2021年国外军事导航领域发展综述

2021年，外军定位、导航与授时（PNT）能力建设稳步推进。鉴于GNSS信号中断或受损影响到及时决策、任务安全、武器系统以及关键基础设施，各国仍以提升PNT体系韧性、提供有保证的PNT能力为中心，持续增强和研发天基PNT能力，GNSS系统更新、换代与前沿关键技术研发并行推进；各种新PNT能力不断集成到作战系统中，增强作战人员在动态威胁环境下的优势。各国特别是一直引领军用PNT技术发展的美国非常重视同步发展导航战能力以及GNSS拒止环境下的备用PNT能力，不断为各军种开发PNT关键产品，增强各个作战域的PNT能力。

美国政府发布新政策和多份报告，提升PNT服务韧性是核心

随着现代PNT体系对卫星导航系统的依赖越来越深，卫星导航系统的固有脆弱性不断显现，特别是在复杂战场条件和高度对抗的电磁环境下，卫星导航系统易受干扰、欺骗和被中断的问题显得非常突出。如何建设能够适应条件不断变化、抵御中断的韧性PNT体系，提供连续、稳健、可靠的PNT服务已成为各国关注的重要课题。

这一问题也是2021年美国政府和军方讨论的热点问题。美国政府发布新版天基PNT政策，再次强调增强GPS系统与设备的网络安全性能与抗干扰能力并发展备用PNT技术；美国政府问责局（GAO）发布国防导航能力技术评估报告，对美国防部正在发展的备用PNT技术进行评估，探讨未来PNT发展需求以及如何集成各种PNT技术构建更具韧性的PNT体系；美国国家科学技术委员会发布《美国国家PNT韧性提升研发计划》，就提升PNT韧性的技术研发活动提出指导意见。

1.1美国政府发布新版《美国天基定位导航与授时政策》

2021年1月，美国白宫发布7号航天政策令——《美国天基定位导航与授时政策》。新政策取代了2004年版《美国天基PNT政策》，纳入了导航战、网络安全、频谱应用以及使用国外天基PNT服务等相关规定，旨在为美国天基PNT计划和活动提供行动指南，更好地满足美国国家安全、国土安全、民/商用和科学应用需求。

目前，美国军事、民用基础设施和应用广泛依赖于GPS及其增强系统，一方面GPS需求日益增长，服务范围不断拓展，面临的威胁日益增大，另一方面其他国家天基PNT系统的发展对GPS的未来效用造成冲击，在此背景下，美国认为其需要制定适应性更强的政策和管理框架。新政策强调了美国对GPS的严重依赖及其脆弱性，指出政府和商业机构应拥有可用的备用PNT技术。

7号令重申了2020年2月特朗普政府发布的行政指令《负责任地使用定位、导航与授时服务增强国家韧性》的要点和建议，目标是保持美国在提供全球导航卫星系统（GNSS）服务和负责任地使用GNSS方面的领导地位。新政策要求增强导航战能力，提升GPS及其增强系统和设备的网络安全性能与抗干扰能力，保护GPS及其增强系统运行的频谱环境；鼓励发展GPS替代性PNT服务并支持使用外国星基PNT服务对GPS形成补充，最终提升PNT服务精度、可用性和韧性。

1.2美政府问责局发布《国防导航能力技术评估》报告

2021年5月，美国政府问责局发布《国防导航能力技术评估》报告，对美国国防部研发新PNT技术作为GPS补充的情况进行了分析。这份51页的报告全面审视了美国替代性PNT技术的研发部署情况、发展策略及面临的挑战。报告指出，虽然GPS仍是美国防部PNT解决方案的核心，但决策者“应考虑选择最具韧性的技术作为不同军事任务PNT装备的基石，而不是默认选择GPS”。

GPS是美军及其盟军天基PNT信息的主要来源。近年来，考虑到GPS使用的普遍性和本身的弱点、以及潜在对手越来越多地研发和使用干扰器、欺骗器来影响美国军方使用GPS系统，美国国防部开始探索GPS替代方案。

图1 GPS拒止环境下的替代PNT技术

根据美军PNT发展战略，未来，美国防部仍将GPS视为PNT架构的核心，但会使用其他PNT技术对GPS能力进行补充（如图1所示）。美国国防部正在通过三项PNT科技计划支持PNT研发：开放架构计划目标是将各种PNT技术集成到一起，实现PNT韧性；时间分发计划目标是在GPS拒止或GPS性能降级环境下通过其他媒介向移动用户传送时间信息；模拟和仿真计划旨在进行PNT技术评估，识别有前景的技术，为作战规划和投资决策提供支撑。美国防部官员和专家分析称，目前没有备选的PNT技术可以替代GPS，也没有任何一种单独的PNT技术能够满足所有PNT需求。美军PNT技术路线图希望实现的目标是：在任何威胁环境下，平台都能够拥有独立的PNT系统以不同方式获得足够的PNT信息来满足任务需求。

美军在开发和集成备用PNT技术方面还面临诸多挑战。开发备用PNT信息源并不是美国防部的优先事项，这些PNT能力也未被看作是正式的关键需求，而是被视为“二层需求”。该报告还指出，官僚和政治障碍是备用PNT技术发展面临的最大挑战，“任何威胁到GPS的技术都面临很大阻力”。但实际上目前许多军事任务并不需要GPS达到的精度。许多可选技术虽然更具韧性，但因无法达到与GPS同等精度而无法满足过高需求。对此，GAO提出了六条建议，包括加强协作、聚焦韧性、明确军事任务的实际PNT性能水平需求、与工业部门协作、保障开放式体系架构长期发展及分析不同PNT系统的弱点。

