美军GPS可替代方案实施效果如何？
2022年8月5日，美国问责局（GAO）发布了《全球定位系统（GPS）可替代方案：国防部正在开发导航系统，但没有衡量总体进展》的专题报告，本报告是基于2022年4月发布的秘密报告的公开版本，主要针对GPS面临反卫星武器、干扰、欺骗和网络安全等威胁的情况，分析现有各军兵种的GPS可替代方案的实施程度和效果，以及国防部对其定位导航授时（PNT）服务的投入以及相关可替代方案的监督工作，最终形成问题解决思路和建议。本文针对GPS可替代方案的背景、项目现状、存在问题以及解决思路进行综述。
1.背景
1.1 GPS系统面临的威胁分析
GPS由三个部分组成：空间段、地面控制段和用户段，其为军事和民用用户提供精确的PNT数据，但包括竞争对手干扰在内的多种威胁可能会导致这些数据不可用或不准确。在军事行动和冲突中，GPS能力的缺失或中断可能会影响陆海空天等各种平台和部队行动。其主要面临以下几种威胁：
一是干扰，分为有意干扰和无意干扰。有意的干扰通过在GPS频段中发射更高功率的信号，有意阻断或干扰接收机和发射机之间的信号。无意的干扰是由于地理、环境和频谱干扰等因素造成的GPS信号被拒止或降级的情况。
二是欺骗，通过模仿 GPS信号提供错误信息欺骗接收机报告错误位置，其能够迫使GPS接收机忽略真实的GPS卫星信号。
三是网络安全，只要目标可以通过计算机网络访问，网络攻击就可能构成更大的威胁。
四是反卫星武器，一些国家可以直接瞄准卫星，通过中断其工作，达到损伤或摧毁的目的。反卫星威胁可以是动能的，包括采用制导导弹等撞击卫星；也可以是非动能的，如激光、射频干扰器、高功率微波或类似工具。
近些年对GPS相关威胁的例子如下表所示。
表1 近些年相关国家对GPS各种威胁的示例
鉴于国防部对GPS的依赖，这些威胁有可能限制军方的作战能力。虽然这些威胁的影响可能会使GPS失效或降级，但一些国防部平台可能能够在没有GPS的情况下继续运行一段时间，但随着GPS失效或失效的持续，更多的任务将受到影响。
1.2 应对策略
美国国防是开展GPS可替代方案实施，旨在解决单一卫星导航源的PNT服务在GPS被干扰或拒止情况下的应用问题。当前国防部正在研究用几种PNT可替代技术来补充GPS，以满足未来PNT的需求。
1.3 可替代导航技术
国防部寻求开发具有三个特点的替代PNT技术：
鲁棒性：在GPS信息受到威胁的情况下，继续通过多种手段提供PNT服务
弹性：具有抵御、恢复或适应威胁的能力
集成性：使用开放的系统方法，允许在整个系统生命周期中变更系统组件，以提供增强竞争和创新的机会
同时探索采取以下两种技术方法：
相对PNT技术：使用装备的传感器跟踪平台位置，并在不使用外部信号的情况下保持时间
绝对PNT技术：使用除GPS以外的外部信息源，确定平台地理参考位置
下表描述了两种技术方法的实施途径、潜在技术、能力以及局限性。
表2 相对PNT技术和绝对PNT技术的能力和局限性
2.可替代导航方案
美军方在可替代导航方案的相关努力
为了应对GPS的新威胁，国防部必须更快地整合和部署新的PNT能力。除了GPS现代化计划中所采用的可以接受更强大、更安全加密GPS信号的M码设备外，还需要使目前的PNT接收机增加新的PNT信息源，其中部署功能和成本将成为挑战。具体而言国防部的措施包括：
2.1 采用模块化开放系统方法（MOSA）
这种方法结合了模块化设计和关键接口的开放标准，可以方便地接受来自不同供应商的替代PNT来源的数据，而无需重新设计整个系统，其关键在于国防部开发的多PNT源接收机，可以接收和集成使用包括GPS M码以及PNT可替代数据源等多种信息源，以保障作战人员在GPS拒止环境有效执行任务，从而增强弹性。下图为多PNT能力接收机的示意图。
图2 多PNT能力接收机示意图
多PNT接收机可管理和分析各种PNT信息源，以确定平台的位置、速度和方向。目前各军兵种正在进行四个重点项目，以便在其选定平台和用户的多PNT接收机中实施MOSA，具体项目信息见下表。
表3 实施MOSA的多PNT接收机项目信息
除了上述四项基于MOSA的多PNT源接收机的设计项目外，各军兵种还有七项在在技术和产品开发方面处于不同的阶段的项目，具体包括：海军的自主天文导航系统、基于协同作战能力（CEC）的PNT升级项目、AN/WSN-12惯性导航系统；陆军的可替代导航（ALTNAV）项目、可靠精确制导弹药（APWM）项目；空军的导航技术卫星3号（NTS-3）项目；国防部的关键时间传递项目。
2.2 制定参考架构标准
为了实施MOSA，国防部和各军兵种正在制定参考架构标准。陆军和海军基于MOSA各自开发了PNT服务参考架构，空军计划开发自己的参考架构。为了使各个军兵种的PNT参考架构公共元素标准化和减少冲突，目前陆军正代表国防部起草MOSA PNT参考架构，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，但其仍受制于领域接收程度、系统性能、网络安全、认证以及治理和维持等因素的影响。
