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首页 > 数码 > 作者:YD1662024-06-25 10:41:01

Leonardo公司PRS测试接收机

端到端测试成功验证了FOC PRS空间段与地面和用户段的兼容性。FOC PRS信号由两台接收机接收。一台由Antwerp航天公司根据欧空局的合同开发,另一台由Leonardo公司为意大利负责监督该国PRS使用的主管PRS机构开发。这也是系统测试中首次集成国家层面研发的接收机,有利于保证欧空局开发的系统和欧盟国家开发的PRS接收机之间的兼容性。

1.3 俄罗斯成功发射两颗GLONASS-K卫星

2022年7月和10月,俄罗斯军方分别成功发射第4颗和第5颗GLONASS-K导航卫星。另有6颗GLONASS-K和两颗GLONASS-K2处于不同生产阶段,预计到2030年,俄将发射约15颗Glonass-K导航卫星。Glonass-K是俄罗斯第三代导航卫星,旨在取代Glonass-M系列卫星。2022年11月,俄罗斯发射了最后一颗GLONASS-M。

相比于GLONASS-M,GLONASS-K寿命更长,信号精度更高。具有5个导航信道,包括一个新的民用L频段信号。俄罗斯官员称,GLONASS-K卫星还将支持国际Cospas-Sarsat搜救网络。受对俄国际制裁影响,GLONASS-K卫星的设计也比先前的GLONASS卫星使用了更多“俄罗斯制造”设备。目前,GLONASS星座活跃卫星数量达到28颗。

俄乌冲突凸现导航战重要性,美欧发展GNSS干扰/中断检测技术

卫星导航系统是海陆空天各类武器系统以及构建全数字化战场的关键技术。俄乌冲突中,GPS系统频频遭受干扰,受到美军的密切关注;而如何及时发现GNSS干扰/中断并做出响应,成为美欧希望解决的问题。

2.1 俄乌冲突双方围绕GNSS系统展开攻击

鉴于军事作战对卫星导航系统的依赖性,自2022年2月24日俄乌冲突暴发以来,双方都围绕对手的卫星导航系统展开了攻击。

(1)GPS干扰大幅增加,乌军精确打击能力被削弱

2022年3月,信号情报运营商鹰眼360公司发布新闻称,在乌克兰及其周边地区监测到GPS干扰持续增加,表明俄罗斯为降低GPS天线系统效能而展开了电子战行动。该公司于2021年秋开始一直在整个东欧收集GPS干扰信号,并证实卢甘斯克和顿涅茨克地区亲乌和亲俄部队之间边界附近无人机的运营因干扰而中断。

美军侦察机在黑海上空也检测到GPS干扰。美军对GPS星座进行了持续监控,并称俄罗斯并未攻击GPS在轨卫星。

据GPS世界网等西方媒体2022年12月报道,俄罗斯政府长期以来一直在干扰GPS信号接收,尤其是在其边境附近和本国境内。2022年12月初,乌克兰向俄罗斯境内两个空军基地纵深发动远程无人机攻击后,俄罗斯增强了对GPS的干扰,在莫斯科周围、在莫斯科以东的两个空军基地等多地都发现GPS干扰大幅增加。俄罗斯多个城市的GPS信号均出现了大范围中断。

根据相关报道,俄乌冲突期间,俄罗斯主要干扰美制武器,如精确制导弹药、无人机等接收GPS信号,以阻断乌方的进攻。乌克兰战场上,美军的“弹簧刀”巡飞弹以及各种小型无人机对GPS的依赖程度很高,一旦GPS信号中断,就无法发挥作战效能。

GPS技术在战场上发挥着关键作用,通过干扰或欺骗GPS信号,可以阻止人员、车辆、船只和飞机确定准确位置,从而可能造成灾难性后果。俄罗斯电子战拒止了乌克兰无人机的导航和通信,进而削弱了乌克兰的精确打击优势。无人机攻击和观察到的干扰活动的变化再次证实了导航战在现代冲突中的重要性。在精确打击和自主系统时代,能抵御或克服干扰的鲁棒而有韧性的导航能力更加重要。

