GPS的繼任者們

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯 GPS的繼任者們 GPS和慣性導航 1942年德國在V-2火箭上首次應用了慣性導航裝置，此后慣性導航技術就成為重要的導航方式之一。冷戰(zhàn)時期，緊迫的軍事需求極大地推動了慣性導航系統(tǒng)的進展，其定位精度也從1海里 /小時提升到1海里 /24小時左右，并被廣泛用于飛機、艦船和火箭的導航與操縱。慣性導航系統(tǒng)并不繁雜，一般由慣性測量組件、計算機、操縱顯示器等組成。其中慣性測量組件最為重要，包括加速度計和陀螺儀。其中三個陀螺儀用于測量載體沿三軸的轉動運動，確定容貌。三個加速度計用于測量載體3個平動方向（x，y，z）上的加速度。計算機對加速度一次積分得到速度，兩次積分得到

2、載體的位置。這便是慣性導航系統(tǒng)定位的原理。由于是對時間積分，因此慣性導航系統(tǒng)的定位誤差隨時間積累，無法長期舉行精確定位。在冷戰(zhàn)前期和中期，單純運用慣導的導彈命中精度較低正是由于這個理由。 為了解決慣導系統(tǒng)無法長期精確定位的缺陷，提升導彈命中精度，美國軍方在子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)的根基上，研制了基于衛(wèi)星星座的GPS系統(tǒng)（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）。GPS的定位原理和慣導完全不同。 GPS系統(tǒng)的核心是位于互成120度的三個軌道上互成60度的6條軌道上的24顆衛(wèi)星（每條軌道上有4顆衛(wèi)星）。這一布署足以確保地球上任何一點均能觀測到最少58顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的任務就是不斷地放射導航信號。要確定接收機的位置，需要解出

3、三維位置坐標x、y、z和衛(wèi)星與接收機之間的時間差t這四個未知參量。接收機每接收一個衛(wèi)星發(fā)出的信號，就能測出已知位置的衛(wèi)星到接收機之間的距離，得到一個方程。接收機接收4個以上衛(wèi)星的信號就能得到足夠的方程以解出x、y、z、t這4個參量，從而實現(xiàn)定位。接收的衛(wèi)星信號越多，定位精度越高。由于衛(wèi)星裝備了原子鐘，因此，GPS接收機還能供給切實至納秒級的授時服務。 由于GPS系統(tǒng)的工作原理，其定位精度要比慣導系統(tǒng)（INS）高得多，可達0.1米。而且不存在定位誤差隨時間積累的問題。所以，GPS系統(tǒng)一經(jīng)推出就廣受接待，得到了極為廣泛的運用。包括我國在內(nèi)的世界各國也都研制、部署了自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。然而，GPS系

4、統(tǒng)也并非沒有缺點。由于需要接收外來信號，GPS系統(tǒng)極易受到干擾，而且在山區(qū)等地信號經(jīng)常損失。因此，在武器制導上過度憑借GPS是不行的。目前國際上一般采用，衛(wèi)星導航和慣性導航相結合的方法，高精度的GPS信息可以用來修正慣導隨時間積累的誤差，而慣導系統(tǒng)那么可以在GPS信號受到嚴重干擾，或接收機故障時，獨立地舉行導航定位，保障了導航系統(tǒng)的穩(wěn)當性。美國的“聯(lián)合防區(qū)外空地導彈”（JASSM）和 “聯(lián)合直接攻擊彈藥”（JDAM）都采用了GPS/INS復合制導，命中精度從單純用GPS的15米提升到了1013米，武器穩(wěn)當性也大大增加。 雖然GPS和慣性導航系統(tǒng)復合制導的方法可以在平日工作良好。但在戰(zhàn)時，這一系

