为了应对GPS拒止环境，美军通过这些新技术提高作战能力

如何在GPS拒止等环境下保证武器装备的稳定性，一直是美军致力于解决的难题之一。雷神公司于2020年8月启动了有关“数据链无线电”的计划，旨在使美军特种兵可在恶劣条件下具备精准打击能力，并将每年为美特种部队提供1600套特殊无线电设备，以最终改装并得到一系列被称为“防区外精确制导弹药”(SOPGM)的武器，交付将在12个月内开始，并计划在五年内交付完成。

该技术的实质在于将“态势感知数据链”(SADL)与SOPGM武器结合，实现数据链互通，使装备可不受干扰影响，从而保持稳定性与精度。

其中，SOPGM作为特战利器，主要用于AC-130W/J武装直升机，也被用于改进版MQ-9无人机与MQ-1C无人机，但易受环境影响，加之其弹药依赖于GPS导航系统，在电子攻击干扰的情况下将失去作战能力。而利用SADL则可通过提供双向无线电连接，从武器传回数据，并允许在飞行中对其进行重新编程，或由操作员直接对武器进行手动控制并重新定向，从而使SOPGM在GPS拒止环境下或者恶劣天气情况下依旧能够实现高效与高精准度。

尽管雷神公司并未透露将选用哪一型SOPGM，但调研可知，两种最常见的SOPGM主要为雷神公司生产的重约15.42千克的AGM-176格里芬导弹与重约27.22千克的GBU-69/B小型滑翔弹药，二者均使用激光指示，可精确定位在操作员投射的激光点上，同时具有GPS导航功能。但在GPS拒止环境、不利天气或与建筑物的对接中，激光瞄准效果不佳，而提升感测能力远比仅依赖于视频输入更具先进性，由此推测雷神公司很可能在将SADL与SOPGM结合的同时需借助雷达技术，以提升感测能力。

总之，现阶段美军正致力于深入研究该技术，以实现在城市作战、GPS拒止以及恶劣天气等多种环境中，对高价值和不规则作战目标实施精确打击，提高杀伤力，缩短杀伤链并减少附带损害。未来，随着网络技术和智能科技的飞速发展，协同作战将成为主要作战模式之一，因此，基于智能中枢系统，指挥协同多种新型弹药同时参战将很可能是美军的进一步研究方向所在，而该技术具有基于人工智能技术，实现多种弹药协同合作的潜力，将很可能被进一步拓展且不单单应用于美特种作战领域。

早在2018年BAE系统公司在美国国防部高级研究计划局(DARPA)与美国空军研究实验室(AFRL)的寻的器成本转换(SECTR)计划的支持下，开发并演示了精确制导弹药光学导引头——SECTR寻的器，以改进在GPS拒止以及其他有争议的环境中所使用的不同类型弹药的导航，以自动进行目标定位和归位，实现弹药的精确制导。而SECTR计划旨在为空射、空投武器等多种武器开发新型武器终端感应与制导技术以及系统，BAE系统公司将以在由AFRL开发的导引头开放架构上使用模块化的光学系统、成像传感器、导航传感器和处理器作为主要开发思路。

SECTR寻的器技术将使武器仅需少量外部支持即可获得固定和移动目标，能够在GPS拒止环境中实现较高的导航精度，并采用了模块化设计，体积小、重量轻且成本低。

据称，BAE系统公司同时与美海、空军和特种作战司令部开展合作，向三种不同的武器转化了SECTR寻的器，已于2019年7月结束，具备在拒止环境下为美军士兵提供精确制导的能力，但在测试中所涉及的武器名称未见披露。

量子技术可以实现超灵敏的重力与磁力测量，具有辅助惯性导航的潜力，而原子钟则可利用量子技术提供高稳定度与高精确度的频率标准，由此产生的技术可用于授时，从而为利用通信辅助综合导航系统开辟了新的可能性。

美国国防部将精确时钟置于运载器或精导弹药等系统，使其不受限于GPS，仅计算机芯片大小的原子钟即可解决体积、重量、动力等限制问题，用于军方替代系统。因此，在GPS拒止环境中，极小/微型原子钟很可能将是解决这一问题的关键所在，但现有的商业化芯片级原子钟技术尚不完善，将原子钟小型化并用于国防系统仍面临诸多难题。为此，DARPA正在开展多个项目以探索创新技术和方法，以实现在GPS信号弱或失灵时提供可靠、高精度PNT能力，“增强原子钟稳定性”(ACES)项目就是其中之一。该项目旨在开发下一代电池驱动的芯片级原子钟，并将性能提高1000倍。

2019年8月，ACES项目的三个小组在开发芯片大小的原子钟方面取得突破，已研制出高精度样机，在此将相关研究进展梳理如下表所示。

图表：ACES项目研究进展

由上表可知，ACES项目是美军探索用于替代的PNT的技术研究之一，其在芯片大小的实验性原子钟、三个芯片大小的微型原子钟以及支持原子钟小型化的精密原子传感器方面已经取得了一定进展，但仍在实验室研究阶段，正在进一步实现原子钟微型化，截至2021年5月尚未见最新研究进展。