(2)俄GLONASS系统在冲突中的使用尚不明确,俄军或转而使用罗兰-C系统

另一方面,乌克兰的地下黑客组织“IT军”(IT army)也将全球卫星导航系统视为目标发动了网络攻击,这群志愿者黑客将攻击俄罗斯GLONASS系统列为其首要任务之一。不过,GlONASS网络在俄乌冲突中的使用程度尚不明朗,但俄军可以使用GLONASS定位信号提供海军和飞机导航以及导弹瞄准。

西方军事分析家认为,俄军擅长干扰和欺骗GNSS系统,根据俄罗斯军事条令,一旦战斗开始,包括俄自己的GLONASS和其他GNSS都将不可用。根据俄罗斯无线电导航计划,无法获得太空信号时,俄罗斯将转而使用其罗兰-C系统,即“恰卡”(Chayka)系统,提供导航和授时服务。俄罗斯还设计了便携式“天蝎座”(Skorpion)系统在“恰卡”不可用地区进行远征军事行动时使用。

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固定“恰卡”发射站点工作频率在90 kHz到110 kHz之间,功率输出通常在200到800 kW,有效范围在陆地上约800英里(约1300千米),在水上约1000英里(约1600千米)。西方专家指出,俄罗斯有三个“恰卡”/罗兰站环绕乌克兰,提供了理想覆盖范围,使乌克兰大部分地区的导航精度在20至50米之间。这些站点升级到与增强型罗兰等同的设备,精度可达到5到10米。三个站点其中一个位于克里米亚,俄罗斯控制了这里的罗兰发射站,确保了其对包括黑海在内的整个地区的陆上PNT主权。俄罗斯国际先进导航研究和技术中心提供的2017年覆盖地图显示,“恰卡”服务于东欧、俄罗斯西部和几乎整个黑海。

2.2 美军探索利用商业技术和数据源检测GNSS干扰

对美国防部而言,检测GPS干扰/欺骗是一项日益重要的任务,特别是在俄乌冲突背景下。美军正越来越多地使用商业技术和普遍可用的数据源来补充其能力。值得注意的是,人工智能和机器学习正在PNT数据处理和决策中发挥关键作用。

(1)利用低轨卫星GPS遥测数据探测干扰源

2022年1月,美太空系统司令部表示,已与Slingshot公司签订了200万美元的合同,Slingshot公司将开发一种分析工具,从商业低轨星座接收GPS遥测数据,通过处理和从中提取相关信息,探测、定位和抑制对美国太空在轨资产构成直接威胁的RF和GPS干扰源。

能够干扰GPS和其他卫星信号的电子设备的扩散加剧了RF干扰的严重性。解决这一问题的关键之一是确定干扰的精确位置和来源。由于商用低轨卫星星座大幅增加,从卫星遥测数据中收集、处理和提取有用信息的能力已大大增强。该项目的想法正是利用现有航天器的GNSS传感器已经生成的数据,更好地了解电磁作战环境。

(2)利用商业可用数据探测GNSS干扰和欺骗

2022年2月,美国防部授予Orbital Insight一份合同,为识别全球有意GNSS干扰和操控提供技术平台。Orbital Insight的平台将利用其多传感器数据堆栈、人工智能和机器学习能力,向分析师和操作员发出潜在干扰和欺骗事件的警报。Orbital Insight公司认为,GNSS欺骗本质上是一个数据问题。该平台利用一套来自卫星、AIS、ADS-B和物联网设备等的地理定位数据以及新的高级算法,自动识别与电子欺骗相关的异常。这项新技术将显著提高作战人员、情报分析员和生命安全应用的态势感知能力。

(3)在演习中测试商用GNSS干扰检测技术

2022年8月和9月,由美国国防创新部门(DIU)领导的“和谐车”(Harmonic Rook)项目先后参与了东南亚合作与训练演习、美国陆军第一装甲师的指挥所演习等活动,测试为探测GNSS系统中断而开发的商业技术。DIU与供应商合作开发原型系统,使用来自卫星和其他来源的数据、人工智能和机器学习等技术来定位对GPS的有意干扰。美军认为,描述GPS中断及其行为模式背景是减轻PNT性能降级影响的关键,也是在这种条件下实现安全导航的关键。该项目并非开发、建造和部署用于收集导航战行动信息的定制硬件,而是利用当前公开可用的商业数据和分析能力,来满足PNT态势感知需求。

