美政府问责局发布《GPS可替代导航技术：

国防部正在发展导航系统，但没有整体进展计划》报告

2022年8月5日，美政府问责局发布公开版《GPS可替代导航技术报告》。该报告是美政府问责局受参议院军事委员会委托，对国防部可替代定位导航和授时（PNT）相关工作进行审查，主要包括三方面内容：一是确定了GPS面临的五大类威胁；二是确定了国防部在研的可替代PNT相关项目和工作，并评估了相关项目的业务用例分析状况；三是评估了国防部监督可替代PNT能力发展的相关工作。最后，该报告针对国防部可替代PNT项目发展中存在的问题提出了两点建议。

一、背景

GPS由空间段、地面段和用户段组成，由美国太空军代表国防部负责管理。GPS提供的可信PNT信息（A-PNT：assured PNT）在有效实施军事行动中发挥着重要作用，广泛应用于轰炸机、无人平台、水面舰艇、潜艇、军需品、车载作战和单兵作战人员等国防部各型平台，是美国和多国部队作战人员获取PNT信息的主要来源。

在国防部GPS体系发展方面，20世纪90年代末以来，国防部一直致力于GPS现代化改造，不断地推进GPS采办工作，主要包括两个方面的目标：一是发展和维持现有GPS能力的现代化能力；二是增加更强大的抗干扰、反欺骗、具有网络安全的GPS M码能力，来增强目前GPS系统的能力。在应对抗干扰方面，国防部主要采取加密M码及抗干扰天线来抑制干扰带来的威胁。

在国防部可替代PNT技术发展方面，随着威胁的加剧和对单一GPS源的过渡依赖，美国防部致力于发展多种可替代PNT技术来补充GPS。其目标是在GPS可用的情况下，这些可替代PNT源也能一起工作，对包括GPS在内的每个PNT源的精度进行互检，并在单个源质量下降时进行组合应用。

国防部在研的可替代PNT技术具有三个方面的特点:一是鲁棒性。在基于GPS的信息受到威胁的情况下，具有鲁棒性的PNT技术能够持续与PNT信息实现无缝操作；二是弹性。具有抵御、恢复或适应威胁的能力。三是集成能力。采用开放式系统方法设计，可以在整个系统生命周期内对系统组件进行更改。国防部探索了两种可替代PNT技术方案：一是相对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；二是绝对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。

在可替代PNT项目的采办策略方面，国防部对在研的可替代PNT项目采用了两种项目采办路径：一是紧急能力采办路径，满足紧急作战需求的能力，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购路径，为计划2-5年内完成的项目提供简化的采办流程。

二、GPS面临的五大威胁

美国防部认识到，GPS在未来一段时间内仍将作为PNT的主要源，但同时也认识到GPS面临的潜在威胁，需要投入对GPS补充技术的研究。国防部确定的GPS面临的五大威胁包括：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。

1.干扰威胁：阻止GPS信号的使用

美国防部联合导航战中心表示，由于干扰机成本低且易获取，是GPS最常见和最普遍的威胁。其干扰是通过使用与GPS相同的无线电频率发射更高功率的信号，有意阻断或干扰接收机与发射机之间的通信能力。

2.欺骗威胁：欺骗GPS接收机

美高级防御研究中心表示，在过去十年中，由于商用和便携式软件无线电成本低，且产生和传输GPS假信号的开源软件程序易于获取，更易于实施欺骗攻击。欺骗攻击是指模拟GPS信号，为接收机提供错误信息，使其报告错误位置。欺骗信号使易受攻击的GPS接收机忽略真实的GPS卫星信号，而锁定欺骗设备生成的信号。一旦接收机锁定欺骗信号，发射欺骗信号的发射机可以将错误的位置或授时信息转发给接收机。

欺骗加密GPS信号是指敌对方实施虚造干扰设备（meaconing）欺骗攻击时，在不破坏加密的情况下，通过转播没有解密或更改数据的原始信号的延时副本对加密军用GPS信号实施欺骗。由于接收机接收的是较早时间段的位置信息，就会错误地识别其位置。