总之，芯片级原子钟极具作为GPS卫星授时的备份，提升武器精度等的潜力，并能够推动无人作战发展进程。

除了开发微型原子钟以外，美军还在致力于开发量子传感器，以推动基于原子的导航在GPS拒止环境下的研究进程。

美国陆军作战能力发展司令部的戴维·迈耶称，美陆军研究实验室(ARL)已经于2018年创建使用高激发、超灵敏原子(称为里德堡原子)检测通信信号的量子传感器。研究人员根据基本原理计算出接收机的信道容量或数据传输速率，并在实验室中实现了该性能，将其他组的结果提高了几个数量级。

据称，这些新型传感器非常小，便携且几乎无法被探测到，将为美军带来优势。

为了评估潜在的应用，研究人员还对Rydberg传感器在0至10¹²赫兹的巨大频率范围内振荡电场的敏感性进行了分析，结果显示，Rydberg传感器能够可靠地检测整个频谱上的信号，并且技术水平与电光晶体和偶极天线耦合的无源电子设备等其他已建立的电场传感器技术持平。

总之，未来ARL研究人员将进一步提高灵敏度，以检测更弱的信号，并扩展用于更复杂波形的检测协议。而美陆军现阶段在量子传感器领域的研究成果也仅仅处于起步水平，但现阶段的研究成果已经为美陆军在GPS拒止环境下的替代导航技术的研究奠定了一定基础，有助于提升美陆军的下一代计算机网络中的现代化优先级以及PNT能力，构建新型通信概念等。

美国Leidos公司开发了一套可在GPS退出时立即进入的技术，即在GPS受限环境中的机载导航系统——确保定位和时间的数据引擎(Assured Data Engine for Positioning and Timing，ADEPT)，其被美国国防部称为Assured PNT的整体解决方案的一部分，其技术关键在于：

• 一方面，需要基于两种基本类型的传感器生成可靠的位置定位，通过可测量视觉信息、地球磁场或无线电塔信号等周边环境中的各种外部传感器，提供足够的信息以提供临时性修复，再利用可感应相对运动的惯性传感器，进行位置跟踪，直到有新的修复可用为止，但从不可测且不断变化的信号中提取可靠的位置定位极具难度；

• 另一方面，需构建一个可在海、陆、空等作战域执行任务时实时利用可用的任何传感器进行修复，且可在功能强大的舰载服务器、手持无线电等任何类型的计算机处理器上运行的软件平台。

ADEPT最早被作为DARPA全源定位和导航(ASPN)项目的一部分而开发，而ASPN项目主要致力于针对性地开发能够使用机会性非导航信号的传感器，开发新型融合算法与开放式处理体系结构，以实现在导航系统上的快速集成，以及近实时重新配置或升级传感器、惯性测量单元设备、地图与数据库，并实现导航传感器与新型导航传感器的灵活组合。而ADPET的技术核心则在于从任何可用的传感器数据中提取定位信息，最终实现传感器融合引擎，其工作流程如下所示。

在ADEPT系统工作时，由单个士兵、飞机或船只携带的传感器无需输入修复程序所需的所有数据，ADEPT系统即可针对各个传感器之间的距离和角度，从分布的传感器中，收集所需信息，融合足够充分的数据，并且其为单独的士兵或作战装备提供一个受信任位置时，其他人与作战装备的修复程序均能够即时获得同样的位置信息，从而实现协作导航。该系统的主要特点如下表所示。

据称，该系统能够满足美陆军部署飞机的目标，使得战机能够将电子感应扩展到威胁环境的深处，在保持处于对方防空火炮射程之外区域的同时，进行远程精确射击。

2020年10月11日至13日在华盛顿特区举行的美国陆军协会(AUSA)会议上，Leidos展示了ADEPT系统，并将飞机下方的高分辨率摄像机视图与详细的卫星地图进行比较。据称，ADEPT系统几乎可立即将视图与地图上的精确位置进行匹配，从而提供实时的精确定位。

总之，ADEPT系统已经被证明是GPS的一种较为可靠的替代系统，能够在GPS拒止环境下为美军提供精准的导航。

惯性测量单元能够在GPS受限的情况下进行导航，而GPS信号能够弹性修正惯性测量单元的偏移误差，保证导航精度，因此，美空军将GPS与惯性导航系统(INS)组合制导作为四代中/远距机载精确制导空地武器，尤其是第四代精确制导炸弹所采用的重要技术，并致力于开发将GPS与INS技术相融合的新系统。