2.3 欧洲推出“用于欧盟防务的先进伽利略PRS韧性”(NAVGUARD)项目

2022年7月,欧洲委员会与跨国技术公司GMV签订了“用于欧盟防务的先进伽利略PRS韧性”(NAVGUARD)项目合同。该项目将开发地面和空间系统,检测GNSS系统频率上的非法活动,并对其来源进行地理定位。它还将建立信息管理子系统和用户接口,以提供一个态势感知图。

伽利略公共管制服务(PRS)对欧洲防务意义重大。NAVGUARD是欧洲国防基金(EDF)下的多个项目之一,旨在提高欧盟国防工业的竞争力,加强欧盟的战略自主权。

继续发展卫星导航替代技术弥补能力缺口,完善PNT体系架构

为应对GNSS系统当前和未来面对的威胁,维持在复杂环境下获取PNT服务的能力,外军尤其是美军近几年一直在致力于完善其PNT体系,研发多种替代性PNT技术补充GPS能力。2022年,美政府问责局发布《GPS可替代技术报告》,审视了美军替代PNT技术的总体发展情况和面临的问题,美国防部小企业创新研究计划多个项目聚焦GNSS拒止环境下的替代导航技术。英军也提出要探索用于军事导航的GNSS替代技术。

3.1 美政府问责局发布公开版《GPS可替代技术报告》

2022年8月5日,美政府问责局发布公开版《GPS可替代技术报告》,该报告根据美参议院军事委员要求,审查了美国防部可替代定位导航和授时(PNT)技术的采办工作。主要讨论了三方面的内容:GPS面临的威胁;美国防部可替代PNT相关项目及面临的问题;美国防部对其PNT项目的监管情况。

美国防部认为,GPS面临五大威胁:干扰;欺骗;网络攻击;无意干扰;以及对卫星或卫星基础设施的直接攻击。为了应对这些威胁,研发的替代PNT技术应具有鲁棒性、韧性和集成性。

为了更快整合和部署新PNT能力,应对GPS新威胁,同时让当前PNT接收机更轻松增加新PNT信息源,并降低部署和升级成本,美国防部采取了模块化开放系统方法(MOSA)策略。这种方法融合了模块化设计和关键接口开放标准,可以方便地接收来自不同提供者的替代PNT源数据,而无需重新设计整个系统。其关键要素之一是美国防部开发多PNT源接收机,这种接收机可以接收和集成使用包括GPS M码以及替代PNT数据源等多种信息源,保障作战人员在GPS性能降级、被拒止或其中一种PNT源不可用时继续有效执行任务。

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多源PNT接收机

目前美军正在实施四个重点项目,在选定平台和用户的多PNT接收机中实施MOSA,包括美陆军的徒步有保证PNT系统(DAPS)、车载有保证PNT系统(MAPS)、美海军的基于GPS的PNT服务升级(GPNTS)和美空军的韧性/嵌入式GPS/惯性导航系统(R-EGI)。

除了上述四个多源PNT接收机项目,美各军兵种还有七项其他替代PNT项目,它们在技术和产品开发方面处于不同阶段,具体包括:海军的自动天文导航系统(ACNS)、协同作战能力(CEC)PNT升级、AN/WSN-12惯性导航系统;陆军的替代导航(ALTNAV)、有保证精确武器和弹药(APWM);空军的导航技术卫星3号(NTS-3);国防部的关键时间分发项目。

为了实施MOSA,美国防部和各军兵种还在制定参考架构标准。美陆军和海军已基于MOSA开发了各自的PNT服务参考架构。为了使各军兵种的PNT参考架构公共元素标准化和减少冲突,目前美陆军正代表国防部起草MOSA PNT参考架构,希望最终实现节约成本、缩短进度、更快部署新技术和提高互操作性的效果。