3.网络威胁：范围不受限制

虽然，发射机功率限制了干扰和欺骗攻击的范围，但只要目标可以通过计算机网络进行访问，网络攻击的影响范围就要大得多，并有可能构成更大的威胁。自动化和连通性能力是国防部现代军事能力的基本使能要素，但同时又使武器系统更容易受到网络攻击。GPS空间段、地面段和用户段与网络威胁有很大的关联。

4.无意干扰威胁：地理、环境和频谱等多种无意干扰源

GPS信号可能会受地理、环境和频谱干扰等多种无意干扰源的影响，造成能力拒止或降级。地理干扰是指受隧道、山体或高层建筑等地理特征影响，无法接收GPS信号；环境干扰是指某些环境下影响GPS信号接收的相关问题，如太阳耀斑通常伴随着非常强大的射电能量爆发，会导致GPS接收机出现长达数分钟的间歇性信号中断；频谱干扰是指使用和GPS相同的频带或是邻近频带，但发射信号功率高于GPS，可能会干扰GPS信号。

5.GPS卫星及其基础设施面临的威胁：动能和非动能攻击

动能或非动能反卫星攻击手段是指直接攻击卫星，中断其运行，实施破坏或摧毁。

动能威胁通常包括引导导弹等有形物体撞击卫星，包括地面或轨道动能攻击。陆基动能威胁包括固定或移动发射系统的陆基导弹。基于轨道的动能威胁包括在物理上损坏或摧毁其他卫星的卫星。

非动能威胁包括地面或轨道目标实施攻击，如激光、射频干扰器、高功率微波或类似其他手段的定向能武器，可能导致天基能力的暂时丧失或永久性破坏。

三、美国防部在研的可替代PNT项目及存在的问题

美国防部正在推进基于开放系统方法设计的多个PNT源集成系统，以促进新技术能力的集成应用。目前确定了11项可替代GPS项目，如表2所示。其中5项属于重大能力采办路径项目或中间层采办路径项目，但其中有4项缺乏完整的业务用例分析。

1.美国防部计划使用模块化开放系统方法部署PNT能力

目前，M码尚未投入使用，且在用的PNT接收机升级成本过高，为了应对这些挑战，美国防部采取的策略是：尽可能使用模块化开放系统方法（MOSA），实现不同可替代PNT源数据的轻松接入。国防部正在研制一种能够接收和使用多种PNT信息源的多源PNT接收机，能够整合GPS M码以及可替代PNT数据源等多个PNT源。

在设计上，多源PNT接收机包含多个具有不同PNT能力的PNT接收机卡。这些卡可以根据所需的PNT能力进行安装和更换。在能力上，多源PNT接收机除了自身的多种PNT能力，还可以接收平台其他组件信息，如天线或者惯性测量传感器提供的信息；管理和分析各种PNT信息源，以确定平台的位置、速度和方向。多种PNT信息源的集成应用有效增加了作战人员执行任务的弹性能力。美军正在为陆海空研制基于MOSA设计的四种多源PNT接收机。

除了正在进行的四项多源PNT接收机的项目外，其他七个PNT项目目前正处于不同的技术和产品开发阶段。其中海军的自动天文导航系统（ACNS），PNT升级到协同作战能力（CEC）以及AN/WSN-12惯性导航系统三个项目正在通过重大能力采办路径进行开发。陆军的可替代导航（ALTNAV）和可信的精确武器和弹药（APWM）项目、空军的导航技术卫星-3（NTS-3）项目和国防部“关键时间传播”项目由于技术未达到成熟度，尚未进入国防采办系统。图3示出了11项可替代PNT项目的现状。

2.进入重大能力采办路径的四个海军可替代项目没有制定完整的业务用例文件

完整的业务用例分析可以为美国防部和国会决策者提供产品开发的决策信息，帮助其监督采办工作。业务用例分析文档包括五项内容:一是需求，为决策者提供满足用户需求的系统交付所需的可用资源；二是采办策略；三是技术风险评估，为项目从早期研发向系统开发及其他阶段发展时面临的潜在风险提供信息；四是进度风险评估，有助于决策者确定项目在特定日期前完成的确定性、最有可能出现的延迟风险以及与其有关活动；五是独立的成本估算，记录或验证系统达到所要求能力的估算成本。

