現代戰場空間在過去十年中發生了變化,軍事使用GPS向作戰人員提供關鍵定位,導航和定時(PNT)信息面臨著來自對手威脅系統的挑戰。GPS仍然與美國軍方及其盟國相關,即使在沒有GPS的環境中使用也是如此。現有和未來的軍用GPS解決方案必須特別考慮那些為手持和超小型應用而設計的用途,其中尺寸,重量,功率和成本(SWaP-C)都是關鍵考慮因素。
軍事威脅環境已經改變,對等國家競爭對手作為對手或威脅系統提供商回歸對手。基于對等威脅系統對GPS提供的精確絕對PNT(定位,導航和授時)帶來的挑戰,美國軍方及其盟國在很大程度上將該問題定義為“GPS拒絕”,并專注于開發非GPS解決方案。然而,詳細的分析提供了不同的圖景,有助于更直接的解決方案。
實現精確打擊能力
GPS 是美國國防部 (DoD) “二次偏移”戰略的一部分,提供精確的絕對 PNT,與非精確或相對 PNT 不同。
“精確”PNT在國防工業中通常定義為定位應用小于10米,通信應用小于1毫秒。“絕對”PNT定義為使用1984年世界大地測量局(WGS84)參考框架和協調世界時(UTC)。使用絕對參考系,第二次抵消實現了低成本的精確武器,提高了從分散的部隊中傳遞質量效應的能力,提高了任務效率并降低了風險 - 所有這些都提供了最低的總運營成本。
幾種第三偏移技術 - 自主作戰平臺和高超音速武器 - 依靠絕對精度的PNT來有效。此外,相應的作戰概念(CONOPS),即聯合全域作戰(JADO),依靠絕對精度的PNT來實現在集結效果的同時進一步分散生存能力的力量的核心要求。
威脅的范圍
雖然一些組織試圖構建一個框架來理解這個問題,但實際上已經提出了一個模型來清楚地識別絕對精度PNT的挑戰。
在此模型中,有一些關鍵特征定義了對 GPS 的威脅:威脅級別、威脅原因、威脅持續時間和威脅范圍。在分析對有保證的PNT的挑戰時,很明顯,它不是一個二元的“寬容”或所謂的沒有空間的一天問題。相反,這四個關鍵特征的組合導致GPS可用,GPS在當地或區域不可用,GPS在全球范圍內不可用。就本框架而言,“短”被定義為可以用高穩定性時鐘或慣性能力進行死角推算的時間或距離,“局部”是影響小部隊的區域,“區域”是軍事戰區的很大一部分。
根源
基于 GPS 的 PNT 中斷的原因是干擾、欺騙、阻塞或系統性中斷。干擾是射頻 (RF) 能量對 GPS 接收器接收和解碼來自 GPS 星座的信號的能力的有意或偶然影響,而欺騙是一種更復雜和故意破壞 GPS 信號中的數據的努力。障礙物是一種被動原因 - 物理對象,如洞穴,建筑物,多層樹葉,甚至山影 - 會阻塞GPS信號的RF能量并阻止足夠的能量到達天線,以便接收器獲取和跟蹤信號。從理論上講,系統性停電可能是由地面控制部分的損壞或損壞軌道上足夠數量的衛星引起的,這不太可能發生。
排列解決方案
當這樣進行邏輯分解時,解決方案本身可以解決每個列和/或組的不同問題。
其中包含解決左側威脅的可能技術,其中包括使用抗干擾和反欺騙技術強化 GPS,到以慣性和/或高穩定性時鐘的形式使用航位推算增強 GPS、其他可用的衛星導航系統、視覺測量、地形匹配、天體、 等等。目前存在解決方案來抵消最可能對GPS的威脅 - 第1-5欄中的威脅。
第一個也是最重要的緩解措施是對接收器進行密鑰,以便它可以接收和處理加密的 GPS 信號——令人驚訝的是,由于沒有加密加密,軍用 GPS 經常變得無效。為了防御同行競爭對手級威脅系統,強烈建議使用帶有軍事代碼 (M-Code) 加密技術的現代化 GPS 設備,以使用戶設備能夠接收更強大的信號(~3dB 標稱或 2 倍,具體取決于衛星 – GPS IIR-M、IIF 或 III)并防御更復雜的欺騙。現代化的 GPS 接收器甚至可用于支持手持式和超小型應用,其中尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 都是關鍵考慮因素。
除了M-Code的抗干擾功能之外,BAE系統公司還擁有數字抗干擾設備,可以提供超過220倍(100萬倍)的抗干擾能力,以及一種抗欺騙技術,可以可靠地檢測欺騙者并將其從PNT解決方案中消除。該設備可與傳統的選擇性可用性/反欺騙模塊 (SAASM) 和現代化用戶設備配合使用,可用于機載、艦載和地面車輛。除了洞穴等受阻信號(在沒有GPS信號的情況下,沒有GPS系統可以提供PNT)之外,目前第1-5列存在基于GPS的解決方案。在CONOPS指示的情況下,增加了航位推算系統(即慣性和/或高穩定性時鐘),當空間中存在信號時,就沒有GPS拒絕的環境。
全球中斷;或者,沒有空間的一天
在極不可能發生的全球GPS長時間中斷(控制部分損壞或多顆衛星丟失)的情況下,美國正在尋求下一代現代化接收器能力,以處理來自盟國GNSS系統的信號。此舉旨在解決長期全球GPS中斷的可能性。
歸根結底,國防工業中的許多人一直稱之為GPS拒絕的實際上是“沒有太空的一天”情景。前面提到的二元選擇的后半部分(即根本沒有信號)被證明確實是一個更可解決的頻譜的極端。軍事威脅環境已經演變,同行國家級PNT威脅系統威脅到美軍在其選擇的地點和方式進行高速作戰行動的能力。然而,要解決的問題不是“GPS與GPS拒絕”的挑戰是發明,現場和操作GPS的替代品。GPS仍然是PNT最普遍,最精確和最便宜的來源。目前存在解決方案(即使是最受SWaP限制的平臺),以強化和增強系統,以擊敗除最不可能的威脅場景之外的所有威脅場景。
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