根据该报告,美军在替代PNT技术发展方面面临以下问题:

(1)PNT监督委员会对替代PNT相关工作关注过少,未制定相关发展战略目标和PNT技术进展衡量指标

美国防部成立了由高层和各军种代表组成的PNT监督委员会,负责确保国防部PNT体系功能满足国防目标。该报告认为,PNT监督委员会对替代PNT相关工作关注过少,重点放在GPS现代化工作上。PNT监督委员会没有制定投资组合层面的战略目标或指标来衡量替代PNT技术的进展。造成的后果是美国防部不能更好地审视各项工作进展,不能评估整个PNT体系的能力差距并进行风险分析和确立投资方案,以确保PNT战略持续可靠、稳健运行,以及相关工作在所需时间框架内能满足需求。

(2)缺乏统一管理的、独立于GPS项目的多军种韧性PNT在案项目

目前美军还没有设立独立于GPS项目、由一个联合项目办公室管理的多军种韧性PNT在案项目,负责整合韧性PNT应用的集成和采购,引领支撑模块化开放系统集成战略的关键技术发展,如数字参考体系架构、输入和输出标准,软件融合引擎,所需的建模仿真工具等。这不利于协调美国防部和业界的工作和加快韧性PNT能力进展。

(3)重大能力采办项目缺乏完整的项目论证分析

美国防部对在研替代PNT项目采用了两种项目采办路径:一是紧急能力采办路径,满足紧急作战需求,在不到两年的时间内投入使用;二是中间层采办路径或重大能力采办路径,为计划2~5年内完成的项目提供简化采办流程。

完整的项目论证分析在产品开发之初为决策者提供信息,对提升成本和进度绩效有显著意义。采用重大能力采办途径的四个海军项目,即GPNTS升级、ACNS、CEC和AN/WSN-12缺少完整的项目论证分析文件,导致决策制定者如PNT监管委员会无法获得足够信息,确定何时有哪些可用的替代PNT能力,以及随着随着威胁形势的发展,这些PNT能力是否仍有能力应对威胁。缺乏完整的项目论证分析,美国防部无法确保提供与项目需求匹配的资源,有可能导致最终系统能力降低、PNT能力交付延期或成本意外增加。

3.2 美政府和美空军开发韧性PNT参考体系架构

考虑到服务中断或受到干扰可能给国家经济和国家安全带来的严重影响,如何发展安全可靠、有效运行的PNT系统,构建韧性PNT体系是近几年美国政府和军方一直关注的重点。

2022年5月和6月,美国土安全部相继发布《韧性PNT合规性框架》和《韧性PNT参考架构》,前者为定义韧性PNT设备预期性能提供了指导。重点放在韧性上,适用于输出PNT解的设备,包括PNT系统之系统、一体化PNT接收机和PNT源组件(如GNSS芯片组),目标是通过通用框架促进用户设备发展和应用。该框架针对不同行业和应用需求,基于预防、响应和恢复三项核心功能定义了0~4级韧性等级,同时为1~4级韧性等级提出了不同的系统参考架构。这有利于基于应用领域确定用户设备韧性等级,满足各种关键基础设施PNT环境的各种需求。

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后一份文件将现代网络安全原则,如零信任架构,与PNT韧性概念和技术相结合,同时提供了符合合规性框架韧性级别的具体架构实现示例。此文件结合上述合规性框架中提出的核心功能,定义了PNT韧性概念,解释了如何预防威胁和破坏对PNT用户设备的影响、对之进行响应并从中恢复,并根据实现PNT韧性的方式对PNT韧性技术进行了分类。设计人员可以从整体角度组合使用这些技术,实现面对当前和未来PNT威胁时具有高度韧性的PNT设备。该架构为以整体方式实现下一代韧性PNT提供了具体愿景。

由于美国防部任务、平台和接口的多样性,将多种PNT集成到新的和现有系统中充满挑战。如何整合和设计韧性PNT需要一个标准化的参考体系架构,正如上述《GPS可替代技术报告》中所述,开发这种架构也是美国国防部和各军种正在努力的目标。