该报告面向军事应用，聚焦于GPS补充业务，但并未讨论如何增强GPS信号与装备的韧性，也未涉及如何使用其他国家的卫星导航系统。从报告透露的内容可以确定的是，美军已充分意识到过度依赖GPS所带来的风险，2021年国防授权法案已要求美国防部到2023年前为作战指挥官提供非GPS PNT能力。虽然美军对备用PNT技术的发展还缺乏统一规划和协调，但各军种都在积极研发各种新的PNT信息源，在GPS可用的情况下，这些技术还可以协同工作，检验每种PNT信息源的精确性，并互为补充，提供更具韧性的PNT信息。

美军各军种已达成共识将模块化开放体系架构（MOSA）视为未来PNT成功的关键。MOSA无需对平台做重大改装就可为其增加新的PNT源，只需针对所需PNT源研发新的传感器模块。GAO在报告中对此表示认同，并建议美国防部将开放架构开发制度化，给予专门的长期资金投入。另外，学术界和商业领域的研究对美军降低设备尺寸、重量、功率及成本一直有很大的推动作用，未来，美军将继续利用民用和商用技术进步不断完善其PNT体系。

1.3美国国家科学技术委员会发布《美国国家PNT韧性提升研发计划》

根据2020年美国政府发布的第13905号行政令“负责任地使用定位、导航和授时服务增强国家韧性”的要求，2021年8月，美国国家科学技术委员会发布了《美国国家PNT韧性提升研发计划》报告，旨在提升关键基础设施对PNT服务中断的韧性，有效满足维护美国国家和经济安全的战略目标需求。

该计划列出了“表征和模拟PNT服务及其使用”、“改进并扩展PNT能力”、“集成并部署韧性PNT架构”三大研发目标，下设共14个小目标。该计划指出，开发新的或改进的PNT服务需要首先了解PNT应用需求的不断变化，应全面了解当前PNT系统漏洞以及系统之间的相互联系和依赖关系，并确定有效的韧性度量标准。各联邦机构应开发具有更好性能指标（例如精度、可用性、连续性、覆盖范围和完好性）的PNT设备，改进和扩展PNT服务和能力，从而增强韧性并推动创新（例如尺寸、重量、功耗和成本），刺激应用发展。其中，改进和扩展服务中断检测工具和缓解方法对实现韧性PNT架构至关重要。该报告同样强调将不同PNT功能和组件集成到用户设备中，开发标准和指南促进PNT架构和接口的统一性和通用性。

该研发计划是在美国近几年致力于提升国家总体PNT韧性的背景下提出的，虽然报告中建议各研发目标主要由国土安全部、交通部、航天局等民用机构负责完成，但其PNT韧性和服务新理念也必将影响并促进军事PNT应用的发展。

美欧重视发展导航战态势感知能力

导航战是一系列旨在加强友军PNT数据使用，干扰敌方使用PNT数据的行动，也是各国建设韧性PNT体系的一个军事应用目标。导航战需要的不仅仅是GNSS设备或不依赖于GNSS的传感器。导航战的一个关键要素是能够实时“感知”PNT环境，使指挥官和部队在GNSS性能降级或被拒止时仍能够自信而精确地机动。但过去多年来，国防PNT界主要侧重于获取和强化GNSS用户段、改进惯性传感器、探索备用PNT能力，在了解和处理PNT威胁方面，如执行频谱和空间监视等，则还需进一步加强。2021年，美国和欧洲在这方面都有所动作。

2.1美陆军批准导航战态势感知需求文件

2021年3月，美国陆军有保证定位、导航和授时/空间跨职能小组批准了《导航战态势感知能力发展简略文件》（A-CDD），要求对作战人员的导航战态势感知能力进行试验和快速原型开发。

导航战态势感知能够帮助探测、识别和定位PNT干扰源，验证信号的完好性并就干扰的存在和强度向用户发出提示与警告。通过集成能够对有意、无意干扰源进行探测、识别和定位的多种传感器，导航战态势感知还能够表征作战环境。

这份A-CDD文件详细介绍了利用新兴和现有解决方案进行快速原型开发、测试和士兵评估的方法，将使美陆军加快导航战关键技术的发展，并简化为作战人员加速交付作战相关系统的流程，增强战场士兵和指挥官对PNT可靠性的实时态势感知能力，帮助实现远程精确打击，并为实现大规模地面作战行动的机动自由提供支持。

该文件提出的需求是美军为士兵开发专用导航战能力的第一步，也是增强作战行动杀伤力的关键因素。联合部队将利用这种感知能力协调和实施行动，应对PNT挑战环境。

2.2欧盟提出开展“天基与地基导航战监视”研究

2021年7月，欧盟提出投资5000万欧元实施“韧性天基PNT与卫星通信”计划，目标是通过测绘与威胁分析，提升对抗环境下天基PNT的韧性，同时发展欧洲技术和产品，实现具有互操作性和韧性的军事卫星通信。

欧盟在该计划下提出了“天基与地基导航战监视”课题并向业界寻求建议书。该课题目标是收集干扰与欺骗信息，包括来自太空的信息，以互操作的方式共享并处理这些信息，以实施导航战业务，如威胁探测与地理定位，在GNSS发射机、接收机端实施对抗策略等，从而提升天基PNT的韧性。

目前，欧洲正在针对军事应用增强未来伽利略公共管制（PRS）服务的韧性并开发军事用户接收机，欧盟希望该课题发展全面的欧洲导航战能力，依靠天基和地基监视补充当前伽利略系统的军事应用工作。为此，欧盟希望业内提供的建设书面向导航战总体系统，包括模块化导航战信息管理系统，与导航战子系统和PRS传感器联网，目标是实现全球整体能力，同时解决韧性、监视与进攻措施问题。

欧盟将通过天基和地基导航战监视系统，定位、识别和表征主要威胁并监视GNSS信号，支持GNSS/PRS接收机在对抗和敌对电磁环境下实现标准性能。该课题将集合成员国的力量和联合手段，提高欧盟导航战能力，有助于各成员国在作战行动和任务期间，在领土上和领土外不受限制、无中断地使用伽利略全球PRS业务。

