盘点导航定位和授时技术研究项目

导航定位和授时技术positioning， navigation， and timing — PNT

导读

进入新世纪后，许多国家军队都意识到现代作战行动对GPS的依赖过于严重，而随着GPS干扰技术的快速发展，这一隐患将成为各国军队战时使用武器的巨大威胁。2010年开始，DARPA开展了不依赖卫星导航系统的研发工作，目的是全面替代GPS，而不是作为GPS系统的补充。2014年6月，DARPA向工业界发布新的项目公告，要求发展不依赖现有GPS的武器导航技术。此后，DARPA同时开展了多个项目的研究，聚焦于定位导航授时技术的开发。

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。

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。

微型定位、导航与授时技术（Micro-PNT）

为满足PNT系统的设计和集成需求，微系统技术办公室开发新型核心组件技术、材料和制造工艺。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。

下一代原子钟（NGAC）项目

原子钟技术为导航、通信、情报监视与侦察（ISR）和电子战（EW）系统提供了定时和同步的高性能技术手段。DARPA已对芯片级原子钟（CSAC）技术进行了投资并展示了增强功能。2016年，DARPA提出了下一代原子钟（NGAC）项目，计划通过采用原子限制和询问的替代方法，开发关键性能参数提高100X-1000X的下一代芯片级原子钟，并着重于开发必要的组件技术，以期实现低成本制造和在恶劣的战争环境中的稳健部署。NGAC计划开发芯片级原子钟，在低成本、尺寸、重量和功率（CSWaP）平台上实现精确计时。为了实现这些性能指标，新的支持技术和询问技术将被集成到系统中。该计划的基础研究由PE 0601101E，ProjectES-01提供资金。不过该项目仅在2016年获得了研发资金，并未进行续研发工作。

“蓝狼”（Blue Wolf）

“蓝狼”项目寻求研发及验证一种集成式无人潜航器（UUV），能以现有平台此前无法实现的速度和航程运行，同时潜航器的体积以及载荷与电子设备所占比重将维持不变。“蓝狼”项目重点关注针对现有航行器的新能源、增升减阻技术快速研发与成熟化。2015年，DARPA启动了“蓝狼”项目，波音公司和洛克希德·马丁公司共同开发了革命性的水下推进和减阻技术，以使有人和无人驾驶的海底军用潜航器能够比以往更快，更节能地在水中移动。

DARPA “蓝狼”计划开发和演示集成的水下航行器原型，该原型能够以原来在固定尺寸平台上无法实现的速度和航程组合运行，同时保留传统的体积和重量分数用于有效载荷和电子设备。最初的参考架构由直径为21英寸的潜航器组成，其体积和重量保留给基线导航，控制，电子系统和有效载荷部分。潜航器使用基线电驱动和传统的鳍片控制。

动态升力和减阻是指可实现重大减阻的革命性技术，例如小翼的动态升力，车身造型，涂层以及适用于各种范围和速度组合以提高系统能效的新颖减阻技术。混合能源系统指的是诸如热，电化学或利用两个或多个能源进行能量收集的方法，以提高以瓦特小时/英里为单位的能源效率。DARPA研究人员表示，他们计划探索可装在海底潜航器系统模块中的热力和电力来源，例如燃料电池和电池。

直接在片数字光合成器（DODOS）项目

DARPA于2014年启动了DODOS项目，关键是将必要的组件小型化，并将其集成到一个紧凑的模块中，从而使该技术得到更广泛的部署，同时解锁新应用。为了实现目标，DODOS项目利用微谐振器（将光存储在微芯片中的微小结构），在紧凑型集成封装中实现光频梳。光频梳的名称来源于，将单一颜色的输入激光束转换为一连串均匀排列的多个颜色，就像一把梳子。如果有足够宽的梳“齿”阵列，消除噪声的创新技术就成为可能，使得光频梳成为需要精确频率参考的系统的一个有吸引力的选择。2018年，在DODOS项目的支持下，UCSB领导的团队与美国国家标准与技术研究所（NIST）成功实现了光频率合成器组件的小型化，为此次研究成果奠定了基础。

2020年6月，DARPA“直接在片数字光合成器”（DODOS）项目再次取得显著进展。加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）、加州理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所（EPFL）组成的DODOS研究团队开发出集成孤子微纳芯片。研究成果发布在《自然》杂志上。

DODOS研究团队从加利福尼亚大学圣巴巴拉分校，加利福尼亚理工学院和瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所开发的集成孤子微梳芯片

对未来的部署至关重要的是，在操作上也更加方便。由于系统设计上的精心选择，只要打开激光器，就能自动启动光频梳。设计的“交钥匙”操作，极大地简化了需要光频梳来实现特殊功能的系统。通过去除通常需要用在器件之间的专用电子和光学器件，简化的结构降低了规模、功率和成本要求，同时使光频梳对环境和温度干扰具有强大的稳定性。