据2022年联合导航会议上透露的信息,美空军开发的PNT参考体系架构1.0版即将发布。该架构将用于指导和约束特定方案架构的开发,用于未来升级和部署鲁棒、韧性PNT系统。该参考架构深入研究了有关PNT服务、运行和功能的重要细节,并确定了在集成系统内部和与外部用户共享数据所需的参数和消息。共开发了20多种用例,为空军任务集(如电子战、全球打击等)提供鲁棒、韧性PNT应用。该参考架构将导航战与完好性监控、态势感知、抗干扰和反电子欺骗组合在一起,还将提供一个包括所有潜在PNT传感器类型和功能在内的“超级集合”,解决方案可以从中选择来实现特定应用架构。

3.3 美国防部小企业创新研究计划PNT项目关注GNSS拒止环境下的导航技术

美国防部于2022年4月20日发布了《小型企业创新研究计划/SBIR 22.2广泛机构公告》,其中涉及多项PNT项目,从中可以一窥美军在该领域的技术关注方向。

(1)通过辅助、量子或光电传感器实现定位和初始化:开发和演示新型定位、导航和授时(PNT)传感器和技术,如数据库相关(包括星图、地形和技术发展)、辅助导航(包括磁场、重力等地球现象)、量子和/或光电等新兴技术,旨在在没有外部射频(RF)源和信号的情况下提供实时位置。

(2)韧性感知人在回路上的PNT设备:确定和开发应用于PNT用户设备、PNT系统、集成PNT接收机和PNT源组件的合规性韧性框架和人为因素。

(3)GNSS拒止环境下使用现有摄像机转台的无人机定位解决方案:开发并演示一种解决方案,利用安装在2类和3类无人机上的现有机载摄像机转台提供机会式位置更新,在GPS和GNSS拒止环境下使用。该方案无需其他传感器,精度可达50 cm。

(4)应对自主威胁的导航战(NWAT)技术:开发一种成本较低的、具有自适应能力的反PNT系统。

(5)远程无人水面舰艇天文导航系统:研制一种光学天文系统(CNS),为远程无人水面舰艇(LRUSV)惯性导航系统全天候提供定位和授时更新。

可以看出,GNSS拒止环境下的PNT服务需求正驱动着美军研发各类替代PNT技术。这些技术瞄准具体应用,从一定程度上反映了美军当前和未来替代PNT技术发展的侧重点。

3.4 英国防和安全加速器(DASA)机构探索用于军事导航的GNSS替代方案

据GPS世界网2022年2月报道,英国防和安全加速器(DASA)机构基于探索GNSS军事导航替代方案的需求,启动了一项名为“武器系统替代导航”的新市场探索计划,旨在了解和获取商业定位和导航系统用于武器系统的技术能力和范围。

DASA希望通过此计划获取未来三年内可开发和测试的替代导航技术,并要求满足需求的潜在系统具备如下能力:一是经开发可在军事应用或民用应用中达到实用水平;二是目前技术成熟度达到4级或以上;三是不完全依赖于GNSS系统;四是有潜力升级到满足军事指标;五是导弹发射后中段位置监控精度在5米以内。感兴趣的技术包括地形轮廓匹配、数字场景匹配和惯性导航系统/惯性测量单元等。

新兴导航技术方兴未艾

2022年,业界和军方继续探索新型导航技术研发。基于低轨卫星的导航定位方法为卫星导航发展带来新赋能,依然是业界和军方关注的热点。在2022年的慕尼黑导航峰会上,来自美欧等航天强国的与会代表讨论的一个议题便是利用低轨卫星提供新型PNT服务。未来低轨巨型星座将与现有GNSS系统解决方案结合运行,并/或独立提供全面的PNT服务。低轨导航技术先锋Xona航天系统公司加速研发其Pulsar商用低轨卫星导航系统,并于2022年5月发射了首颗演示卫星,最终目标是构建由数百颗卫星组成的低轨星座,为全球任何地方提供韧性、可信的厘米级定位。