2.3美国国防部寻求GNSS服务中断探测与分析方法

美国PNT相关国家政策和规划中一直将GNSS中断检测与地理定位视为未被满足的需求。2021年8月，美国防部国防创新组织（DIU）对一项GNSS有意中断态势感知项目发布了信息征集需求，希望利用从公开/商业可用信息中获取的分析结果和数据集，检测GNSS中断，该项目尤其关注大面积范围内非法GNSS发射机造成的局部欺骗现象。

DIU提出的能力需求主要涉及商业可用数据源、GNSS干扰分析和数据输出格式，要求收集、提供和/或获取后续持久GNSS干扰分析所需的各种相关数据，数据可来自如自动识别系统（AIS）、自动相关监视广播系统（ADS-B）、蜂窝电话、卫星电话、基于app的GNSS元数据、GNSS接收机等等；要求对商业可用数据源和数据库进行自动筛选、模式识别和关联，并以通用、开放格式输出，支持利用可视化工具进行实时和历史检测，对实时和历史GNSS事件进行深度分析。

2.4斯罗谱•格鲁曼公司为美军开发GPS威胁探测软件

根据GNSS内参2021年10月28日的报道，诺斯罗谱•格鲁曼公司正在根据美国陆军的一份研发合同，利用人工智能和机器学习开发GPS威胁探测软件，在对抗战场环境下应对导航系统干扰和欺骗威胁。

这种探测软件将部署到各种软件定义无线电和其他类型的嵌入式系统上，该软件能够快速检测传统上很难观测到的低功耗GPS威胁并对其进行分类。目前该技术已在美国陆军地面车辆上进行了现场演示，展示了威胁检测方面的重大改进。

这种GPS威胁探测软件扫描RF信号环境，使用机器学习在海量数据中搜索威胁特征。一旦检测到并识别出威胁，威胁检测器将与更大的用户网络共享其了解到的威胁类型和位置，然后用户可以决定如何对威胁做出反应。该算法还使用威胁数据自动更新自己的已知威胁列表，以便在射频环境的后续扫描中查找。

机器学习提高了软件检测“难以检测”威胁（如RF接收机噪底附近的低功率信号）的能力，并减少了误报威胁的数量。作为一种软件定义算法，该软件可以在现场快速修改、重新训练和重新部署。这种新型软件将帮助美军跟上不断发展的导航战威胁。

多国卫星导航系统建设取得新成果

2021年，多国继续实施卫星导航系统现代化计划和新一代系统研发，致力于不断提升卫星导航系统服务性能，并不断强化系统的安全性和可用性。

美军成功发射第五颗GPS III卫星，实现全球M码覆盖，与此同时加大M码接收机研发和部署力度，但支持M码的新一代运控系统仍处于延期之中，美军要获得M码完全运行能力仍需等待；美军还探索在GPS IIIF卫星上搭载通信载荷，利用中地球轨道导航卫星扩展其天基通信层；未来导航技术实验卫星NTS-3的生产及测试也在按计划进行。

伽利略系统开始发射第三批一代卫星并同步推进二代星研发和地面段升级。特别值得的关注是，2021年初，欧盟启动了“伽利略欧盟防御”（GEODE）项目，伽利略系统军事用户设备发展迈出了关键一步。

俄罗斯将第一颗GLONASS-K2卫星的发射推迟到2022年，并准备在多国增设监测站。为了满足国家安全需求，英国、日本、印度进一步强调发展自主卫星导航能力：英国推出“天基PNT计划”并即将发送自己生成的第一个卫星导航信号；日本区域导航系统“准天顶卫星”星座首次补网发射新卫星；印度颁布了《2021印度卫星导航政策》，谋划将其独立卫星导航能力扩展至全球应用。

3.1GPS III系统建设和未来导航技术研发稳步推进，美军提出利用GPS IIIF卫星提供天基通信

2021年，美军成功发射第5颗GPS III卫星，已可向全球播发先进的M码军用信号，但新一代运控系统和用户设备的延期使美军仍旧无法使用M码完全运行能力；新一代GPS系统后续卫星GPS IIIF将采用更先进的卫星平台并准备搭载通信载荷；下一代GPS地面运控系统（OCX）将升级至支持GPS IIIF卫星；未来导航技术实验卫星NTS-3的生产及测试也正在按计划实施。

（1）美太空军成功发射第5颗GPS III卫星，空间段实现全球M码覆盖能力；后续星GPS IIIF订购数量已达7颗，并将采用可获取在轨服务的新卫星平台

2021年6月，GPS III星座第5颗卫星成功发射并在约两周后通过了运行验收批准，标志着GPS星座中具备M码能力的卫星数量达到24颗，使系统能够向全球任意地点的军事用户播发加密M码PNT信号。

未来美军还将迎来更多的GPS III卫星。美军计划用32颗最新的GPS III卫星取代目前在轨运行的二代GPS卫星。新一代系统计划部署10颗GPS III，后续升级至GPS IIIF卫星。

2021年2月，L3Harris公司获得了价值1.37亿美元的合同，为GPS IIIF提供4套全数字导航有效载荷任务数据单元（MDU）。MDU是卫星导航有效载荷的核心，数字MDU的灵活性将能适应GPS技术的发展和未来任务需求的变化。新的MDU还将支持GPS星座向未来地面控制系统（OCX）平稳迁移。

2021年11月，美太空军再次从洛克希德•马丁公司订购了3颗GPS IIIF型卫星。至此，从2018年开始，美军共向洛马公司订购了7颗GPS IIIF，计划2026年开始发射GPS IIIF卫星。目前，洛马公司正在重新设计卫星平台，预计从第三颗GPS IIIF开始使用。此次升级可谓意义重大，因为新卫星平台将可以获得在轨服务，通过在轨升级引入新的处理器或传感器技术等，从而提升太空平台的关联性和任务能力。

