美国空军“授时战”概念分析-中国指挥与控制学会

引 言
据报道，美国空军战略与技术中心研究人员提出了“授时战”的概念，并提出美军需重视定位、导航与授时（PNT）中的授时信息。2017年11月24日，美陆军在FBO网站发布广泛机构声明（BAA），寻求业界开发定位导航授时（PNT）技术新方法，增强陆上士兵作战能力，列举了十一项关注研究领域，其中第八项便是关于PNT系统授时，目标是推进陆军应用的准确授时源和时间传输技术。所有的这些举措均表明，美军越来越重视“授时战”的概念。
“授时”是指将标准时间传递给用户，以实现时间统一的技术手段。授时错误将会导致一系列的服务出错，带来深刻的影响。2017年1月18日，欧洲伽利略卫星导航系统在轨运行的18颗卫星上9台原子钟出现了故障并停止运行，甚至到了危及系统安全的地步。2017年6月28日，印度IRNSS卫星导航系统6颗卫星上的4个原子钟出现了故障，面临了提供数据的困难。2015年6月30日和2016年12月31日，我国北斗二号卫星导航系统在两次闰秒调整期间，出现了部分授时时钟显示错误问题。
本文将从美国1994年提出的“导航战”入手，阐述本次美国提出的“授时战”的能力要求，继而分析“授时战”带来的影响。
1．美军“导航战”概述
在定位、导航与授时（PNT）体系中，美国一直以来对“定位、导航”的重视程度都比“授时”的重视程度高。早在1994年，美国国防部支持联合电子战中心（JEWC）为美国军用GPS接收机研究电子防护和抗干扰相关技术和战术。针对当时先进的电子干扰等技术已经对美国GPS构成了威胁，在JEWC相关研究的基础上，1995年，美国国防部成立了Rockwell、BDM、collins、E-System和SRI等几家公司组成的研究小组，开始研究关于“导航战”的计划。1997年，美军在英国召开的“GPS应用研讨会”上正式提出了“导航战（NAVWAR）”的概念，使“导航战”成为继“电子战”、“信息战”及“网络战”之后提出的新型作战样式。美军将“导航战”定义为：在复杂电子环境中，确保己方和友方能够有效利用卫星导航信息，阻止敌方使用卫星导航信息，同时不影响战区外和平利用卫星导航信息。
作为现代无线电(包括卫星)导航系统的关键，无线电和数字编码(通信)技术都涉及信号频率及其准确度问题。而时间、时间技术、时统设备（如高精度原子钟）又是这些导航系统的核心。可以说，无论陆基罗兰导航系统或是天基GPS、GLONASS、伽利略和北斗卫星导航系统，它们都离不开精确时间王元也，同时又在广裹范围为大众提供高精度授时和时间服务。

图1 美军“导航战”及其组成
2．美军“授时战”分析
2.1 授时需求分析
根据应用领域不同，授时服务可分为军用和民用用户两种。民用授时主要包括了电力系统（运行调度、故障定位、电力通信网络）、通信（移动通信基站、个人用户位置服务）、公路交通（道路导航、救援、车辆管理）、航海（航海导航、港口疏浚、航道搜救、航道测量）、测绘、防震救灾（地震观测、地震调查、地震救助、勘测、应急指挥）、公安（户籍管理、交通管理、警卫目标保障、缉毒禁毒、反恐维稳、巡逻布控、安全警卫、指挥调度）、林业（森林防火、森林调查）、广播电视、气象、信息业、激光测距、科研等，这些应用对时间精度的需求范围从秒量级、到纳秒量级，甚至到皮秒量级；军用授时则主要用于信息化作战装备、主站武器平台、大型信息系统等方面，对时间精度的需求范围从从秒量级到纳秒量级。随着信息时代的发展，时间信息几乎是所有行动的基础，针对越来越复杂的环境，如干扰和欺骗，对授时服务的抗干扰性、抗摧毁性也提出了更高的要求。
2.2 对授时系统的干扰方式