上面列出的11项可替代PNT项目中，有5项重大能力采办路径或中间层采办路径项目，其中只有空军的R-EGI项目建立了完整的业务用例分析文件。

国防部采办政策允许国防部官员根据采办能力的紧迫性和特点以及所使用的采办策略来定制采办方法，每个项目可以不要求有完整的业务用例分析，但国防部会承担更多的风险，有可能导致最终系统的能力降低，交付延迟，或者成本增加。

3.美国防部正在为即将进入重大能力采办路径的三个项目起草业务用例文件

美陆军车上A-PNT系统（MAPS）和车下A-PNT系统（DAPS）的快速原型开发项目目前正在使用紧急能力采办路径，计划分别在2022财年和2023财年转为重大能力采办路径项目。美国防部“关键时间传播”计划在2022财年转为重大能力采办路径项目。

目前，美陆军已经完成或正在起草MAPS和DAPS的业务用例所有要素。美国防部首席信息官正在起草“关键时间传播”项目的业务用例部分要素，并已完成了技术风险评估。

 四、美国防部监督可替代PNT发展的相关工作及存在的问题

1.美国防部成立了由高层和各军种成员代表组成的PNT监督委员会

2016年，美国防部成立了PNT监督委员会，负责监督国防部的PNT体系发展，并提出了具体的职责，包括脆弱性评估和风险缓解以及资源优先化发展。其组织架构包括主席-负责研究和工程的国防部副部长-负责采购的国防部副部长和参联会副主席的三级领导制，国防部首席信息官主持的PNT执行管理委员会，以及针对不同PNT工作的六个工作组。具体职能包括监督国防部PNT体系，确定和缓解GPS欺骗等漏洞；通过优先处理PNT问题和建议资源选配，为规划制定、方案、预算编制和实施提供支持。

2.PNT监督委员会对可替代PNT的相关工作关注过少

尽管监督委员会负责国防部整个PNT体系的构建，但在很大程度上优先考虑GPS现代化的发展。在对会议记录的检查中发现，PNT监督委员会很少提及其他的PNT工作。特别是2020年和2021年六次监督委员会的会议记录中，虽然监督委员会确定了包括GPS和可替代PNT技术发展优先事项，但几乎所有的讨论话题都与GPS有关。

3.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可替代PNT技术的进展。尽管监督委员会对PNT体系制定了愿景、使命和战略目的，但作为规划，缺少短期战略目标和指标。

战略目标是战略计划的支柱，代表的是1-2年实现的具体的短期行动，是愿景和目的的结果。战略目标的关键要素具备可衡量性和清晰性。对于可替代PNT如何实现其部署强大的、有弹性的和综合的PNT能力的目标，以及在GPS降级或失效时提供可靠的PNT的任务，监督委员会没有制定战略目标。

2021年6月，监督委员会制定并由国防部批准了可替代PNT工作实施计划。虽然该计划包括如可替代PNT能力的需求、系统优先级、服务计划和协作等战略目的，但没有提及战略目标或指标。如文件指出，弹性PNT应用将从2022年末开始持续投入使用。但是没有提及各种可替代PNT能力的具体时间表。此外，国防部针对GPS M码制定了跟踪其发展的综合主进度计划，但可替代PNT没有类似的进度计划。

    五、建议

 美政府问责局针对上述存在的问题提出了多项建议，其中两项建议获得美国防部采纳。

1.制定GPNTS有关增加可替代PNT能力的相关工作需求文档

包括所有要素在内的完整的业务用例将为决策者提供采办所需的决策依据。美海军已经完成了GPNTS项目69%的业务用例要素分析，取得了重大的进展。完整的业务用例有助于降低相关项目的不确定性和风险。

由于美海军另外三个项目都与GPNTS项目关联，部分要素在GPNTS业务用例都有体现。国防部认为，可以采用其他合理的可替代方案满足项目需求的灵活性，不需要建立完整的业务用例。

2.要求PNT监督委员会制定战略目标和指标，以衡量国防部可替代PNT项目的进展情况制定战略目标和度量标准，有助于国防部更好地审查和衡量每项工作的进展情况，以及促进整个PNT体系实现其愿景和使命；更好地评估其PNT体系存在的潜在能力差距，完成风险分析，制定投资方案，确定优先顺序，并确保这些工作符合所需的时间框架；为长期、连续访问重要PNT数据提供全面的支持。

                                                                                                                                        发布日期：2022年8月23日

来源： 电科防务