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【导航战】 GPS拒止环境下的新型导航技术

中国指挥与控制学会2020-06-29 13:18:18

随着导航技术的进步,全球定位系统(GPS)已成为军民各领域里不可或缺的组成部分。在战斗空间上,获得稳定的GPS信号至关重要。根据美国国防高级研究计划局(DARPA)分析,“GPS关机30秒,接收系统的定位范围就扩大到整个华盛顿地区,关机一小时,定位范围甚至比蒙大拿州还大。因此,地面和机载系统的时钟需要具备长时间保持极高精度的能力,以应对GPS无法使用的状况。”

然而,GPS并不能自动防止故障,也无法在所有环境中工作。在系统设计时,工程师往往顾及成本和实用性,而在系统性能上做出了让步,例如,发射信号可能较弱,由此带来的不利影响就是这些信号可能会被拒止、削弱,甚至被欺骗。敌人可能会利用这些信号,对美军构成威胁。

为解决这些问题,DARPA正在开发新型的定位、导航、授时(PNT)技术,应用新的物理原理和算法,并采用新型设备。研发工作已经进行了一段时间,一些项目颇具发展前景,DARPA今后启动的项目将能应用这些成果。

DARPA负责PNT技术研发的两个部门是战略技术办公室(STO)和微系统技术办公室(MTO)。战略技术办公室主要负责系统级的技术开发,微系统技术办公室主要负责组件以及新型制造工艺和材料的开发。

自适应导航系统(ANS)

“自适应导航系统”(ANS)是战略技术办公室负责的一个项目,旨在开发新型先进惯性导航系统(INS),在无需外界数据源的情况下提供精确的时间、位置惯性测量数据。ANS项目还包括众多子项目,进行新型算法和架构的开发来实现PNT传感器在多种平台上的快速即插即用功能,并降低研发成本,缩短研发时间,尽快实现战场应用。项目至今已进行了六年多时间,除了仍有两个子项目还在进行外,其他已基本结束。

“精确惯性导航系统”(PINS)项目正在开发具有高精度导航功能的惯性测量装置(IMU)。它采用冷原子干涉技术,无需长时间依靠外部设备,其精度可能比目前最好的惯性测量装置要高很多。据战略技术办公室项目主任Lin Haas介绍,“采用原子干涉技术的惯性测量装置类似于现在的光纤陀螺仪,与之不同的是光纤陀螺仪利用的是光的波长来感知旋转,而这种惯性测量装置则是应用物质的波长。”

另一个项目是“全源定位和导航”(ASPN)系统,这是一个补充系统。该项目开发可以利用机会信号提供精确定位信息的传感器,机会信号包括例如电视、电台、信号发射塔、卫星信号,以及闪电等自然现象。Haas介绍到,“闪电会产生1毫秒或两个脉冲的能量,除了我们看到的部分外,还有一部分能量属于甚低频(VLF)。我们一直很关注雷电产生的VLF(也就是远程雷电)信号对导航的帮助。这种信号传播距离远,且雷电常是持续的,因此,全球各地的雷电信号都可以用来提供位置信息。”

ASPN项目也在开发新型融合算法和即插即用架构,以实现导航系统的传感器、IMU、地图和数据库的快速集成和近实时的重构或升级。这部分研发工作仍在进行中,此外,DARPA目前正在对ASPN前期开发的技术进行验证试验,合作伙伴为Leidos公司和SRI公司,佐治亚理工学院为他们提供支持。

对抗环境下的空间、时间和定位信息(STOIC)

STOIC项目是战略技术办公室进行的另一项工作。它是一个新型PNT系统,集成了远程鲁棒的参考信号、超稳定战术时钟和一些多功能系统,可在GPS拒止情况下应用。

该项目包括三个组成领域。第一个是开发用于位置固定导航的抗干扰信号,尤其是频谱中VLF部分,目标是利用VLF信号发射器建立一个备选、远程、鲁棒的PNT参考信号源网络,作为对GPS的一种完全备份方案;第二个组成项目为新型光学时钟技术,旨在开发出漂移小于1纳秒/月的新型光学时钟。这个项目应用到了之前DARPA进行的“量子辅助感知与读取”(QuASAR)项目的研究成果;最后一个项目是开发使用平台上现有的系统在不同战术数据链(Link-16或战术瞄准网络技术)间进行精确时间转换的途径。Haas讲,“我们希望对这三部分进行演示并将其结合,作为一种针对GPS的备份PNT系统,在没有GPS的情况下使用。”