5、統(tǒng)就不成靠了。在反衛(wèi)星技術日漸興隆的今天，敵方可以在很短時間內(nèi)摧毀GPS衛(wèi)星星座，使其無法得志全球定位的數(shù)量要求，導致GPS失效。同時，干擾GPS信號的手段不斷進步，使得有效干擾范圍和持續(xù)干擾時間大大增加，也令GPS面臨著巨大要挾。假設GPS失效，那么GPS慣導復合制導也就毫無意義了。因此，研究更小巧、更精確、抗干擾性更強的導航系統(tǒng)也就勢在必行，近年來，世界各國在這一領域取得了突飛猛進的進展，而其采取的技術路線更是五花八門，下面就將一一介紹作為GPS繼任者的形形色色的新一代導航系統(tǒng)。 定位芯片 DARPA的創(chuàng)意 自21世紀以來，由于干擾GPS信號的技術日益成熟，美國軍方一向在尋求GPS系統(tǒng)的替

6、代品。在這方面，美國國防高級研究籌劃局（DARPA）走在了前面。 美國人將代替GPS的重點放在了研制新一代慣導系統(tǒng)上，力求實現(xiàn)定位精度更高，高精度定位時間更長且小型化、低本金的目標。得益于智能手機的巨大需求，步入21世紀后，微機電技術（MEMS）得到了空前的進展。同時，醫(yī)用和化學分析用核磁共振設備的進展也使得核磁共振陀螺（NMRG）的技術不斷進步。此外，原子鐘技術也在逐步成熟，這些都為美國研制新一代慣導系統(tǒng)奠定了技術根基。 2022年6月6日，DARPA跟諾斯羅普格魯曼公司簽訂了價值64.8萬美元的合同，要求諾斯羅普格魯曼公司在1年內(nèi)研制出新一代微型慣導系統(tǒng)，其定位精度需至少等于或超過GPS系

7、統(tǒng)。當然，DARPA也將這一工程同時分包給了別的公司，以促進技術路線多樣化，防止在一棵樹上吊死，據(jù)估計，美軍新一代微型慣導系統(tǒng)的研發(fā)總經(jīng)費高達1 340萬美元。 諾斯羅普格魯曼公司選擇的方案是利用微機電技術將核磁共振陀螺儀小型化。核磁共振陀螺儀的原理并不繁雜。原子核在靜磁場里以拉莫頻率繞舉行自旋進動。一但給核磁共振陀螺儀一個外加角速度，原子核自旋進動的頻率就會發(fā)生變化，通過測量這個變化量，就可以解出角速度，其精度要比傳統(tǒng)的靜電陀螺儀高得多。諾格公司通過微機電技術，將整個核磁共振陀螺儀的細致布局刻在硅片上，使整臺核磁共振陀螺儀可以被封裝在一個芯片中。對于慣導系統(tǒng)的另一片面加速度計，諾格公司也別出

8、心裁，使用了新型的光學加速度計。通過一系列提升，諾格公司研制的新一代慣導定位精度要比傳統(tǒng)的慣導系統(tǒng)高好多，根本上優(yōu)于GPS的水平，誤差積累也對比小。2022年6月，諾斯羅普格魯曼公司導航業(yè)務部副總裁查爾斯沃爾克宣布，新一代慣導系統(tǒng)樣機已經(jīng)建成。目前，諾格公司正在努力實現(xiàn)原理樣機的實用化、市場化。 除了諾格公司，2022年4月，DARPA還將研制新一代慣導的合同授予了HPL測驗室，合同總價值達430萬美元。HPL測驗室前身是出名的休斯研究測驗室，世界上第一臺紅寶石激光器就誕生于這里。1997年，HPL測驗室成為有限責任公司，為波音公司和通用汽車共同全體，承受傳感器和材料、信息和系統(tǒng)科學，電磁學應

9、用和微波電子等領域的研究。HPL測驗室不僅為這兩家公司負責研發(fā)，還承接美國政府和其他企業(yè)的研發(fā)合同，研發(fā)才能極強。新一代慣導的研發(fā)在內(nèi)部被稱之為Atlas工程。Atlas工程走的是微機械陀螺儀和原子鐘相結合的道路。Atlas工程利用原子鐘里穩(wěn)定、高精度的原子振蕩頻率來校正微機械陀螺儀的誤差，同時還能供給授時服務，和GPS功能完全一致。 美國的這兩款新一代慣導系統(tǒng)令人印象深刻的不僅在它們的定位精度堪比GPS，還在于它們的小型化。如此高精度的慣導系統(tǒng)儼然只有一個芯片大小，這不能不說是技術的奇跡。從美國研制新一代慣導的過程中，我們可以看出，新一代慣導確定要綜合多種前沿學科的成果才能實現(xiàn)。 量子羅盤

