来源 | 学习时报
作者 | 赵懂文 张乃千
驾车行驶在克里姆林宫附近时，经常会发现车载的GPS定位坐标竟然在十几公里外的机场，这其实就是GPS干扰系统搞的鬼。正是出于对自己一手打造的卫星导航系统不安全的担心，美国陆军快速能力办公室负责人沙夫纳日前宣布美军将不再依赖GPS技术。
据悉，美国研究人员正在开展下一代定位、导航与授时（PNT）系统研究，或将于2018年实现可免受干扰袭击的作战评估，势必深刻改变导航定位系统对现代战争和人们日常生活带来的巨大影响。
历经近60年的发展考验，全球定位系统（GPS）已经成为人类目前最先进最完善的全球导航系统。这套起源于1958年的军方项目，在1964年投入使用，并于20世纪70年代实现技术更新，可为陆海空等领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。
尤其是在当今社会，很难想象如果没有GPS系统提供的定位导航和授时服务，无数的军用装备和民用设施将如何运转。美军目前的卫星通信、情报获取、监视侦察和武器精确打击等都离不开 GPS系统的信息支持。然而，从某种角度讲，正是这种对GPS系统的过度依赖，事实上已成为美军面临的重大军事威胁。
GPS系统虽然具有革命性影响，但其缺点也是致命的。GPS系统需要发送和接收卫星信号，极易受到电磁攻击和网络干扰。出于对成本和实用性的追求，GPS系统在部分区域可能发射信号较弱，极容易被拒止、削弱甚至欺骗，将对军事应用产生致命威胁。此外，在地下和水下等区域无法接收GPS信号，GPS卫星一旦出现因技术故障、敌对打击或干扰等原因而无法提供服务，将对高度依赖GPS系统作为唯一 PNT信息源的作战人员和系统带来致命的灾难。因此，研制不依赖GPS系统的下一代PNT导航系统，成为美军的高度共识。
由美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国陆军新兴技术办公室开发的新一代导航、定位与授时系统最早将于2018年实现作战评估，为美军提供抛弃GPS系统的新型导航系统。
新一代PNT系统将有望依靠冷原子干涉技术，主要原理为在较远距离使用电磁波时会产生强烈的冷原子干涉现象，通过对这些现象加以利用就可以进一步测量出精确的时间和位置。
目前，美国国防部高级研究计划局负责PNT系统研发的主要包括战略技术办公室和微系统技术办公室。它们甚至提出利用DARPA 开发的微机电系统研制独立的芯片级惯性导航和精确制导系统，旨在实现一种高度小型化、精度高、稳定性好的芯片级PNT系统。这种微型PNT（Micro-PNT）项目目前已完成包含惯性测量装置的样机，并集成了高精度主时钟，在不到1美分硬币大小的尺寸上实现了一套独立的微型导航系统。此外，DARPA还正在开发具有自校准、高性能和低成本的微型传感器，以替代当前导航系统中体积、重量和功率均较大的传感器装置。
其实，Micro-PNT项目只是DARPA旗下众多PNT项目中的一个，从2010年开始，美国国防部高级研究计划局就开展了不依赖GPS的下一代导航系统研发，目前就是全面替代GPS系统而不只是作为补充。为此，美国国防部高级研究计划局于2014年就公开发展名为“对抗性环境中的空间、时间和方位信息”（STOIC）的定位、导航和定时信息系统。
目前，美国正依托各个机构研究各种新机理、新设备甚至开发新算法，并充分结合远程参考信号、超稳定战术时钟和可在用户之间分享PNT信息的多功能系统，以期尽快摆脱军事人员和装备对GPS系统的依赖。
其中，适应性导航系统（ANS）旨在开发类似U盘一般可在多种平台上“即插即用”的PNT传感器结构与算法，从而进一步降低研制开发成本，实现下一代导航系统部署周期的大幅度缩短。适应性导航系统主要由冷原子干预与陀螺仪实现惯性测量，可充分发挥量子属性高精度惯性测量，无需外部数据就能够长时间确定时间和位置。同时，适应性导航系统还在探索综合利用包括商用卫星、光波甚至闪电等信号在内的非导航电磁信号，以便为下一代PNT系统提供额外的丰富参考信息。
同时，美国国防部高级研究计划局还开展了一批下一代导航先进技术研究项目。量子辅助传感与读出技术（QuASAR）主要为了制造高稳定性和可用的原子钟，目前已经实现在50亿年内的误差小于1秒，进而可提升授时系统精确度，为开发新型雷达、惯性系统和测量系统等提供有力的技术支撑。精确惯性导航系统（PINS）旨在开发具有高精度导航功能的惯性测量装置，无需长时间依靠外部设备就可精确定位，主要应用的也是原子干涉技术。
美国国防部高级研究计划局正在开展的全源定位和导航系统（ASPN），可利用电视、电台、信号发射塔、卫星等本与导航定位无关的机会信号提供精确定位信息，目前正在加紧研发试验中。
受科技与经济实力限制，目前世界上仅有极少数国家将构建下一代导航体系上升为国家战略。我国目前的北斗卫星导航系统正处于加速建设发展时期，整体系统的稳定性和可靠性显著增强，为军民两用服务拓展奠定了坚实基础。同时，北斗系统将按照国际民航标准开展北斗星基增强系统的设计、试验与建设，这都为我国依托北斗卫星导航系统开始构建PNT体系奠定了坚实基础。
未来，我国也将加快推进以北斗系统为核心的国家综合导航、定位与授时系统建设，预计到2030年前后将建成基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系，将显著提升我国的时空信息服务能力。届时，现有的北斗卫星导航系统将承担提供时间/空间参考以及各种与位置相关的实时动态PNT信息的关键基础服务，成为我国经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术平台和战略威慑资源。
事实上，PNT系统技术水平的高低，已经成为综合国力考量的重要战略标志。高精度、全天时、全天候、陆海空天一体的PNT系统，不仅是事关国防和公共安全的重大技术平台和战略威慑资源，也是服务经济社会发展、提升生活质量水平的重要工具手段。未来，随着新一代导航系统的进一步研发成熟，势必对国民经济、国家安全和军事领域应用带来革命性变革，或将深刻改变军事斗争方式和每一个人的生活。