（2）美太空军考虑在GPS IIIF卫星上搭载军事通信有效载荷

特别值得关注的是，美军正在考虑利用未来GPS导航卫星提供通信连接能力。2021年8月，美国太空军发布一份信息征询书（RFI），向业内征求在GPS IIIF卫星上托管通信有效载荷的方案。该RFI指出，美国太空军正考虑从2030年开始在GPS星座上搭载卫星通信载荷，首选X频段和Ka频段，但也会考虑其他卫星通信频段，第一批载荷必须在2029年交付。

美军此举一方面是基于GPS IIIF卫星有更多空间和功率支持托管有效载荷，另一方面也是为了利用中地球轨道导航卫星提供更多一层的天基通信连接。

（3）GPS下一代运行控制系统（OCX）将升级至支持GPS IIIF卫星

支持M码和GPS III卫星的下一代运行控制系统（OCX）目前仍处于延期之中。主承包商雷声公司已交付了Block 0，正在开展Block 1和Block 2工作。2021年4月，美太空军又与雷声公司签订了价值2.28亿美元的合同，增加了OCX 3F版本。

目前只有Block 0在运行，该版本只处理发射和早期轨道运行以及所有GPS III卫星的在轨检查。截止到目前，Block 0已为发射的5颗GPS III卫星提供了服务。

OCX Block 1和2计划2022年交付。OCX 3F修改了Block 1和2的软件基线，以利用GPS IIIF增强能力。除了支持美国防部最新的网络安全标准和实践，OCX 3F还支持许多先进功能，包括增强和扩展监控站网络，以提升网络安全和抗干扰能力；增强对现代化军事信号的控制能力；支持GPS III提升全球军用码覆盖；以及监控新的伽利略兼容和生命安全信号。OCX 3F预计2025年7月交付。

当前所有GPS卫星均由现役运行控制段（OCS）控制，洛克希德•马丁公司将维持OCS运行至2025年，并提供一系列软件升级。通过升级，OCS目前能够运行更强大的GPS III卫星，可以实现加密M码信号的任务分配、上传和监控，但还不能完全支持M码的使用。

（4）美军继续研发并向盟友提供新一代M码军事用户设备

2021年，美军继续军用GPS用户设备（MGUE）增量的研发及现场评估工作，并将M码接收机的使用扩展到了盟友。

美军先后与BAE系统公司签订三份合同开发新一代M码军用GPS用户设备模块。

2021年2月，美国太空军授予BAE公司价值2.47亿美元的合同，该合同与MGUE增量2微型串行接口（MSI）计划有关。该计划有两个重点：认证一种先进专用集成电路（ASIC）并开发一种超小型、低功耗GPS模块，为下一代M码GPS接收机提供支持。BAE公司将利用其核心M码技术和下一代ASIC在更多平台上实现安全可靠的军用GPS功能。

2021年5月，美国后勤局与BAE签署3.255亿美元合同，要求交付与先进M码信号兼容的MGUE增量1通用GPS模块（CGM）。BAE公司将负责生产该模块，管理其库存，并应用这些模块制造可应用于地面和精确制导弹药的军用级GPS接收机。2021年12月，在此合同基础上，美国国防后勤局又订购了3.16亿美元的GPS模块。

BAE系统公司将为美国国防部及其盟友生产用于未来地面、机载和武器GPS接收机的通用GPS模块。这两份合同将满足2030年前美国及盟友对MGUE增量1 M码模块的需求，支持部署先进M码GPS接收机实现对抗环境下作战。

图2 MGUE增量1组成及主装武器平台

美国海军信息战中心于2021年8月～9月进行了一个月的作战评估试验，对海军陆战队联合轻型战术车（JLTV）的多个车载M码接收机板卡性能进行了作战效用评估（FUE）。测试在动态且具有挑战性的干扰环境下进行。美军计划到2024年秋完成在空军B-2轰炸机和海军制导导弹驱逐舰上的测试，最终完成MGUE 增量1在美军主要平台上的战场测试。增量1组成及部署平台如图2所示。

此外，2021年3月，美太空军宣布面向盟国启动了为期三年的新型军用M码GPS接收机租赁计划。美国的盟友将可以采用MGUE技术的接收机板卡，用于实验室或战场测试。加拿大首先加入了该计划，首批接收机已于2021年2月交付，法、德、英、韩等国也将陆续获得该接收机。该计划将帮助美国盟军作战人员获得更安全、可靠的PNT数据。

（5）导航技术卫星-3（NTS-3）发射推迟至2023年

新型实验性导航卫星NTS-3是美空军“先锋计划”之一，将展示变革性PNT能力，同时补充现有GPS星座。2021年4月美军宣布将其发射时间从2022年推迟到2023年，将利用新加时间降低风险并进行更多地面测试。

目前，NTS-3的生产和测试正在按计划进行。2021年6月，诺斯罗普•格鲁曼公司交付了NTS-3卫星平台，为2023年发射NTS-3提供了一项重要保障。接下来，L3Harris公司将进行平台测试并集成PNT载荷。同样是在6月，美空军研究实验室交付了“GNSS测试架构（GNSSTA）”接收机，这种可重编程软件定义设备既可以接收GPS信号，也可以接收NTS-3号发射的先进PNT信号。

空军研究实验室计划在地球同步轨道上对NTS-3卫星进行为期一年的试验，测试航天器上新的PNT信号和架构，以及新的地面指控系统和软件定义无线电。此后，NTS-3将转交给美国太空军，并与太空军其他PNT能力整合到一起。

3.2 欧洲继续推进一代和二代伽利略系统部署和研发，并启动规模最大的PNT军事应用项目

2021年，欧洲伽利略系统又发射两颗卫星入轨，二代卫星开发也在同步进行中。“伽利略欧盟防御”（GEODE）军用PNT应用开发项目启动，欧盟多国将共同开发军用PNT设备。