因此，佐治亚州罗宾斯空军基地空军生命周期管理中心于2020年2月与霍尼韦尔公司签署一项潜在价值35亿美元的15年期合同，以建造和维持机载嵌入式GPS/INS系统——EGI-M系统。该项目旨在激光陀螺仪的独立惯性导航系统中嵌入5通道GPS接收器，创建一个重约8.12千克的装备，并将安装导航、指向、稳定与飞行控制应用程序。

在此之前，诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)已经和霍尼韦尔国际公司合作，通过EGI-M计划(嵌入式GPS/惯性导航系统现代化)对现有导航硬件进行升级，其中诺斯罗普·格鲁曼公司进行工程和制造研究开发；霍尼韦尔国际公司则开展平台现代化、系统集成以及其他与EGI有关的工作，包括涉及外国军售的工作。

由诺斯罗普·格鲁曼公司和霍尼韦尔国际公司制造的EGI导航系统，由在一个标准电子模块上的GPS系统与环形激光陀螺仪惯性导航系统组成，并被置于约9.05千克的装置(尺寸约为17.78×27.94×30.48厘米)中，并能够提供仅GPS、仅惯性导航或GPS/INS混合导航解决方案三种导航解决方案，将为美海、陆、空三军所用。而EGI-M是EGI的升级版，可用于GPS拒止环境。

据称，诺斯罗普•格鲁曼公司已于2020年9月成功完成了对嵌入式EGI-M系统的关键设计审查(CDR)，标志着EGI-M系统的硬件与软件设计的顺利完成。

总之，该系统具备先进的机载导航能力，能针对GPS拒止环境下的潜在威胁做出快速响应，并有望持续快速地进行技术升级。

此外，美军还开展了有关天体导航技术——恒星追踪器(Skymark)系统以及舰载“增强型链接导航系统”(Enhanced Link Navigation System，ELNS)的研究以提升其在拒止环境下的导航能力，在此将这两种系统的主要组成与特点梳理如下表所示。

此外，除Skymark外，德雷珀实验室还开发了惯性导航系统，使用光学和芯片级原子钟的精确时间传递以及依赖于手机摄像头和信号处理算法的基于视觉的导航；CTSi与L3 Technologies公司也正在基于ELNS原型机与美海、空军合作，以进一步将ELNS过渡到其他应用程序。

近年来，美国致力于研发先进的自主化算法与监督控制技术，以提升无人机在拒止环境下的作战能力。DARPA“拒止环境下的协同作战”(CODE)项目则致力于创建人工智能算法与模块化软件架构，探索分布式空战无人机的自主和协同技术，实现对带宽限制和通讯中断的弹性化设计，以实现无人机集群能够在GPS拒止环境下执行作战任务。

使无人机群能够在拒止环境下实现协同合作是CODE项目的技术重点所在，而CODE协同自主软件能够使无人机自主寻找目标，并可与装备CODE软件的作战平台共享信息并协同作战，以适应拒止环境以及动态战况的能力。美军已经针对CODE软件开展了多次测试，早在2019年2月就对CODE项目所研究的拒止环境中协同作战技术进行了演示验证。由装备CODE软件的6架RQ-23无人机与14架虚拟无人机在无法使用GPS的情况下，应对虚拟目标与威胁等，成功采取对策完成了目标任务。该项目已于2019年完成，项目的相关软件与技术成果等已经移交给美国海军航空系统司令部。

综上可知，CODE人工智能软件与自主算法等的结合在提升针对空对空目标的大型无人机平台的人工智能处理能力水平的同时，也提升了无人机群在GPS拒止环境下的通信与导航能力，将有望推动无人机向更复杂的自主能力发展。据称，美军仍在进一步开发可在“被拒止或有争议的空域”，尤其面对严重的电子战干扰时仍能够正常运行的CODE软件，并以开发能够实现全自动机群运行的无人机群系统的人工智能软件为长远目标。

美国陆军研究实验室(ARL)于2018年开发了一种能够同时对GPS拒止区域内的人和机器人进行定位的新算法，并研发了一种能够确定频率信号源波达方向(DoA)的新技术，能够根据在不同空间地点所采样的接收信号强度(RSS)的梯度，获取关于信号源方向的信息。该技术的主要特点如下所示：

• 亮点在于开发了一种新型算法，能够从统计学意义上模仿RSS梯度并实现空间异常值与关联关系控制，并且估测器在信号极其嘈杂的情况下，依然能够对无DoA存在的输出进行纠正；

  
  

• 能够有效对抗多重散射；

• 无需任何固定基础设施，无需依赖之前任何的训练数据、相关环境认识、多个天线，还无需对不同节点进行预先校准。

在该技术的研究中，研究人员利用几个公开测量数据集、内部收集的测量数据集，以及高保真仿真数据对40兆赫和2.4千兆赫波段进行了验证，结果证明该项新技术能够在多径信号情况下发挥作用，未来技术一旦成熟应用将对复杂军事环境中的下车步兵以及人/机编队产生重要的实战意义。