最新！美国防部小企业创新研究计划13项优先技术与PNT项目分析

作者：船の心，学术plus高级观察员

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美国国防部于2022年4月20日发布了《小型企业创新研究计划/SBIR 22.2广泛机构公告》，其中涉及陆军、海军、空军、化学生物防务局、国防后勤局、国防威胁降低局、国防人力资源局、国家地理空间情报局和特种作战司令部等9大部门。本文将着重介绍和分析其中的PNT领域的最新布局项目，并研判后续该领域的发展方向。

美国防部最新《小型企业创新研究计划（SBIR）广泛机构公告》

本文主要内容及关键词：

• 1.SBIR现代化的13个优先项：5G技术，机器学习/人工智能，自主技术，生物技术，网络安全，定向能技术，高超声速技术，微电子技术，网络化指控和通信技术，核技术，量子科学，太空技术，一般作战需求

• 2.PNT领域相关项目：

  ①通过辅助、量子或光电传感器实现定位和初始化

  ②基于弹性感知人在回路的定位、导航和授时设备

  ③使用现有摄像转台的无人机GNSS拒止定位解决方案

  ④基于应对自主威胁的导航战（NWAT）技术

  ⑤远程无人水面舰艇天文导航系统

  ⑥真空封装的精密铷原子气室

• 3.分析研判：

  ①GNSS拒止环境下可替代导航技术成为主流方向

  ②人工智能技术成为PNT设备实现自动化、智能化的关键

  ③导航战对抗技术仍然是未来战场争夺的核心焦点

  ④芯片级原子钟技术将提供更精确、更高效的授时能力

内容主要整理自外文网站相关资料

仅供学习参考，欢迎交流指正！

文章观点不代表本机构立场

一、背景

SBIR背景和优先事项

美国国防部小型企业创新研究计划（SBIR）旨在促进技术创新，加强小企业在满足国防部研发需求方面的作用，鼓励其参与技术创新，以及增加国防部支持的研究或研发成果的商业应用。

根据国防部指令5000.83，国防部将对涉及SBIR计划的技术和程序进行五个方面的保护，以免受竞争对手的利用和损害。这五个方面是：（1）系统、（2）组件、（3）软件、（4）硬件和（5）供应链。

基于技术发展方向和SBIR关注要点，国防部确定了以下13项现代化的优先事项：

• 5G技术：使5G频谱能够提升现有网络处理速度，更具弹性且不易受到攻击，以有效改善军事通信和态势感知。

• 机器学习/人工智能：构建基于自主感知、学习、决策和行动能力的系统，通过机器学习系统能够解释基本原理，概述能力优劣，理解未来行为。

• 自主技术：实现快速决策；高度异构数据处理；间断通信；高度复杂行动协调；任务危险估计；任务持续能力。

• 生物技术：生物技术是基于细胞和生物分子过程的技术应用。目前的研究大多集中在病原体检测、疫苗和治疗方面。其他潜在应用中，将加强对普通公民和作战人员的保护，使其免受生物制剂的伤害。

• 网络安全：防止损坏、保护和恢复计算机、电子通信系统及服务、有线通信等，其将保障信息的可用性、完整性、安全性、保密性和唯一性。

• 定向能技术：与集中电磁能量束、原子或亚原子粒子束有关的技术。

• 高超声速技术：支持高超声速或接近超音速飞行的武器或飞机的创新概念或技术，并针对此类系统的防御能力进行创新。

• 微电子技术：基于覆盖系统、定制设计、特定军事应用、系统或环境量身定制的关键技术。

• 网络化指控和通信技术：包括指挥控制接口、体系结构和技术、通信终端以及网络技术。

• 核技术：支持核指挥、控制和通信以及基础设施。核力量的现代化包括当面临使用核攻击或战略性非核攻击时，制定针对竞争对手的强制性战略。

• 量子科学：基于原子和亚原子层面与物质和能量有关的技术。具体包括时钟和传感器、网络、计算使能技术、通信以及相关的制造改进。

• 太空技术：支持空间技术，或应用于空间环境。

• 一般作战需求：作战需求不包括上述描述，但属于关注方向的技术。

二、PNT项目

PNT领域相关项目

2.1 通过辅助、量子或光电传感器实现定位和初始化

现代化优先事项：网络化指控和通信技术、微电子技术、量子科学技术

技术领域：传感器、电子装备

涉及导航技术：多源融合技术、辅助导航技术

目标：开发和演示新型定位、导航和授时（PNT）传感器和技术，如数据库相关（包括星图、地形和技术发展）、辅助导航（包括磁场、重力等地球现象），量子和/或光电等新兴技术，旨在没有外部射频（RF）源和信号的情况下提供实时位置。解决方案应不依赖于GPS或多个GNSS（Multi-GNSS），利用上述技术和算法来实现PNT系统的初始化和定位，并基于PNT陆军模块化开放系统方法（MOSA）实现即插即用。