目前国防部的MOSA PNT标准是全源定位导航（ASPN）标准，侧重于国防部PNT源发送和接收的数据报文的属性。其因为偏重于某个平台的偏好，导致互操作性存在障碍，因此需要国防部、各军兵种以及行业共同研究以获得对标准的最终认可。
3.存在问题
3.1 缺乏GPS可替代项目完整的项目用例
在上面确定和列出的11个PNT可替代项目中，多数缺乏完整的项目用例，具体有以下原因：一是GPS可替代方案项目的紧迫性和特征、以及所使用的方法没有先验信息和经验方法；二是技术风险评估工作在项目开始时的成熟度水平不足以释放风险和压力；三是缺乏独立的成本估计、记录或验证系统。
完整的项目用例信息可以帮助国防部和政府决策者监督项目执行水平。决策者可以更好地确保配备必要资源来满足计划需求并保障计划执行，否则就要承担更多风险，最终导致系统能力下降，推迟向作战人员交付PNT能力或者意外增加成本的后果。下表描述了当前已经进行能力开发的项目和即将进入能力获取阶段的项目用例执行情况。
表4 各军兵种GPS可替代方案项目用例执行情况
国防部开发的多个PNT可替代项目相互依存，如果一项工作被推迟或出现技术问题，很可能会影响其弹性PNT的整体能力。
3.2 GPS现代化计划的重要程度超过PNT可替代方案计划
国防部PNT监督委员会是国防部在PNT领域具备统一集成职能的治理机构，确保国防部PNT战略职能符合国家目标，与国家政策和指南保持一致，并使相关系统、标准和规范不断发展，以应对新出现的威胁。
PNT监督委员会目前在很大程度优先考虑GPS现代化计划，并且认为PNT可替代方案是一个较新的计划，并没有为其设定明确的发展目标。随着GPS威胁变得越来越普遍，才逐渐聚焦到PNT可替代方案上，并将其列为PNT 技术的优先事项之一，然而没有涉及采办和部署方面的内容，因此其重要性仍然逊于GPS现代化计划。
3.3 缺乏战略目标或度量标准
PNT监督委员会于 2021 年 6 月制定并由国防部批准了替代 PNT 工作的实施计划，以响应 2021 财年国防授权法案第 1611 节。该法案规定在法案颁布后两年内为优先任务要素构建弹性和可靠的PNT 能力，但该要求缺乏如替代 PNT 功能的需求、系统优先级、服务计划和协作等的具体操作要求。
然而各军兵种目前开发的GPS可替代方案项目没有一个能满足国防部所有的 PNT 需求以及适应的平台和操作环境，因此国防部还在自己开发集中可供选择的PNT能力，但这些项目的优先度均不如以M码应用为代表的GPS现代化计划。换句话说，PNT可替代方案仍缺乏具体的实施时间表。
4.发展研判
4.1 将GPS现代化计划与GPS可替代方案计划结合发展
GPS现代化计划与GPS可替代方案都是解决GPS信号在使用过程中碰到的各种威胁，一个是进行自身的升级改造，一个是采用更多的替代办法保障应用，因此其可以作为一个问题的两个解决方案统一进行部署，并从战略目标、实施途径以及效果互补等方面进行深层次融合，以确保PNT体系的弹性和可靠。
4.2 尽快优化和完善以全源导航架构为核心的GPS可替代方案架构
全源PNT包括一系列替代或补充的PNT技术，可通过许多替代或补充的PNT技术有效保障GPS拒止环境中PNT服务的可用性和完好性，通过设定和完善统一的全源导航架构，可在其应用规程和使用效果上有效补充GPS信号在受到干扰时相关服务的可靠性，并避免GPS星座成为反卫星武器攻击的目标。
4.3 完善已开展GPS可替代方案项目的完整项目用例
已开展的GPS可替代方案项目由于各军兵种自身的需求而设计和部署，其缺乏美国防部针对采办项目关于完整项目用例的统一要求，不利于国防部整体PNT战略和相关架构的互操作性，因此需要完善相关项目资料，以实现国防部、各军兵种以及业界对于GPS可替代方案的共同理解，并促进PNT监督委员会制定战略目标和指标，以衡量其可替代PNT计划总体投入的整体进展。
GPS可替代方案作为应对GPS面临威胁的解决方案之一，近些年逐渐变得重要，其对国防部获取可靠PNT服务保障任务成功至关重要，因此只有将已有的各军兵种项目的完整项目案例完善，并结合GPS现代化的相关成果，以及统一的目标、计划和实施战略，其才能实现长期的期望的效果。并且在统一的PNT战略目标和度量标准的要求下，通过了解相关行业潜在能力差距，进行风险分析，才能确保PNT战略可靠、稳健地运行下去。
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作者丨川
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