眾所周知，GPS容易受到各類干擾和欺騙的影響，且在一些有遮擋的區(qū)域，會發(fā)生收不到GPS信號或信號較弱的現(xiàn)象，這導致GPS難以滿足現(xiàn)代復雜戰(zhàn)場網(wǎng)絡電磁強對抗環(huán)境的應用需求。針對PNT系統(tǒng)的攻防，1997年美軍曾提出導航戰(zhàn)的概念，2017年美空軍又提出了授時戰(zhàn)的概念。此外，電子戰(zhàn)(含自適應電子戰(zhàn)、認知電子戰(zhàn))、信息戰(zhàn)、網(wǎng)絡戰(zhàn)等概念也曾應用于 PNT 系統(tǒng)的攻防。

美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)在PNT領域曾支持過微定位導航與授時(Micro-PNT)、對抗環(huán)境下的空間時間和方向信息 (Spatial，Temporal，and Orientation Informationin Contested Environments，STOIC)、適應性導航系統(tǒng) (Adaptable NavigationSystems，ANS)、深海定位導航系統(tǒng)(Positioning System for Deep Ocean Navigation，POSYDON)、超快激光科學與工程 (Programin Ultrafast Laser Scienceand Engineering，PULSE)、量子輔助傳感與讀取 (Quantum-Assisted Sensing and Readout，QuASAR)等相關項目。在此基礎上，美國陸軍一直在研發(fā)可靠 PNT(A-PNT)技術，以滿足 GPS 拒止環(huán)境下高復雜性動態(tài)變化的環(huán)境要求。

2015年初，美國陸軍專門組建了PNT項目辦公室，以推動從傳統(tǒng) GPS 能力向A-PNT能力的快速轉型。

美國陸軍A-PNT項目包含4個子項目:1)基于地面無線電導航系統(tǒng)的偽衛(wèi)星項目;2)為車輛系統(tǒng)提供 PNT 項目;3)為單兵提供 PNT 項目;4)抗干擾的 PNT 天線項目。A-PNT 項目經(jīng)理 Kevin Coggins在2017年5月表示， A-PNT 項目可使陸軍進入戰(zhàn)爭中的下一個導航級別，并將超越 GPS 的能力。

為提高未來美陸軍PNT能力，提供步兵和戰(zhàn)車等武器更加可靠和精確的PNT技術，美國陸軍進行了多項舉措，相應的技術發(fā)展將成為 GPS 的補充和備份。

1、偽衛(wèi)星系統(tǒng)

由于 GPS 信號可能被友方或敵方的電磁信號或天然障礙降級或拒止，美國陸軍希望通過使用地面或近地面無線電發(fā)射機廣播類GPS信號，以此建立偽衛(wèi)星系統(tǒng)，以支持和增強GPS信號，提高態(tài)勢感知能力，從而提高任務指揮效率和效果。在GPS信號中度降級環(huán)境下，偽衛(wèi)星系統(tǒng)有助于獲取GPS衛(wèi)星信號;在嚴重降級環(huán)境下，偽衛(wèi)星系統(tǒng)可用作定位和授時源。在GPS可用時，偽衛(wèi)星系統(tǒng)依靠 GPS 信號將獲得更為精準的位置、速度和時間(Position Velocityand Time，PVT)信息。美國陸軍希望偽衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下能力:

1)指揮和控制軟件具有分析能力，有助于偽衛(wèi)星系統(tǒng)的定位;

2)指揮和控制數(shù)據(jù)鏈能與陸軍任務指揮系統(tǒng)相兼容;

3)可兼容抗干擾 GPS天線;

4)具有異形光束輸出天線;

5)具有共形天線;

6)具有分布式孔徑天線;

7)具備防篡改技術;

8)具有高效率、快速響應的功率放大器;

9)能夠為天文導航設備提供備用位置源;

10)可通過偽衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送 GPS差分校正;

11)能為偽衛(wèi)星系統(tǒng)提供精確授時的替代技術。

2、車輛導航系統(tǒng)

美國陸軍希望車輛導航系統(tǒng)在 GPS 受到干擾或拒止環(huán)境中，依然能夠為車輛提供PNT信息，以提高戰(zhàn)場任務指揮和決策能力。具體要求如下:

1)車輛導航系統(tǒng)的設計應該是可配置的，以平衡基本組件的最小化，從而平衡系統(tǒng)的總成本，與任務和作戰(zhàn)功能相匹配;