（1）欧盟发射前2颗伽利略系统第三批一代卫星并升级地面控制系统，二代卫星研发同步进行中

2021年12月5日，欧洲发射第27颗和第28颗伽利略卫星。这两颗卫星是伽利略系统第三批一代卫星中的前两颗，加入当前在轨的26颗卫星后，将进一步增强系统的稳健性。第三批一代卫星共12颗，将使伽利略在轨卫星达到38颗。欧盟计划2022年再发射两次共4颗卫星，届时将宣布伽利略系统达到完全运行能力。目前，伽利略系统的全球定位精度已达到米级。

这两颗卫星首次实现由现有伽利略控制中心监控进入太空，而不需要其他外部任务控制站点。2021年，伽利略地面控制系统（GCS）更新至3.0版，能够监管的卫星数量从26颗增加到38颗。此次升级于2018年启动，中间历经新冠疫情影响，于2021年7月底完成。升级后的系统通过引入先进技术提升了运行能力和可靠性，同时显著增强了网络安全和安全监控能力。

在建造第三批一代卫星的同时，第二代伽利略系统卫星也在开发中。2021年5月底，欧洲航天局与泰勒斯•阿莱尼亚航天公司和空中客车防务与航天公司最终签订了共14.7亿美元的两份合同，两家公司将分别建造6颗不同类型的二代伽利略卫星，计划2024年进行首次发射。二代系统精度预计将达到厘米级。

第二代伽利略卫星将首次采用全电力推进系统，采用新型数字双向导航天线设计、可在轨重配置的全数字导航载荷和星间链路（实现测距、任务分发和指挥控制）。这些创新技术将进一步提升伽利略系统精度和信号鲁棒性与韧性，通过新的信号与服务响应不断变化的用户需求，支撑伽利略系统的安全军事应用。新型天线还将增强搜索救援服务，为处于困境中的人员提供双向通信。

（2）“伽利略欧盟防御”军用PNT项目启动

伽利略系统依靠其公共管制服务（PRS）提供加密导航服务，面向政府授权用户和需求高连续性的敏感应用。PRS军事用户设备发展于2021年迈出了关键一步，2021年初“伽利略欧盟防御”（GEODE）军用PNT应用开发项目启动，该项目是由欧盟14国、30家组织机构共同合作承担的伽利略系统规模最大的应用开发项目。

“伽利略欧盟防御”将持续至2026年，将开发军用PNT设备，包括公共管制服务安全模块、公共管制服务接收机、抗干扰受控辐射模式天线、通用/标准化测试环境、伽利略公共管制服务基础设施等。伽利略公共管制服务可与GPS互操作，也可在无法访问GPS信号的情况下提供安全PNT服务，具备高抗干扰、抗欺骗能力。

“伽利略欧盟防御”将提升欧盟在军事定位、授时和同步这一高度战略性领域的产业竞争力。欧盟成员国军队装备伽利略公共管制服务能力，将会加强其互操作性和自主性。“伽利略欧盟防御”还将促进获得复杂的经过安全认证的技术，并通过标准化手段和规模效应，使这些技术变得更经济适用。

3.3 英国推进“天基PNT计划”和天基增强系统测试项目

英国政府在脱欧后一直在寻求独立PNT计划，2021年3月在其发布的《英国在竞争时代的全球地位：安全、国防、发展和外交政策综合评审》报告中再次提出了要加强英国关键国家基础设施和经济所依赖的PNT服务的韧性能力。

2021年5月，空客公司、CGI公司等六家企业获得英国政府超过200万英镑的拨款，为英国航天局的“天基PNT计划”（SBPP）开展系统设计和运行、信号和算法、韧性能力、保证能力和成本建模研究工作。SBPP是英国航天局于2020年10月推出的一项新的重大政府计划，将探索研究GPS或是Galileo可替代卫星导航方案。

英国航天局还正在资助一个测试项目－－英国天基增强系统（UKSBAS），目标是提供一种平台，增强英国脱欧后在PNT领域的能力。UKSBAS调整Inmarsat-3 F5卫星上的一个转发器的用途，提供一个叠加（overlay）信号来增强GPS系统，可以将信号精度从几米提升到几厘米。UKSBAS也将产生第一个英国自己生成的导航信号，将为未来能够支持英国安全关键应用的可运行能力开发提供基础评估，支持英国建设自己的高完好性精确导航系统，服务于英国全域，包括其空域和附近水域。

3.4 俄罗斯首颗GLONASS-K2卫星发射推迟到2022年，将在5个国家增设地面监测站

原定于2021年第四季度发射的俄罗斯第一颗下一代格洛纳斯-K2卫星推迟到2022年初。此次推迟是由于部分星载设备在地面试运行后仍需要进一步改进。GLONASS-K2是俄罗斯GlONASS定位系统的下一代导航卫星，将传输9个导航信号，其导航精度预计优于30厘米。

此外，根据塔斯社2021年9月的消息，俄罗斯国家航天集团公司计划在巴西、中国、印尼、印度和安哥拉新部署6个GLONASS地面监测站。当前现场勘察工作已经完成，正准备合同签订事宜。此举将进一步增强GLONASS系统精度和其他参数性能。

3.5 日本首次进行“准天顶”导航系统补网发射

2021年10月26日，日本发射了“准天顶卫星系统”（QZSS）的一颗补网星，即“准天顶卫星”（QZS）1R，又称“指路”1R。这是“准天顶卫星系统”（QZSS）2017年初步组网完成后首次进行补网发射。

“准天顶”属区域增强型卫星导航系统，现阶段由4颗卫星组网，旨在增强日本用户在城市峡谷等环境下的GPS和伽利略系统精度并播发自己的导航信号。首星QZS-1于2010年9月发射，用于相关技术验证，现已过了其10年的设计寿命。此次发射的QZS-1R设计寿命15年，用于接替QZS-1。日本政府已决定为“准天顶”系统再增设3颗卫星，要在2023年建成由7颗卫星构成的系统，以确保能不依赖于美GPS系统独立运行。