概述：基于数据库相关的、辅助、量子和光电PNT传感器和技术的发展，使得PNT的可替代源可以保障战场PNT军事应用。本项目旨在实现基于上述技术的PNT系统和解决方案在无GPS情况下实现初始化、定位和操作。另外，基于量子和光电的传感器有潜力提供更高精度、更小尺寸、更低成本，其将使许多PNT系统成为现实。

基于量子导航的多源导航概念示意图

2.2 基于弹性感知人在回路的定位、导航和授时设备

现代化优先事项：网络安全技术；网络化指控和通信技术；自主技术

技术领域：传感器；电子学；太空平台；信息系统

涉及导航技术：PNT信息处理技术

目标：确定和开发应用于PNT用户设备、PNT系统、集成PNT接收机和PNT源组件的合规性弹性框架和人为因素。

概述：随着PNT设备中涉及的预防、响应和恢复功能的自动化和多级弹性的应用，人为因素是不可避免的。绝大多数PNT服务要求最终用户参与监督角色（人在回路中），如弹性级别设置、风险容限、预算、两用以及应对意外干扰情况。在设计阶段，了解影响弹性PNT设备的准确性、可用性、完好性、连续性和/或覆盖范围以及预期行为的因素和性能要求至关重要，且需要基于保障设备弹性设计出基于人在回路的自主PNT设备。本项目面临的技术挑战有：1）理解人为因素的行为；2）开发基于所有关键基础设施、应用、源或服务以及威胁无关的PNT合规性弹性框架；3）一体化设计弹性PNT用户设备的预期行为和结果。

基于弹性等级的PNT弹性合规性框架流程

2.3 使用现有摄像转台的无人机GNSS拒止定位解决方案

现代化优先事项：自主技术；人工智能/机器学习技术

技术领域：传感器

涉及导航技术：视觉导航技术、多源融合技术

目标：开发并演示一种解决方案，用于从其他无人机上的机载摄像转台为本平台进行机会性位置更新，以实现在GPS和GNSS拒止环境中工作。理想情况下，该解决方案在不需要安装额外传感器的情况下定位精确低于50米。

概述：来自GPS和其他GNSS的PNT信息的准确性、可用性和完好性不断受到拒止和欺骗技术的威胁，因此可替代PNT（Alt-PNT）技术成为了解决方案。由于显著的尺寸、重量和功率（SWAP）限制，为小型无人机提供弹性PNT尤其困难。本项目将应用视觉导航技术，并结合云层覆盖和特征地形信息，通过其他无人机平台摄像转台设置，并基于实际情况实时调整摄像机设置和瞄准，以提供对位置确定有用的图像信息。

使用现有摄像转台的无人机GNSS拒止定位概念图

2.4 基于应对自主威胁的导航战（NWAT）技术

现代化优先事项：微电子技术；自主技术

技术领域：传感器；电子学；信息系统

涉及导航技术：导航战技术、干扰检测技术

目标：设计和开发一个低成本、适应性和负责任的反定位导航和授时（C-PNT）系统，以平衡就业挑战和全球反恐对C-PNT技术的大规模需求。

概述：当前美国国防部（DoD）、联合反无人机办公室（JCO）和空军（DAF）负责保护全球近2000个设施免受海上、地面和空中的自主平台的威胁。本项目旨在通过反PNT系统的干涉能力降低其威胁，并通过可靠、低成本、支持未来检验的技术最大限度地减少对友军装备的影响。具体而言需要能够在地面和空中环境中快速应用的优化解决方案，并对现有安全系统进行补充，同时易于集成和与系统其它组件互操作。本项目将关注射频发射信号的适应能力、天线类型或尺寸以及集成的容易程度，并通过集成使相关导航战对抗功能更有效果，同时关注不必要或无效的频谱使用以及减少多用户操作等问题。

