向平台上的所有系统分发确保定位、导航与授时信息。NavHub-100的主要特点如下[9]：

● 在全球定位系统威胁环境中，通过业界领先的多传感器导航融合，提供高保证、精确的导航解决方案。
● 实现现代化信号跟踪，确保全球定位系统完整性。
● 支持国防高级全球定位系统接收机标准接口。
● 包含M码安全认证卡。

洛克希德·马丁公司

洛克希德·马丁公司已部署了超过2,500套全球定位系统时空抗干扰接收机（GSTAR）系统，并现已开发了一个模块化、可扩展的解决方案系列，可以为任何依赖全球定位系统进行导航的系统提供越来越高效的数字电子保护。他们设计、实施和测试了一套可靠的“构建模块”，可以根据需要快速调整以满足每个平台的特定需求。“此外，洛克希德·马丁拥有所有工具、资源和关系，能够快速有效地将全球定位系统时空抗干扰接收机天线电子单元（AEU）部署到任何平台，应对任何竞争条件，确保关键的全球定位系统运行[10]”。

洛克希德·马丁将全球定位系统时空抗干扰接收机描述为一个全数字系统，提供针对对抗性干扰机和欺骗器的最强保护；高端的波束赋形能力使宿主平台能够在最严酷的竞争环境中生存[10]。全球定位系统时空抗干扰接收机可以配置为仅提供归零功能，以便与现有全球定位系统接收机兼容，但也可以配置为波束赋形，而无需更换全球定位系统时空抗干扰接收机或天线。

参考文献
（略）