3.6 印度发布《2021印度卫星导航政策》

出于国家战略需求，印度已建成了自己的独立区域导航系统NavIC和GPS辅助型对地静止轨道增强导航系统（GAGAN）。2021年7月29日，印度航天部（DOS）发布《2021印度卫星导航政策》草案，旨在通过制定全面可行的国家政策来指导政府有效开发、运行和维护印度自主控制的卫星导航系统及其增强系统，进一步推进其“自力更生”计划的实施。

《政策》强调，要将NavIC的使用范围从区域扩展到全球，逐步开发新的导航信号，保障NavIC独立信号在全球任何地方的可用性，并且无需依赖其他GNSS系统，既要确保民用信号的持续可用，也要为战略应用提供安全导航信号；要确保GAGAN星基增强系统为航空安全领域提供有效保障和连续服务；并促进实现印度卫星导航及增强系统与其他GNSS和星基增强系统间的兼容性和互操作性。

《政策》还指出，要重视技术研发，充分利用空间段高稳时钟、人工智能、机器学习、星间链路、在轨可重编程导航信号、量子通信等不断发展的新兴技术，不断增强导航卫星系统能力。

继续推行开放式架构，提供多源PNT能力，适应不断变化的战场需求

如何避免过度依赖GNSS带来的巨大风险，综合运用多种时空信息源确保各类武器装备平台及系统的生存和作战能力，是美军推进新一代PNT体系建设中考虑的重要问题。面对未来威胁环境发展，美军强调采用模块化开放式系统融合多种PNT信息源，通过在未来软硬件开发中采用开放式标准实现新技术的即插即用。2021年，美军继续在PNT技术研发和装备部署中检验这一做法的作战实用性。

4.1 美国陆军开发开放式架构软件，支持随时集成新型PNT传感器

美陆军C5ISR中心正在开发一种称为pntOS的软件，该软件采用开放式架构，允许随意添加或取出各种新型PNT传感器。

传统传感器融合方案耦合非常紧密，软件被紧密集成到一起。而这种新技术采用模块化方式，提供自适应、可重配置能力，支持将新型PNT传感器随时集成到现有产品中。pntOS的核心是一个应用编程接口（API），它作为与不同程序或应用间互连的软件“中介”，使采用不同语言的传感器应用之间可以相互“交谈”。API也是美国防部向联合全域指挥控制（JADC2）发展的核心，实现不同系统在任何作战域间相互传递数据。

C5ISR中心已开发出符合pntOS软件规范的参考代码，作为开发人员构建PNT应用的范例。pntOS解决方案将缩短新能力的集成时间，更快将技术和能力提供给作战人员。

4.2 美国空军测试“敏捷吊舱”新型多源PNT技术

2021年4月和11月，美国空军战略发展规划与实验（SDPE）办公室联合海军水面作战中心成功完成PNT“敏捷吊舱”（Agilepod）第一阶段和第二阶段飞行测试。

“敏捷吊舱”由一系列28英寸到60英寸长的舱室组成，这些舱室可以像乐高积木一样组装成不同配置。作战人员可挑选任务所需传感器，根据特定需求对吊舱进行配置。这种吊舱利用“蓝色守卫”（Blue Guardian）自适应架构和传感器开放系统架构，通过标准化软硬件接口实现传感器技术的快速集成，如图3所示。

图3 美空军“敏捷吊舱”概念示意图

这两次试验探索了空军新型PNT作战概念，即利用开放软件架构把替代PNT技术，如视觉导航、机会信号和磁异常导航集成到一起并根据通用标准传递信息，为在GPS拒止环境下作战提供PNT能力。第一阶段飞行演示将新的PNT系统内置于模块化“敏捷吊舱”内，进行了6架次飞行测试，成功证明视觉导航/机会信号融合系统可以内置于“敏捷吊舱”内，在各种飞机和环境条件下运行。

2021年11月，PNT“敏捷吊舱”原型系统搭载到一架高性能T-38C教练机上进行了8架次飞行测试，成功完成三项重要试验目标。一是进行了首次高动态飞行测试；二是首次测试了全远程接口连接和备用PNT数据传输；三是首次演示了陆上/水上能力转换，展示了导航系统的信息跨域传输能力。改进后的“敏捷吊舱”开放式任务系统（OMS）架构和试验设计达到了突破性效果，可使作战人员实时观察系统状态，并在需要时更新决策，大大提高了试飞和作战效率。

PNT“敏捷吊舱”是美军开发独立于GPS的先进导航技术的平台，上述测试展示了在一个政府所有的开放架构原型系统内融合多种不同备用PNT系统的作战实用性。采用开放架构和基于标准的设计，有助于简化载荷开发与集成并降低成本，确保在研能力满足不断变化的战场需求。将PNT技术纳入“敏捷吊舱”架构可以使美军根据任务需求进行调整，快速适应GPS能力被拒止或受到欺骗的环境，确保全球范围内的连续作战能力。该试验结果将有效支撑美军2022财年/2023财年规划提出的满足太平洋空军和空军全球打击司令部（AFGSC）对可靠PNT和导航战、以及对韧性无人机系统导航的空战指挥（ACC）需求。

4.3 研发、部署PNT综合应用系统

在PNT融合应用方面，美国陆军继续推进有保证PNT（A-PNT）项目。2021年，两个子项目——车载A-PNT（MAPS）系统和徒步A-PNT（DAPS）——均进行了实际作战任务测试。

目前，MAPS是允许作战人员在GPS对抗环境下执行移动作战的唯一车载有保证PNT解决方案。作为一种开放式模块化移动系统，MAPS可融合多源PNT数据，如授时传感器、惯性导航设备等。