基于导航战干扰和对抗技术的示意图

2.5 远程无人水面舰艇天文导航系统

现代化优先事项：自主技术；一般作战需求

技术领域：战场空间环境；电子学；传感器

涉及导航技术：天文导航技术、惯性导航技术

目的：研制一种光学天文系统（CNS），为远程无人水面舰艇（LRUSV）惯性导航系统提供全天候定位和授时服务。

概述：基于LRUSV在GPS降级、拒止和欺骗环境中，在纯惯性导航系统不可靠的情况下，研制一种光学天文系统，提供全天时定位和授时服务。其有以下特点：一是无需任何用户输入即可工作，并向用户设备提供精密位置估计；二是向惯性导航系统实时提供授时服务；三是满足海军舰艇安装的尺寸要求。该光学天文系统可独立于光学跟踪卫星运行，并在不使用卫星射频信号的基础上与光学跟踪卫星结合时具备提供更高位置精度的能力。目前该系统不会在所有天气条件下提供实时位置和时间信息，但后续使用红外成像器、扩大视场和其他方法可以增加系统的可用性。

天文导航概念图

2.6 真空封装的精密铷原子气室

现代化优先事项：量子科学技术；5G技术

技术领域：传感器；太空平台；空中平台

涉及导航技术：芯片级原子钟技术

目标：演示一种基于真空封装的低氦渗透率和温度控制稳定在10mK以下的精密铷原子气室。

概述：原子钟已经普及在多个行业用于定位、导航和授时，但其军事潜力在芯片级原子钟（CSAC）出现后才开始展现。为了实现更精确的时钟，需要精密的微型制造组件，并更好地控制温度，并减少氦的渗透。为此需要制造基于真空封装的精密铷原子气室，保障低氦渗透率，在780 nm处具有减反射涂层，并在产生不到1nT的剩余磁场的情况下达到低于10mK的温度漂移，后续技术成熟后将走向大规模制造的道路。

精密铷原子气室示意图

三、分析研判

国防部SBIR计划的PNT领域项目面向军事需求，聚焦具体应用，通过先进的潜力导航技术，助推PNT领域的态势感知、辅助决策、体系对抗应用的顺利推进，代表了未来美国导航技术发展的现状和未来趋势。

3.1 GNSS拒止环境下可替代导航技术成为主流方向

从今年PNT领域项目来看，多数考虑了GNSS拒止环境下可替代导航技术的应用，不管是应用先进的量子或光电传感器，还是应用视觉导航技术或者天文导航技术，都是基于具体的应用实现可替代导航系统的应用，而随着未来大国间电磁战干扰和反干扰应用的深化研究和应用，导航资源的争夺以及拒止环境的应用将催生可替代导航技术成为未来研究的主流方向。

3.2 人工智能技术成为PNT设备实现自动化、智能化的关键

人工智能技术和机器学习技术催生于商用和民用技术，其可使作战决策和相关的认知决策能力大幅增强，将其集成到PNT设备中，对于其安全性检测、弹性功能设置以及相关决策的制定将起到辅助的作用，并大幅提高信息处理和决策的速度，其对PNT设备的自动化、智能化处理起着推动作用。

3.3 导航战对抗技术仍然是未来战场争夺的核心焦点

导航战技术着重解决攻防两端对导航源的争夺问题，某种程度上是体系对抗的一个重要方面，因此美军视导航战为电磁战和网络空间战等新兴作战样式的重要组成部分，并在其中发挥着重要的作用。从今年PNT领域项目来看，美军已经将无人机应用作为了验证导航战技术的一个技术实例，并提出了反PNT（C-PNT）概念，旨在保护其关键技术设置的安全性。

3.4 芯片级原子钟技术将提供更精确、更高效的授时能力

目前，美国芯片级原子钟技术发展最为全面，成果应用最为广泛。其已经聚焦相关组件技术，以实现无法获取卫星信号的情况下保持精确的时间基准，从而大幅度减少网络捕获时间，其中使用精密铷原子气室将改善其内部架构，对其实现更精确的授时能力将提供实验性支撑。

https://media.defense.gov/2022/Apr/15/2002977654/-1/-1/1/DOD_22.2_FULL.PDF