STOIC项目的合作伙伴包括Argon ST公司、Leidos公司、AOSense公司、Draper实验室、罗克韦尔·柯林斯公司、雷声BBN技术公司、Expedition技术公司以及佛罗里达大学。该项目于2015年春季开始,已经完成了概念设计、行业研究、分析、建模、仿真和用于概念验证的数据收集等工作。第一阶段的工作基本结束。据Haas介绍,项目将转入到第二阶段,内容包括详细设计并开发样机系统。2016财年的预算经费为2250万美元。

微型定位、导航与授时技术(Micro-PNT)

与此同时,为满足PNT系统的设计和集成需求,微系统技术办公室在继续开发新型核心组件技术、材料和制造工艺。微系统技术项目经理Robert Lutwak讲,“我们一直在寻求与其他项目的协同,希望我们开发的组件能在其他系统上得以应用。与各军种实验室合作是我工作的一部分。”

Micro-PNT是微系统技术办公室众多PNT项目中的一个。该项目包括多个研发项目,主要是利用微机电系统(MEMS)的微型化技术来开发高度小型化、精度更高、稳定性更好的芯片级陀螺仪和时钟,以及充分集成的授时和惯性测量装置。该项目结合了大量领先的技术研发,具有广阔的应用前景。

例如,授时和惯性测量装置(TIMU)是Micro-PNT早期的一个项目,旨在应用商用的价格低、体积小、重量轻、功率小(CSWaP)的技术制造战术级惯性测量装置。Lutwak说到,“现行的战术级惯性测量装置如拳头般大小,功率有5瓦,且价格很高。”2013年,美国密歇根大学的研究人员应用新型制造工艺和高级材料生产出了一个体积不足10立方毫米的、芯片式惯性测量装置样机,内含一个6轴(3个陀螺仪和3个加速计)惯性测量装置和一个高精度的主时钟。

尽管2015财年后Micro-PNT项目曾停滞了一段时间,但近期随着新增经费的投入,TIMU项目又重新启动了。Qualtre公司和Honeywell Aerospace公司正在进行TIMU项目。Lutwak说,“我们目前还不能达到战术级,但我们离目标不远了。”他期待未来一年内,能制造出达到战术级的惯性测量装置样机,且传感器体积不超过50立方毫米。

微型速率积分陀螺仪(MRIG)

MRIG是Micro-PNT下的一个项目,该项目正在开发可批量生产的、三维振动式微机械陀螺仪。这种陀螺仪可以直接测量旋转角,扩展了设备的动态范围,并能有效消除角速率信息集成造成的误差累积。项目在批量生产微型、三维对称结构方面已经取得了进步,例如酒杯形、半环形,以及其他空间分布式结构。Lutwak解释说,“大部分陀螺仪通过集成转速信息来获得角度信息,而酒杯形陀螺仪(也叫速率积分陀螺仪)直接测量角速度,极大地促进了自旋稳定弹药的发展。但是,这种陀螺仪体积大,价格昂贵,且难以生产。MRIG项目的目的就是开发批量生产微型酒杯形陀螺仪的方法。”据Lutwak介绍,美国密歇根大学的研究人员已经通过实验验证了直径2毫米的酒杯形结构可以在120秒内停止转动,目前,正在尝试制造此型陀螺仪。

活动层的主、次校准(PASCAL)

PASCAL项目旨在通过原位(in-situ)校准技术,定期纠错系统,降低温度敏感度,减少漂移,来解决微电机系统惯性传感器在长期使用中出现的计量漂移问题。作为一种机械设备,微电磁系统的机械性质不可避免地会随温度的变化发生改变,因此需要定期进行校准。Lutwak说,“PASCAL项目的目的是实现原位校准功能,这样设备就无需返厂校准,只要将设备拆下来,开机,让其进行自动校准。”目前正在尝试两种解决途径。一种是机械校准技术,即在小型微电磁系统设备内加入一个硅材料的校准表。一种是建造一个对称度极高的MEMS陀螺仪,采用旋转的电信号来模拟设备旋转。Lutwak表示,“第二种方法取得了相当好的效果。值得一提的是,目前已经有了性能超过低端光学(环形激光)陀螺仪的MEMS陀螺仪。这种MEMS陀螺仪采用了电子算法,成本低,且体积不超过1立方厘米,因此,其CSWaP性能也比目前的导航级设备好几百倍。这是我们首个性能达到导航级的MEMS陀螺仪,之前只有环形激光陀螺仪和光纤陀螺仪才能做到。导航级陀螺仪的性能比战术级的好要10-50倍。”