2021年，美国陆军继续加快系统部署，又订购了900多套一代系统安装到更多平台上；同时，二代MAPS在GPS拒止环境下进行了火力呼叫（CFF）、侦察、快速反应部队（QRF）和医疗疏散（MEDVAC）等实际作战任务测试。新型MAPS将集成到美陆军轮式和履带式平台上，针对新出现的GPS威胁建立高级别防护能力，以支持陆军多域作战。

DAPS相当于MAPS的徒步版本，是能抗电子攻击的手持PNT设备和SWaP受限环境下的有保证PNT解决方案，提供GPS完好性和非GPS传感器增强信息。2021年，美国陆军在不同威胁场景下的侦察与火力任务中测试了其性能。DAPS将取代美军已部署的手持式国防先进GPS接收机（DAGR）。

美国空军则将其韧性－嵌入式GPS/惯性导航系统（R-EGI）研发推进到了第二阶段。以IS4S为首的公司团队已成功完成项目第一阶段的开放式PNT架构设计工作，在此基础上，2021年，美空军又与IS4S签订了9500万美元的第二阶段合同，生产原型系统。R-EGI开放架构允许集成来自国防部、产业界和学术界的适用技术和算法，通过采用替代PNT和改进的GPS/GNSS信号处理技术消除威胁，并通过快速开发和验证新能力应对新威胁。

围绕有保证PNT需求继续研发多种新型PNT技术

2021年，尽管国外新冠疫情形势不见好转，但在高性能导航授时服务需求和GNSS替代技术需求的驱动下，军方和业内围绕提供有保证PNT（A-PNT）能力举措不断，PNT服务韧性不断增强。

业内正在探索新的陆基远程PNT技术，开发自主可控的国家级陆基PNT系统；低轨卫星、人工智能等新兴技术正逐步引入到军用PNT系统中；网络辅助PNT技术利用无线电机会信号（ SOOP）实现定位授时功能，受到PNT界关注；美国军方还在资助研究创新性使用宇宙射线μ介子辐射源替代GPS信号，解决高纬度地区定位问题。

5.1 实现远距离陆基PNT服务

陆基PNT系统是对卫星导航系统的必要补充，近年来又重新受到重视。

2021年，一直为美空军、NASA等提供可靠厘米级定位和皮秒级授时的Locata公司与UrsaNav公司建立合作关系，将Locata的高精度局域PNT技术与UrsaNav的广域PNT技术（增强罗兰和LFPhoenix技术）相结合，旨在开发出韧性、自主可控、足够灵活的国家级陆基定位和授时系统，满足远程骨干网和局域高精度关键基础设施的需求，减少对易受干扰和日益脆弱的天基信号的依赖。UrsaNav公司的增强罗兰和LFPhoenix技术可以提供纳秒级授时、米级定位和短消息服务，数据传输距离陆上超过1000英里（约1609千米），水上1800英里（约2897千米）。

目前，美国和英国均在极端GPS干扰与欺骗条件下测试了两家公司的技术。新的陆基PNT解决方案将确保在GPS信号受到破坏、衰减、不可靠或不可用时，军民用户仍然可以获得安全可用的PNT信息。

5.2 继续研发低轨卫星导航能力

低轨卫星的蓬勃发展为增强PNT服务注入了新活力。凭借其独特的星座和信号优势，应用低轨卫星技术实现PNT增强、备份和补充受到了军方的青睐。

（1）DARPA为“黑杰克”星座开发PNT载荷

提供PNT服务是DARPA正在推进的“黑杰克”低轨小卫星军事通信与监视星座的一个任务领域。2021年4月底，DARPA宣布授予诺斯罗普•格鲁曼公司一份“黑杰克”项目第二阶段合同，为该星座设计PNT卫星有效载荷。

该PNT载荷将采用诺格公司基于软件的可重构GNSS导航授时嵌入架构（SERGEANT），为军事用户提供来自低轨卫星的且不依赖于现有GNSS系统的新型敏捷信号，让作战人员即便在面临先进威胁的受限环境下也能瞄准目标。

（2）美国陆军开发低轨卫星导航载荷

2021年6月，美国陆军与“铱星”公司签署价值3000万美元的合同，研发一种搭载到低轨小卫星上的载荷，用于播发授时或定位信号。铱星公司表示，该项目将需要至少3年时间，铱星公司将基于“铱星Burst”服务概念，利用其L波段低轨卫星网络将授时或位置数据发送给用户。新服务将作为GPS系统的备份方案。新载荷计划搭载在其他商业低轨卫星星座上，意在支持快速部署小卫星星座概念，提供更有效的传感器到士兵数据传输。

（3）“星链”低轨星座有望成为GPS替代系统

随着SpaceX公司“星链”低轨星座的部署，利用“星链”卫星信号实现全球定位的可能性也受到关注。2021年9月的美国导航学会上，美国俄亥俄州立大学研究团队公布了其利用“星链”卫星信号进行定位和导航的研究成果。“星链”系统核心功能是为全球提供宽带网服务，这也是该系统首次被研究用于导航。研究人员侦收、分析了“星链”卫星发送的信号，研发出利用多颗卫星信号定位地球上地点的算法，并进行了测试。结果，利用“星链”卫星定位的精度约在7.7米内，接近GPS定位精度的0.3～5米范围。美国空军已与该团队合作，测试用该方法确定高空飞机位置。随着“星链”卫星部署数量增多，导航和地理定位精度还将提高，而“星链”系统也有望成为GPS的替代导航系统。

5.3 人工智能（AI）越来越多应用于军用PNT系统

各国军方都在密切关注人工智能的发展，并越来越多地将其应用于军事系统实现新优势。随着机器学习、计算机视觉等技术的进步，人工智能在信息处理、图像识别、实时分析预测等方面的优势也正引入到军用PNT系统中。