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，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）。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。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）。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，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。在DARPA支持下，卡内基·梅隆大学的研究人员通过声学和光学组件的材料和器件设计实现了陀螺性能增强，声光陀螺仪在灵敏度（9x）、信噪比（13x）和稳定性（超过100s）方面性能得到提升，同时器件外形尺寸减小了一半。

高稳定性原子钟（ACES）

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，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。ACES项目寻求具有超高稳定度的原子钟，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。

2019年8月，DARPA宣布在ACES项目支持下，三个团队开发的新一代芯片级原子钟在性能优化上取得突破性进展。美国国家航空航天局喷气推进实验室团队开发出的芯片级原子钟受温度和环境因素干扰小，定位精度是前代原子钟的100倍;美国国家标准与技术研究所开发出一种仅由三个微型芯片及相关支持性元件组成的微型原子钟，功耗比之前的原子钟要低很多，精度却是其50倍;霍尼韦尔公司团队成功开发了能够支持原子钟小型化的精密原子传感器。

由NIST，加利福尼亚理工学院，斯坦福大学和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室开发的微加工光子光学原子钟的示意图

深海导航定位系统（POSYDON）

“深海定位导航系统”（POSYDON）综合运用水下声波信号，水面浮标，水下信标或节点，GPS信号，能够快速的确定水下执行任务的无人系统的位置坐标，并将数据传输回水面舰艇或潜艇的指挥控制系统。POSYDON的研发工作由DARPA和BAE系统等公司合作完成。

POSYDON能够在大洋中提供实时，连续和稳定的定位信息。通过布放少量的可远距离传播的声源系统，水下平台不再需要定期上浮接收GPS信号即可获得连续，高精度的导航信息。POSYDON为水下使用者带来了“类GPS”的能力。GPS信号在海面反射并且不能穿透海水，POSYDON的重要性在于确保这些UUV（无人的水下传播媒介）能真正专注于他们的任务而不必周期性地浮出水面让GPS计算出它们确切在哪儿。这种技术依赖于一种“三角测量”。卫星发出的GPS信号被发送到一个表面节点，表面节点使用声波连接和定位海底无人机。

模块化光学孔径积木（MOABB）

模块化光学孔径积木（MOABB）项目试图在大大降低光学系统的尺寸和重量的同时提高转向率。具体来说，MOABB旨在构建可以相干地排列在一个平面上的毫米级光学单元组合，以形成更大更高功率的器件。这些构建块将代替常规光学系统的精密透镜、反射镜和机械部件。MOABB还将开发可扩展的光相控阵列，无需机械组件来控制电磁波（如光和无线电）的技术。这些进步将使尺寸和重量减少100倍，转向率提高1000倍。对于诸如LIDAR、激光通信和激光照明等应用，MOABB提供了一个引人注目的机会，用平面的集成系统来代替空白空间和散装零件。

DARPA的研究人员将建立二维毫米尺度的传输/接收单元，该传输/接收单元具有高填充因数孔径、非机械光束控制和集成放大功能的特点。研究人员意图利用当前的半导体制造工艺将这些单元构建成相干的单元阵列。该计划旨在采用晶圆级加工工艺制造一个具有分布式增益的10厘米发射/接收相干阵列。MOABB项目包括两大技术领域：开发适用于短波红外波段的光学相干单元阵列技术;将该技术应用于激光雷达系统，以测试并证明该技术的可行性。DARPA分别与四个公司签订了总额为1630万美元的合同以推动该项目的研究进程。研究人员最终想将该技术成果应用于光探测、光测距及激光雷达系统。与DARPA签订合同的四家公司分别为：洛克希德·马丁相干技术公司、美国TREX公司、美国模拟光子有限责任公司、美国Teledyne科技影像有限责任公司。

导引头成本转换（SECTR）

“导引头成本转变”项目是DARPA针对美军机载武器在对抗环境中作战需求而设立的研发项目，旨在开发创新的武器导引头/制导系统，该系统仅需很少的信息支持，即能对固定、可改变位置和持续移动目标进行精确末段寻的，并能在 GPS拒止环境中实现全天时导航，且尺寸小、重量轻、功率低、成本低。

“导引头成本转变”项目于2015年启动，分两个阶段实施。第一阶段工作主要进行重量小于5千克导引头的设计和技术开发，持续时长21个月。根据公开信息，洛马公司与BAE系统公司均通过第一阶段的关键设计评审，但只见美空军研究实验室代表DARPA授予洛马公司价值 820万美元第一阶段合同。第二阶段工作进行重量不超过2千克导引头的集成和测试，持续时长18个月，导引头最终的质量指标为小于1千克。BAE系统公司赢得了该阶段合同。

SECTR导引头指标要求

2020年3月，DARPA公布2021财年预算要求，显示“导引头成本转变”（SECTR）项目在2021年将不再申请资金。这意味着该项目经过6年的开发，于2020财年结束。该项目突破了适应GPS拒止环境的低成本精确制导技术，成果可能或已经应用于某类承担精确打击任务的武器，可能有效增强美军空地弹在复杂对抗环境中的作战能力。