芯片级组合原子导航仪(C-SCAN)

另一个Micro-PNT项目是芯片级组合原子导航仪(C-SCAN),该项目正在开发CSWaP参数适用于非良性环境的微型、基于原子的惯性传感器。解决方案包括核磁共振(NMR)技术和原子干涉(AI)技术,这两种技术已经成功在小型陀螺仪和传感器上进行了验证试验。但由于原子干涉系统还需要实验室级、面向应用的激光器、光学系统和真空泵,因此Micro-PNT项目还在开发用于冷原子微系统(CAMS)的使能组件技术。CAMS旨在为战场环境提供可用的新型微电磁和光子解决方案。

Lutwak表示,原子的波长比光的波长短一万倍,且灵敏度好,因此基于原子的惯性传感器更具优势。但这一技术也面临着一些挑战。“尽管原子物理在实验室内取得了很好的效果,”他说,“但为了确保传感器能安装到小型、紧凑设备中去,我们还需要开发些使能技术组件。CAMS是Micro-PNT项目的补充,使能技术组件的开发工作将在该项目中进行。C-SCAN技术的物理原理已经得到了证实,实际上目前主要的挑战就是实现组件的微型化。”

精确鲁棒惯性制导弹药(PRIGM)

2016财年,DARPA投入1630万美元用于开发PRIGM,这是一个全新的PNT项目。项目分两部分进行,将应用到Micro-PNT项目的研发成果。

第一部分是导航级惯性测量装置(PRIGM:NGIMU)。“导航级微机电系统已经得到了成功验证,PRIGM:NGIMU项目的目的就是尽快实现这一技术在武器系统中的应用,”Lutwak说到。项目的目的是制造一个完全导航级的MEMS惯性测量装置,实现在GPS拒止环境下的弹药制导功能。“新型MEMS惯性测量装置将采用通信界面,插入式安装模式,今后将取代现有的战术级惯性测量装置,” Lutwak解释到。2015年12月,DARPA与诺斯罗普·格鲁曼公司签订了价值630万美元的合同用于进行第一阶段,包括交付硬件,以及进行飞行验证试验。

第二部分为先进惯性微型传感器(PRIGM:AIMS)。据Lutwak介绍,该项目的基本目标是实现弹药在发射和飞行阶段的导航功能,“这很难做到,因为弹药会受到重力影响,飞行之初还要重新校准。发射阶段的导航不能影响到校准,同时要具备在50KG加速度下测量微重力的动态范围。目前,没有任何一种技术能做到这一点。”

PRIGM:AIMS项目的内容是开发探测惯性力的新途径,基础研发和应用研发费用分别为610万和620万美元。Lutwak说,“幸亏我们已经有了些新技术和新思路,例如集成光子学技术的进步。应用这种技术,我们可以生产出芯片式全光子环形激光陀螺仪,它对振动和冲击的敏感度比传统的环形激光陀螺仪要小很多。”他表示PRIGM:AIMS项目也将考虑把光子技术和微电磁系统集成到一个芯片上。“通过这种方式,可以把光作为设备固有的校准源来测量微电磁系统装置的位移,且精确度高。”此外,该项目还将考虑使用光机传感器和声光传感器。“我们不只是把现有的东西改造得更小、更轻,”Lutwak说,“实际上,我们在探索测量加速度和角速度的新原理和新途径。这对研发人员来说是件激动人心的事。”该项目目前正在签约阶段。Lutwak希望该项目能在2016年春季正式启动。

高稳定性原子钟

计时组件从不是PNT技术取得革命性进步的附加产品。实际上,精确计时技术是无GPS环境下进行精确导航必不可少的重要条件。正如Lutwak所说,“我们所有的现代通信、导航和电子战系统,以及情报、监视、侦察(ISR)系统都需要精确计时技术。”21世纪初期,DARPA开发出芯片级原子钟(CSAC)。“事实证明,这是一种颠覆性的技术,凭借精确计时技术的应用,一种全新的体系框架得以产生,并由此出现了新一代通信、导航和传感器网络。”