对于授时系统的干扰，主要考虑星基无线电导航系统的干扰，对于典型的卫星导航系统，干扰对象主要包括空间段、控制端和用户端三个部分。空间段的干扰，主要包括物理摧毁卫星授时系统，或通信信道干扰卫星授时系统正常的授时通信；控制端是指卫星导航系统的地面控制部分，包括卫星主控站、注入站、检测站等，对其进行物理摧毁或者干扰，可以终止地面运控系统对卫星的控制，使得卫星授时系统无法正常运行；对用户区域实施局部压制（瞄准式干扰、阻塞式干扰和相关干扰等）或者欺骗（产生式和转发式等）电子干扰，达到对用户端干扰的目的，使得被干扰用户无法正常使用卫星授时系统，或收到较大的授时误差。在物理摧毁和干扰的过程中，相关元器件还可能发生故障甚至损坏，从而无法在较长一段时间恢复正常的时间同步功能。
2.3 美军“授时战”相关能力要求
美国空军研究人员提出，实际上GPS提供的是授时信息，GPS的导航和定位信息都是由接收机从授时信息导出的。美国国土安全部第21号总统政策指令所确定的16个关键行业中，就有11个依赖于精准授时。授时在军民领域都有着极为广泛的用途。授时功能如此重要，所以美军从以下几方面来提高授时的抗干扰能力：
做好授时的各项工作
首先，美军应该意识到要想确保精准授时，当前的防护措施存在很多不足，需要做更多的防御工作。美军必须要像重视“导航战”那样来重视对待“授时战”，需要排查导致多种导致威胁到授时功能的途径，威胁不仅仅包括了电子攻击，还包括很多其他方面的威胁攻击。为此，美军需要建立干扰授时的防御基础设施和网络战设施，并提高、维护授时资源和授时分配。同时还要做好对敌授时攻击的工作，使得美军的各个军中和所有军事功能占有绝对的优势。
提升授时的地位，将授时从PNT中拆解出来
其次，美国国防部应该提升授时的地位，将授时从PNT中拆解出来，使得精准授时工作不再被政策、规划、条令等忽视。其实，授时功能与PNT中的导航与定位并不是密不可分的，有很多的测量和授时分配的方法都完全是不依赖于GPS和其它导航系统的，比如DARPA的芯片级原子钟项目和高稳态掌上原子钟项目。
选定一个专门机构负责“授时战”相关作战行动
第三，美军需要选定一个专门的机构来负责“授时战”相关的作战行动。如果和“导航战”一样选择JNWC的话，应该将其名字改为联合授时战中心（JTWC），来全面体现PNT的任务职能；同时，该机构还应该从美国战略司令部下属的联合太空业务司令部分离出来，弱化授时对于GPS天基导航系统的依赖，移交给美国战略司令部，以强调“授时战”的重要性。
高度重视授时相关威胁
精准授时技术对于美国的国家安全和日常生活具有非常广泛的影响，目前GPS运行良好，但授时系统很脆弱，这存在着很大的风险，美国国防部必须要对授时相关威胁予以高度重视。
2.4 授时相关项目
美国高级研究计划局（DARPA）推出了精准授时的相关项目，主要包括：1）量子辅助传感与读取（QuASAR）项目；2）超快激光科学与工程（PULSE）项目；3）定位、导航与授时微技术（Micro-PNT）；4）对抗环境中的空间、时间和方位信息（STOIC）项目。
QuASAR项目
该项目目标是研发工作在低于或接近于标准量子极限下具有鲁棒性和可移植性的原子钟。淘乐惠 目前，高精度原子钟只能在实验室固定环境下工作，QuASAR研究人员已经在实验室环境下开发出了光学原子钟，其在50亿年内的误差小于1 s。通过研发可移动的原子钟，提高GPS的精确度，开发新型雷达、激光雷达和测量系统等。
PULSE项目
该项目目标是利用超短脉冲激光技术提升原子钟和微波源的精度，以实现远距离的时间和频率精确同步。如果PULSE项目取得成功，那么全球范围内都可以共享最精确的光学原子钟授时。
Micro-PNT项目
Micro-PNT项目包含多个子项目，其中关于微型时钟的项目有芯片级原子钟（CSAC）、综合微型主原子钟技术（IMPACT）以及增强稳定性原子钟（ACES）项目。
CSAC的目标是开发超小型、低功耗的原子时间和频率基准单元，其稳定性优于1×10-11，体积小于1 cm3，功耗小于30 mW。美国早在2002年就开始发展CSAC，Microsemi公司、Sandia实验室、Draper实验室等11家单位参与了该项目。在DARPA启动Micro-PNT项目之前，就已经取得了丰硕的成果。2011年1月上市的CSAC型号为CSAC SA.45 s，功耗为125 mW，整机（含电路板）体积约为16 cm3，质量35 g，Allan方差小于5×10-12 /h。