（1）美空军开发隐形认知敏捷导航系统

美国空军正在“认知战术PNT”项目下综合使用高性能计算、人工智能和认知电子战帮助飞机和智能弹药在没有GPS信号或授时的情况下实现精确导航。

2021年9月，美国空军研究实验室与KBR公司签署了价值4970万美元的隐形和认知敏捷导航系统（SCANS）项目合同，该合同将进一步研究、比较GPS拒止环境下的PNT系统替代方案并实现原型机。KBR将于2026年9月完成相关工作。

这种认知战术PNT技术将利用机器学习和人工智能来实现关键PNT进程的自动化和快速完成，特别是在GPS不可用的情况下实现惯性导航系统的更快更新。SCANS将集成AI、机器学习和新一代认知计算，在GPS拒止环境下产生精确定位所必需的精确授时，然后设计出使用惯性导航陀螺仪甚至航位推算的实时导航新方法。当GPS信号无法定期更新基于陀螺仪的导航系统时，认知PNT将比单独使用惯性导航陀螺仪更快、更准确。

（2）美国陆军研发基于计算机视觉的智能导航系统

2021年9月，美国陆军研究实验室与中佛罗里达大学签订合同，开发一种基于计算机视觉的智能导航系统，在GPS不可用或受干扰的情况下使用。该系统将使用人工智能和机器学习评估车辆和无人机捕获的计算机图像，帮助确定平台位置以及在复杂地形下的行动路线。

系统使用地理空间数据库识别与图像相关的地标并通过视频跟踪物体运动。中佛罗里达大学计算机视觉研究中心在计算机视觉和机器学习领域处于世界领先地位。研究人员将开发算法，对收集到的数据进行自动分析并从任务图像中提取相关特征，与地理标记参考图像匹配，实现GPS拒止环境下的作战导航。

5.4 发展网络辅助PNT技术

研究表明，利用播发的非用于导航或时间传递用途的所谓射频“机会信号”（SOOP）能够实现对移动平台的导航和授时，这为GNSS导航提供了一种有效的补充手段，近年来得到业界的广泛关注。2021年，美军和欧洲通过网络辅助PNT项目将机会信号导航用于应对GNSS威胁。

（1）美国陆军寻求网络辅助PNT能力

2021年10月，美国陆军应用实验室发布“徒步士兵网络辅助PNT解决方案”通告，目标是开发网络辅助设备与相关技术，确保战场士兵在极偏远环境或GPS受到干扰的情况下仍有可用的PNT工具。

美陆军希望业界结合前沿创新技术，提交网络辅助PNT工具白皮书，提出的要求包括：降低网络辅助设备的尺寸、重量和功耗；通过软件开发提升性能与效率；利用现有商业或军事波形执行定位；减少对基础设施（如蜂窝塔）的需求等。目前美陆军实验室计划只授出一份合同，进行12～18个月的研究。

（2）欧洲签订“下一代网络辅助PNT保障”合同

欧洲也在关注利用网络辅助技术提供有保证PNT能力。2021年11月，欧洲航天局（ESA）在欧洲导航创新与支持（NAVISP）计划下与Telespazio英国子公司签订“下一代网络辅助PNT保障”（NG-NAPA）项目合同。NG-NAPA将设计并开发一种PNT保障概念验证系统，利用参考辅助GNSS信号与机会信号（SOOP）或仅利用机会信号提供PNT保障能力。

NG-NAPA将利用“铱星”通信系统信号、LTE/5G和GNSS加密信号提供参考网络能力，提供PNT服务保障，特别是在GNSS开放服务中断时。NG-NAPA将有效应对GNSS信号欺骗等恶意威胁，其设计灵活性将确保未来能够纳入其他SOOP信号。

5.5 美军资助研究基于宇宙射线μ介子的新型导航技术，解决高纬度地区定位问题

随着气候的变化和北极地区航路的开辟，未来北极地区导航对商业和军事活动将变得越来越重要。2021年9月底，美国全球海军研究办公室（ONR Global）在其第二届年度Global-X挑战赛中选中并决定和美陆军发展司令部共同资助一个基于宇宙射线μ介子、可在北极地区使用的GPS替代导航系统概念验证项目。

该项目由日本、英国、美国和芬兰研究人员组成研究团队进行研究，创新性地使用不断撞击地球表面的宇宙相对粒子μ介子辐射源取代卫星GPS信号，解决高纬度地区GPS信号不可用的挑战，精度可与GPS相当。类似于回声定位，研究人员利用μ介子到达探测器的时间差，可以测量一个探测器与另一个探测器之间的距离，使用多个探测器可实现三角定位。面临的挑战是开发高度同步的分布式时钟并将其与μ介子探测器集成到一起。

该项目在英国完成初步系统测试后，将送至芬兰的北极湖地区厚度为1米的冰层下进行进一步试验，随后要在-20℃和水下等试验环境进行测试。项目团队后期将通过了解终端用户的定位需求，选择最适合的产品，推动技术的成熟度发展。

海洋对μ介子几乎是透明的，此外，这种粒子可穿透几十到数百米的岩石、建筑物，地下环境等GPS信号无法覆盖区域，将为隧道以及高纬度陆地或水下的定位技术带来变革。

结语

2021年新冠疫情的蔓延似乎并未对各国军用导航系统发展与技术研发造成太大影响。建立更加安全、可靠的PNT服务基础设施是各国的共同追求。一直处于引领地位的美军积极推进韧性PNT体系建设并应对导航战挑战，谋求卫星导航系统服务性能和导航战主导优势，同时探索综合利用不同技术手段实现有保证的PNT服务。

除了上述低轨卫星导航、智能导航、视觉辅助导航等技术，惯性导航、天文导航、量子导航、地磁导航、3D地图导航的发展也受到了国防PNT界的鼓励。未来，如何统一规划和协调各种新型PNT技术的发展，如何利用开放式架构综合集成各种PNT技术，如何面向特定军事任务需求提供更具针对性和适应性的PNT解决方案，仍将是各国面临的挑战。