机械式天线（AMEBA）

“机械式天线”（AMEBA）项目是由DARPA微系统技术办公室发起的创新研究项目，旨在研发便携式低频信号发射系统。一旦成功应用，将使低频通信摆脱对大型发射站的依赖，可更方便灵活地向潜艇、无人潜航器、地下目标和偏远作战人员等发送数据、文本甚至语音，在深远海、深地等空间通信领域具有广阔应用前景。

与当前无线电发射器通过振荡电路产生电磁波不同，AMEBA项目将探索全新的电磁波生成与发射机理，利用强磁场材料（永磁体）或强电场材料（驻极体）的机械振动产生低频电磁波。项目研究内容分为特低频（ULF，频率为0.3千赫至3千赫）通信和甚低频（VLF，频率为3千赫～30千赫）通信两大部分。

原子光子集成（A-PhI）

DARPA于2018年发布的原子-光子集成（A-PhI）项目建议征集书中将利用光子集成电路的原子干涉陀螺仪列为未来研究重点，寻求降低捕获原子式高性能PNT装备复杂度的新方法。同时，该项目还要研制捕获原子式陀螺仪、一种模拟光波的相干式光纤陀螺仪（FOG）。DARPA表示，性能可靠的PNT装备是美军执行军事任务的重要资源，其影响范围覆盖通信、导航、侦察以及电子战等领域。PNT信息通常来自于GPS导航卫星，但此类信号易受敌方阻塞和干扰，使得GPS备份至关重要。时钟和惯性测量元件的精度（IMUs）与GPS系统类似但持续周期较短，这就是A-PhI项目的由来。

高级PNT能力演示（APCD）

微机电系统（MEMS）和原子物理学界都对新功能进行了基础研究，这些新功能将影响在战场上保持和传递精确定时和导航信息的能力。高级PNT能力演示（APCD）计划将在最有前途的新物理能力中进行选择，并演示其在现实战斗场景中的潜力。一种方案是利用惯性传感器的进步，在20分钟的任务时间内仅进行惯性测量单元（IMU）操作。基于MEMS的演示将使弹药能够在GPS受限的情况下导航，并保持弹药和导弹能力，以便在未来战场环境中准确导航。另一种情况是使用高性能而紧凑的低功耗原子物理就是来存储时间和位置信息。这将启用高级定位，导航和定时（PNT）功能，例如在低地球轨道（LEO）星座或无人飞行器（UAV）中，可以从中分发基于原子的信息。

海洋交战及时信息（TIMEly）

2019年9月，DARPA发布“即时海上交战信息”（TIMEly）项目广泛机构告知书（BAA），将开发异构海上通信架构，并在海上完成演示验证。美军正在尝试打造可快速重构的军事力量，行动迅速，能适应不断变化的环境，即使一些部门消失或被抽调去完成更重要的任务仍可继续有效发挥作用。TIMEly项目是“马赛克战争”概念的衍生物，其目标是构建可快速重构的海空、海面和水下军事力量，这些力量行动迅速、不可预测、灵活性和适应性强，更像是马赛克中的碎片，而不是拥有严格设计的拼图。

TIMEly项目将重点关注网络协议、服务质量和信息交换等技术，同时要掌握水下环境对网络链接距离、容量、延迟和安全的限制。该项目设想采用动态可重构的响应式架构，将吸收水下通信和海上无人系统前沿技术。DARPA表示，TIMEly项目将投入4500万美元经费，共分以下三个阶段：第一阶段为期15个月，主要是设计与元件级测试;第二阶段为期15个月，主要是搭建架构并完成水下演示验证;第三阶段为期15个月，主要是完成样机的多域作战演示验证。

弹性网络化分布式马赛克通信项目（RN DMC）

2020年6月，为了打破对大型天线和放大器的依赖，DARPA发布了弹性网络分布式马赛克通信（RN DMC）项目，寻求开发一种可移动、自成形、自修复的马赛克天线来提供远程通信。马赛克天线由空间分布的低尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）收发器元件或“碎片”（tiles）组成，可以被放置在船舶、车辆、无人和有人机、卫星以及单个小队成员上。发射功率分布在碎片之间，增益通过信号处理实现，而不通过物理天线孔径来集中能量。

马赛克天线碎片的分部部署将具备更强的鲁棒性来应对故障和攻击，同时希望以更低的成本（目标是每片1000美元或更少）实现可消耗。RN DMC项目包括三个重点领域：系统设计、实验性能验证和操作架构定义。这项工作分为三个计划阶段，总共45个月。

总结

发展不依赖GPS导航技术的目的是为作战人员和武器精确打击提供竞争激烈环境中类似GPS的定位、导航和授时功能。以美军为首的西方国家军队积极发展这一技术体系，既有着面对未来威胁环境发展的无奈，又有着占据技术优势地位的野心，也有着对现有GPS发展的无望。定位、导航和授时服务对军队而言就像氧气对人类一样不可或缺。DARPA当前及未来较长一段时间都会投入研究新机理、研制新设备、开发新算法，以摆脱军事人员和系统设备对GPS的依赖。

审核编辑 ：李倩