其中,基于低轨通信卫星的导航定位技术也是当前的一个重点研究方向。研究人员还在研究利用移动网络的精确定位技术和空间双向时间传输技术。

4.1 欧空局计划开发低轨导航卫星星座

欧空局研究利用低轨导航卫星补充伽利略系统的概念已有数年。2022年,欧空局将这一概念往前推进了一步。其下属的导航局正在规划进行新型低轨导航卫星在轨演示,以补充当前欧洲伽利略卫星导航系统能力。

欧空局的设想是利用这种低轨PNT卫星实现一种新型多层卫星导航系统之系统,提供更精确、鲁棒和可用性更高的泛在无缝PNT服务。该计划打算发射由6~12颗卫星组成的初始星座,测试能力和关键技术,并演示后续运行星座使用的信号和频段。通过采用新型导航技术和更宽的信号波段,这些低轨卫星可以满足特定用户需求。

目前伽利略运行卫星的重量为700千克,而这种低轨PNT卫星的重量只有不到70千克。这些卫星无需极高精度的星载原子钟,可利用其他方法,如来自伽利略卫星的信号,来计算准确时间,欧空局的目标是从签署合同到第一颗卫星入轨的时间不超过三年。运行版本的低轨PNT星座将成为PNT体系中的一层,与作为骨*传统全球导航卫星系统以及基于5G/6G的地面定位系统相结合,并与用户终端传感器数据相融合。

相比于当前导航卫星,这些卫星本身可以简化,可以携带更小载荷或使用其他卫星搭载的载荷,地面操作也更简单。其信号将更强,有可能穿透室内,并以新频率传输,再加上低轨卫星使新的几何构型成为可能,总体服务韧性将得以增强。低轨PNT还将提供更快的定位,并实现快速双向认证检查。总体信号可用性将会大大提高,尤其是在高纬度和极地地区。欧洲希望利用此技术,提高卫星导航覆盖的稳健性和韧性,同时增强欧洲在这一技术领域的竞争力。

4.2 美陆军资助研究基于星链卫星信号结构信息进行定位

《麻省理工技术评审》2022年10月23日发文,在美国陆军资助下,德克萨斯大学奥斯丁分校(UTA)无线电导航实验室的研究人员通过研究星链星座下行链路信号结构,展示了星链低轨宽带星座作为GPS备份的潜力。

过去两年,该研究团队采用逆向工程方法,研究从数千颗星链卫星发送到地面接收机的信号。星座中设计用于帮助接收机与卫星连接的常规信标信号,成为构建有价值导航系统的基础。

研究团队开发了10.7到12.7 GHz频段内星链下行链路信号的盲信号识别技术,并给出了信号结构的详细描述。重要的一点是,提供的信号特征包括嵌入在信号中的同步序列的精确值,这些值可以用来产生伪距测量值。通过分析多颗卫星的同步信号,接收机可以计算出自己的位置,定位精度达到了30米。该研究再次展示了低轨通信卫星提供新兴导航应用的技术可行性和作为GNSS备用手段的价值。

4.3 荷兰研究团队利用移动网络研发“超级GPS”技术

据GPS世界网11月21日报道,荷兰代尔夫特理工大学、阿姆斯特丹自由大学及VSL研究所的研究人员开发了一种替代定位系统,它比GPS更稳健、更精确,尤其是在城市环境中。

该研究项目称为“超级GPS”(SuperGPS),利用移动电信网络而不是卫星。演示的原型系统精度达到了10厘米。

通过前沿创新,电信网络被转换成了独立于GPS的替代定位系统。一项创新是将移动网络连接到一个非常精确的原子钟上,这样它就可以广播精确定时的定位信息,类似于GPS卫星借助其携带的原子钟。这些连接通过现有光纤网络实现。这样,整个网络变成一个分布式原子钟,理论上任何人都可以访问,基本上形成了一个极其精确的无线电时钟,精确到十亿分之一秒。这实际就是把光纤网络的有线信号和移动网络的无线信号结合,通过访问统一的高精度原子钟,实现和GPS一样的定位功能。

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