10、英國人的努力 和財大氣粗的美國人不同，英國人在解決如何代替GPS系統(tǒng)這一問題時走了完全不同的道路，更多地是利用成熟技術“智取”。英國研究GPS替代品的努力主要集中在量子羅盤和利用機遇信號導航這兩個方面。 1997年，美籍華人朱棣文、科恩-塔諾季和菲利普斯諾因在進展用激光冷卻和陷俘原子領域的研究成果而獲得了當年的諾貝爾物理學獎。他們開發(fā)的用激光冷卻和陷俘原子的技術為人們研究和利用超低溫態(tài)的原子奠定了根基。經(jīng)過長期的研究，科學家們察覺，在冷凍狀態(tài)的原子對地球磁場和引力場的變化極其敏感。利用其波動性可以建成冷原子干擾儀，通過分析干擾條紋就可以得出線性加速度和旋轉角速度，精度比傳統(tǒng)的加速度計要高上百倍

11、，而且溫度越低測量精度越高。之后再經(jīng)過積分計算就可以定位了。這就構成了量子羅盤的技術根基。 本來，在20世紀末，激光冷卻和陷俘原子的技術尚在初生階段，技術困難好多。然而，得益于冷原子鐘的巨大市場需求，在21世紀，激光冷卻和陷俘原子的技術得到了飛速的進展。原子冷卻達成的溫度越來越低，本金也更加低廉。這就使得量子羅盤的研發(fā)步入快車道。21世紀初，英國國防部投資了數(shù)百萬英鎊，由英國國防科技測驗室（DSTL）牽頭研發(fā)量子羅盤。 到2022年，英國國防科技測驗室已經(jīng)造出了第一臺量子羅盤樣機。該樣機酷似一個鞋盒，長寬高都在1米左右。樣機的核心片面是冷原子干擾儀，其內(nèi)置的激光器陣列能將銣原子云冷卻到十足零度

12、以上百萬分之一度的水平，以保證測量的精度。3個這樣的設備互成直角安放在樣機內(nèi)部，以測量3個軸向的線性加速度和旋轉角速度。 英國國防科技測驗室的下一步目標是將量子羅盤小型化，使之能夠為個人所使用。同時，英國也著力推動量子羅盤的核心技術冷原子測量技術應用于其他領域，譬如冷原子鐘和量子傳感器。冷原子測量技術有著廣闊的應用前景，其測量重力場、地磁場、旋轉速率、精細布局常數(shù)的才能在各個領域都特別有用。譬如，在石油自然氣領域，通過量子傳感器來舉行引力觀測，將大大提升察覺新油氣田的速度。在土木工程領域，量子傳感器也可用于地下布局的探測，提升工程規(guī)劃的合理性。 將來小型化的新一代慣導就只有圖中央的芯片那么大。

13、 量子羅盤一但實現(xiàn)小型化和實用化，其軍事價值是顯而易見的。對于潛艇來說，在水下無法使用GPS，只能使用慣導，上浮后用GPS校正誤差。但是假設長期潛航的話，航向誤差積累的就會很大。而量子羅盤無需借助外界信號，可以自主工作且精度極高，更加適用于核潛艇的導航。同時，量子羅盤小型化實現(xiàn)后，在窟窿和地下建筑中的導航也變?yōu)榭赡?。量子羅盤還可以作為GPS信號被干擾或衛(wèi)星被攻擊后的備份導航系統(tǒng)。 除了量子羅盤，英國BAE公司還開發(fā)了一種利用機遇信號導航的Navsop系統(tǒng)。據(jù)報道，Navsop系統(tǒng)能利用包括Wi-Fi、電視信號、無線電通訊信號、手機信號以及空管信號等數(shù)百個不同的已知信號，舉行定位，聽起來特別高大