高稳定性原子钟(ACES)是微系统技术办公室进行的一个新项目,旨在设计、制造新一代原子钟,这种原子钟只有手掌般大小,采用电池供电,性能比当前这代原子钟要好一千倍。新型原子钟必须能装在钱包般大小的套件中去,功率仅有0.25瓦。项目分三个阶段进行,总预算达到5000万美元,2016财年预算为460万美元,预计在抗精度削弱(accuracy-eroding)过程方面会取得突破性进展。原子钟的精度削弱体现在多个方面,例如温度波动而导致的原子频率变化,或由电源关闭再重启而导致的微妙的频率差异。Lutwak介绍说,“ACES项目正在寻求具有超高稳定度的原子钟,这需要多个领域团队的技术合作,包括原子物理学、光学、光子学、精密加工和真空技术。”实际上,原子钟与原子导航仪所需的组件是一样的,包括专用激光源、真空泵、调制器和光学系统。因此,之前我们所做的原子导航仪组件开发工作将在ACES项目中继续进行,ACES项目的研究成果也可以应用到原子导航仪上。如果ACES项目取得成功,最终受益的将是所有武器系统。

2016年2月下旬,DARPA发布了广泛机构公告(BAA)。根据这份公告显示,项目的第一阶段将在实验室内对所有的原子钟组件进行整合验证,确保其稳定性高于现有的原子钟。第二阶段将把所有原子钟组件集成到一个体积不超过30立方厘米的套件中,包括微型激光器、温度控制器、关闭装置、调制器和其他光学元件,以及一个装有振动原子的小容器。第三阶段将把所有相关的电子元件整合到一个体积不超过50立方厘米的套件中,“重量得足够轻,用一只手就能握起,也可以安装在小型无人飞行器上。”

ACES广泛机构公告中没有明确设备的重量,Lutwak解释到,“相比较而言,功率和性能参数更为重要。通常来说(例如芯片式原子钟)电池比原子钟本身要重很多,因此,与其努力减轻原子钟重量,不如想办法降低能耗。老式芯片式原子钟的重量为30-35克,考虑到高稳定性原子钟的体积,我们稍微放宽了对重量的限制。高稳定性原子钟的体积可能会比芯片式原子钟的体积(15立方厘米)稍大一些,尽管没有具体要求,但其重量应该不会超过100克。”

高优先级

对GPS的过度依赖已对美军造成了极大威胁,美军迫切需要开发新型PNT技术,这在美国国防部中已经形成了广泛共识。2014年5月,美国国防部负责科研与工程的助理部长在一份报告中说到,“我们对目前的一些天基技术的依赖性越来越强,例如卫星通信,GPS系统的精确导航和授时,以及情报、监视、侦察(ISR)。但是,一些国家和非国家组织正在利用动能、非动能手段阻止我们使用这些天基技术。因此,我们要寻找使用这些技术的新途径,并探索如何在不依靠这些资源的情况下进行精确定位、导航、授时。研究内容包括(但不限于)增强型陆基通信、抗干扰通信(例如激光通信)、不需要持续接入GPS的新型授时设备、高性能惯性测量装置和其他ISR资源。”

实际上,目前美国国防部的官方政策规定“不允许采用非国防部批准的、民用、商用或国外资源作为获取用于作战或作战支援PNT信息的主要手段。”

据Lutwak回忆,1980年代以前,美国国防部在导航系统和惯性制导方面做了很多研究工作。但随着GPS系统的成功应用,这些研究工作在之后的20年里几乎完全停止。“但是现在,随着低成本GPS干扰装置的出现,且GPS不适用于所有环境,” Lutwak说到,“对GPS拒止环境下导航技术的需求又在美军中重新兴起。”

DARPA一方面要满足美军即刻的技术需求,一方面要全面重启导航技术的研发工作,为美军提供新型PNT技术。正如战略技术办公室的Lin Haas所说,“所有的挑战都来自于技术挑战,每个项目、每个合同面临的挑战都不一样。总之,我们在尝试做些之前从未做过的工作。有时会觉得这个想法太疯狂,似乎永远也不可能实现,但我们逐一解决问题,最终证实了这项技术确实可行。获得精确和确定的空间信息是美军的战略优势,确保美军在不完全依赖GPS的情况下保持这种优势是我们的责任。”

吴岑   张永刚编译

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