2)車輛導航系統(tǒng)的設計應可允許升級到 GPS 軍用碼( M 碼);

3)車輛導航系統(tǒng)應該高度集成，使 SWaP-C 最小化;

4)車輛導航系統(tǒng)應該兼容網(wǎng)絡時間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)和精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol，PTP)，并能夠利用車輛的輔助傳感器提高導航和授時能力。

3、慣性導航

美國陸軍希望持續(xù)推進慣性導航技術發(fā)展，改進單兵和車輛態(tài)勢感知能力，并提高戰(zhàn)場指揮官的任務指揮和決策能力。陸軍希望應用微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、機械、光學和原子等技術設計并開發(fā)出新型陀螺儀和加速計傳感器，以滿足單兵和車輛平臺的 SWaP-C 最小化目標。此外，陸軍還希望開發(fā)傳感器自校準、速度更新和范圍輔助等技術，以保證導航的長期性能。

4、定位

美國陸軍希望使用多種外部信息來確定位置信息，如GPS、多全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Multi-GNSS)、無線電導航、天文導航、地形匹配導航、機會信號導航(Navigationvia Signals of Opportunity，NAVSOP)和無線電大氣信號導航等，以提高戰(zhàn)場任務指揮和決策能力。陸軍希望重點突破:

1)先進 GPS 接收機硬件，包括新穎的射頻前端設計、與傳統(tǒng)射頻相關器不同的配置和設計、新型天線設計、軟件定義 GPS 接收器、實現(xiàn) GPS 信號或 GPS 導航解決方案的完整性監(jiān)控等;

2)充分利用 GNSS信號，如允許標準 GPS 接收機跟蹤非 GPS 信號的方法(如軟件修改 GPS 接收機用于跟蹤伽利略導航衛(wèi)星信號);

3)利用新興的和計劃的未來信號，例如升級到M 碼信號，以及包括跟蹤和采集算法的新型接收機架構。這些算法可減少首次定位時間 (Time To First Fix，TTFF)或提高抗干擾能力;

4)開發(fā)抗干擾 GPS 或 GNSS 天線，以及相關抗干擾技術。

5、導航系統(tǒng)輔助傳感器

美國陸軍希望開發(fā)用于單兵和車輛平臺的導航輔助技術，在有 GPS信號時，通過輔助傳感器提高 GPS的定位精度;在無 GPS信號時，能夠保持較長一段時間內與 GPS 相當?shù)亩ㄎ痪取ｊ戃娬J為這種輔助傳感器應該是無電磁輻射的，或是具有少量輻射的，或輻射是受控的;另外物理硬件和軟件應該是模塊化的、易于嵌入的，且是可調可優(yōu)化的，以適應各種軍事平臺(如步兵、戰(zhàn)車和航空器)，從而保障未來系統(tǒng)的升級。 在陸軍通用操作環(huán)境(Common Operational Environment，COE)中，系統(tǒng)應能夠正常工作并遵循預期的體系架構。陸軍對于軍事導航系統(tǒng)輔助傳感器的發(fā)展主要包括:

1)基于視覺的導航系統(tǒng)和技術，包括先進的計算機跟蹤、映射、特征識別和提取算法，光學鏡頭技術、照相機、微型固態(tài)材料及相應設備等;

2)基 于 光 探 測 和 測 距 (Light Detectionand Ranging，LIDAR)或激光探測和測距(Laser Detectionand Ranging，LADAR)系統(tǒng);

3)低功耗、窄帶的無線電射頻測距系統(tǒng)，以降低對臨近的無線電通信系統(tǒng)的干擾;

4)速度傳感器、速度檢測器、磁強計和其他用于先進定位和導航技術的無源傳感器;

5)網(wǎng)絡輔助導航概念和系統(tǒng)。

6、導航傳感器融合

美國陸軍希望通過多種導航輔助傳感器(如照相機、磁強計、激光測距儀等)的信息融合，以提高車輛和步兵的定位導航能力。陸軍希望導航傳感器融合發(fā)展主要包括以下幾個方面:

1)開放式系統(tǒng)架構傳感器融合設計應該是通用的、靈活的，便于修改和定制，以滿足各種任務要求，并簡化多種新型和現(xiàn)有傳感器的接口和集成;

2)即插即用系統(tǒng)架構需要滿足標準化軟件、電氣和機械接口，以降低傳感器集成和配置復雜性，并降低開發(fā)時間和成本;