14、上。其實Navsop系統(tǒng)的原理并不繁雜，跟我們生活中常見的無線電測向活動有著異曲同工之處。看過老電影的讀者可能記得，特務使用測向車探索地下電臺的場景。Navsop系統(tǒng)跟無線電測向車的原理根本一致。首先，在開頭階段要有GPS信號，確定Navsop系統(tǒng)載體的自身位置，之后利用測向天線測出無線電信號源的方位角，得出一條示向線，被軟件保存在電子地圖中。之后載體移動到另一個位置，再測一個方位角，又得到一條示向線。兩條示向線在電子地圖上相交的地方就是無線電信號源的所在地，得到了信號源的位。找此方法，Navsop系統(tǒng)經(jīng)過一段“學習”時間就可以找出大量信號源，并確定其中靜止不動的信號源，再以它們中的某兩個信號

15、源舉行無線電雙曲導航即可。當然，找到的靜止信號源越多，它們之間就可以彼此修正導航誤差，定位精度就更高，這也是為什么Navsop系統(tǒng)要利用那么多信號的理由。不過，由于像Wi-Fi這樣的信號作用距離近，穩(wěn)定性差，目前Navsop系統(tǒng)主要依靠頻率位于中波波段的無線電信號源（主要是播送電臺）舉行導航。 2022年，英國的Navsop系統(tǒng)樣機舉行了車載測驗。這臺樣機有一個大箱子大小，放在汽車上，和車載天線相連。最開頭，Navsop系統(tǒng)在GPS的扶助下找到了好多信號源。經(jīng)過一段時間的分析處理，Navsop系統(tǒng)篩選出了適合的信號源用于無線電導航。此時，BAE公司的工程師關閉了GPS接收機，Navsop系統(tǒng)獨

16、立導航，引導汽車沿著倫敦的街道前進，告成抵達預定地點。 Navsop系統(tǒng)原理并不繁雜，利用無線電測向和無線電導航這樣的“土手段”就實現(xiàn)了GPS的功能，其獨特的思路值得借鑒。當然，BAE公司的法拉加博士坦言，Navsop系統(tǒng)目前不能代替GPS，由于它在初始階段需要GPS輔助探索信號源。所以，Navsop系統(tǒng)的最大意義就在于為GPS供給一個備份，一但GPS被干擾，Navsop系統(tǒng)還可以持續(xù)導航至目標。 現(xiàn)在，BAE公司正致力于將Navsop系統(tǒng)小型化。BAE公司的目標是將Navsop系統(tǒng)做成跟GPS接收機或智能手機大小，其核心處理器將僅有硬幣大小。Navsop系統(tǒng)市場前景極佳。據(jù)歐盟委員會統(tǒng)計，歐

17、洲經(jīng)濟中有8 000億歐元的產(chǎn)業(yè)憑借GPS的精確定位和授時功能，包括航空業(yè)、航運業(yè)、農(nóng)業(yè)以及電信。然而，時有發(fā)生的太陽耀斑產(chǎn)生的磁暴以及各種惡意干擾都有可能要挾到GPS系統(tǒng)的正常工作。因此，這些產(chǎn)業(yè)鮮明不會拒絕廉價的GPS備份Navsop系統(tǒng)。此外，Navsop系統(tǒng)還有一些其他的用途。Navsop系統(tǒng)可以通過手機信號扶助救援人員找到著火的建筑物內(nèi)的受困者。安裝Navsop系統(tǒng)的車輛即使被盜、被盜賊加裝GPS干擾器也能被找到。 展望 縱觀慣性導航技術進展史，科學技術進步和軍事需求始終是推動慣導技術進展的核心推動力。其次次世界大戰(zhàn)期間，對彈道導彈制導的需求催生了最早的慣性導航系統(tǒng)。二戰(zhàn)后，軍艦、潛艇和飛機的導航需求那么推動了慣導系統(tǒng)的技術不斷提升，從液浮陀螺到氣浮陀螺，再到靜電陀螺，陀螺的精度不斷提升。然而，隨著衛(wèi)星定位技術的成熟，以及GPS系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)的創(chuàng)辦