IMPACT的目标是构建小型化、低功率、集成微型主原子钟，改进微型原子钟的稳定性和精确性。IMPACT技术将使原子钟的尺寸大幅减小、功耗大幅降低。目前已经实现了功率低于250 mW，时间误差小于160 ns/d的性能指标。由于主原子钟一般用于提供绝对时标，于是，精度和可靠性有望比芯片级原子钟高两个数量级。未来，可望实现尺寸5 cm3、功耗50 mW、Allan方差1×10-13 /h、稳定度优于5 ns/d的芯片级原子钟。
ACES是DARPA于2016年发布的一个新项目。项目以及总经费为5000万美元，从2016年8月开始，DARPA先后与8家公司签订了合同，要求对方为GPS无效环境中的电池供电的便携式应用领域开发小型、轻型及节能的原子时钟。该项目重点关注两大领域：研制一部满足技术指标的集成原子钟样机以及进行备用原子钟体系结构、部组件技术和探询方法的基础研究。
STOIC项目
该项项目的目标是开发对抗环境下的与GPS相当的超稳定战术时钟。STOIC具有与GPS系统相当的定时和定位精度，包括三个主要元素：远程健壮的参考信号，极稳定的战术时钟以及为多用户提供PNT信息的多功能系统。
总的来说，美军对于授时虽然没有像定位与导航的重视程度高，但是仍然给予了相应的经费支持，主要关注授时系统的高精度、小型化、低功耗、稳定性、鲁棒性、可移植等，而缺少对于授时系统的抗干扰、防欺骗的研究。依据“授时战”的思想，未来将会出现更加完善的授时系统攻防项目，以赢取未来战场的时间权。
3 .“授时战”带来的影响
人类的日常生活、经济活动、科学试验、国防等领域都需要在统一的时间基础上进行，因此需要建立标准时间产生、保持、传递和使用的完整体系，而对于时间精度的要求从秒级到纳秒级，甚至皮秒级。
美国授时战带来的国民经济方面的影响
随着全球信息化程度的提高，需要精确授时的领域越来越多，如电力、通信、交通、通信网络、银行、地震监测、气象预报等，授时体系对于国家经济命脉、国家安全至关重要。如电力网采用卫星授时的方法实现同步，整个电力网具有成千上万个节点，电网的运行自动化系统、故障录波器、微机继电保护、时间顺序记录装置、运行报表统计、电网运行设备的操作以及电网发生事故时间等，都要求电网有一个统一的时间标准，需要标准时钟提供统一的标准时间信息，一旦授时系统被攻击，则会造成整个国家电力系统瘫痪，无法正常运行。
美国授时战对军事带来的影响
在现代化战场上，时间信息几乎是所有作战行动的基础。精确的时间同步，是各类武器装备、平台、各级作战指挥系统兼容、信息融合的基础。在整个指挥作战回路中，要形成陆、海、空、天、电跨域、实时、可靠的态势信息，实现各级指挥所之间的数据信息交换，实现计算机数据通信网与武器系统平台之间的互联、互通、互操作，均需要各类武器装备、侦察监视平台、数据链、指挥网络之间实现精确的时间同步。唯有精确授时，才能够使“发现即摧毁”的快速协同作战成为可能。因而，在作战中，一旦敌方授时系统被干扰，将会造成整个作战回路的时间不统一，指挥部无法对部队实现准确的指挥、控制，作战人员对武器系统之间也无法做到时间上的精确控制，武器系统则无法实现有效、准确、可靠的打击。因此，攻击敌方的授时系统可快速扰乱敌方的指挥作战秩序，为实现其它攻击提供优势，达到事半功倍的效果。

美国1974年初步建成了GPS系统并投入使用，且一直在不断完善中，各军事强国也相续建立了自己的卫星导航定位系统，但现在美国GPS III仍处于国际领先地位。自“导航战”以来，各国都在研究定位导航系统相应的攻防技术与装备。美国“授时战”的提出，将会带来军民领域深刻的影响。可以期待，未来几年将会是授时领域研究的高潮。
作者：葛悦涛薛连莉 李婕敏
本文刊载自《飞航导弹》2018年第5期
转自：海鹰资讯
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