3)壓縮感知算法，使用建模和采樣等技術，有效地獲取和處理最佳傳感器數(shù)據(jù)，以提高定位導航精度;

4)超定傳感器技術，融合和優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)、功能和應用，以提供魯棒的、準確的導航解決方案;

5)人工智能，通過自適應感知環(huán)境變化，智能地融合各種傳感器數(shù)據(jù)，以增強傳感器融合能力。

7、導航仿生技術

美國陸軍系統(tǒng)希望能夠受到生物學的啟發(fā)，應用仿生技術來提高 PNT 能力。主要包括以下幾個方面:

1)研究脊椎動物和無脊椎動物物種(如箭蟻、鹵蟲蜂、候鳥、魚類等)，獲得仿生過程、模型、系統(tǒng)和技術，用于應對復雜任務和環(huán)境的 PNT 系統(tǒng)。陸軍感興趣的項目主要包括應用于姿態(tài)、定向和導航的、基于仿生過程的新型傳感器，以及應用于PNT 的仿生定制算法;

2)仿生技術與傳統(tǒng) PNT 和材料的融合;

3)通過應用生物啟發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化 PNT 系統(tǒng)的SWaP-C。

8、授時

美國陸軍希望推進先進精確授時時鐘源和時間傳遞技術發(fā)展，主要包括以下幾個方面:

1)微型原子鐘、原子頻率標準、緊密耦合的 GPS 接收機/時鐘，該項主要考慮:①軍事規(guī)范相適應環(huán)境下的授時精度、長期和短期穩(wěn)定性，以及低相位噪聲;②高精度時鐘，為陸軍提供在 GPS拒止環(huán)境下的精準授時;③ 步兵、地面/空中的有人/無人平臺所涉及的SWaP-C優(yōu)化;

2)保證授時準確性的無線電傳送方式。

9、PNT建模與仿真(M&S)

建模與仿真應用于技術開發(fā)的各個階段，美國陸軍希望突破以下幾個方面:

1)支持技術開發(fā)中的設計權衡;

2)對系統(tǒng)組件、系統(tǒng)、體系進行性能分析;

3)在各種環(huán)境下，分析作戰(zhàn)任務中 PNT 的影響;

4)支持任務規(guī)劃和決策，同時了解 PNT 可用性、重要性和影響;

5)應用基于模型的系統(tǒng)工程工具和實踐來支持 PNT 技術的開發(fā)。

10、導航戰(zhàn)(NAVWAR)技術應用

導航戰(zhàn)技術是指在不影響戰(zhàn)區(qū)外和平使用GPS/GNSS導航信息的同時，使美國及其友方能夠有效利用 GPS/GNSS 導航信息，并阻止敵方使用GPS/GNSS導航信息。美國陸軍希望通過導航戰(zhàn)來提高在戰(zhàn)場上的反介入/區(qū)域拒止(A2AD)能力，主要包括以下幾個方面:

1)GPS干擾源的實時檢測、地理定位和特征描述技術;

2)GPS接收機欺騙、干擾和攻擊的實時檢測，通過偽信號或者重播等方法重新獲取優(yōu)良的 PNT 數(shù)據(jù);

3)通過利用 GPS接收機和/或傳感器集成來進行態(tài)勢感知;

4)有選擇地拒止敵方使用 PNT 信息，同時保護中立和友軍的 PNT 信息。

11、自主與人工智能(AI)在PNT中的應用

美國陸軍認為自主和人工智能技術將為作戰(zhàn)人員提供更為先進的作戰(zhàn)能力[26-30]，主要包括以下幾個方面:

1)利用人工智能技術可以增強傳感器融合，提高對環(huán)境變化的自適應能力;

2)提高各種傳感器的智能融合能力;

3)利用人工智能提高士兵的態(tài)勢感知能力;

4)利用人工智能，使導航系統(tǒng)了解 GPS和其他傳感器的環(huán)境、路徑和實際測量結果，以改進 GPS 和其他傳感器的性能，提高導航精度;

5)利用自主技術提供先進的避障能力;

6)應用自主和人工智能技術提高自主導航定位速度;

7)應用自主和人工智能技術提高傳感器的實時數(shù)據(jù)處理能力;

8)利用人工智能技術提高學習和自適應 PNT 的能力，以對抗敵方的威脅;

9)人工智能相關算法的開發(fā)和應用，以提高整體 PNT 能力。