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当今，通过全球定位系统(GPS)进行卫星辅助导航已应用于社会各领域。无论是军用还是民用，即使是面向非常挑剔的使用者，现今技术的GPS无疑是最精准、可靠、使用方便的导航方法了。随着GPS的广泛应用，军队对其依赖性日益增长，而问题也随之出现，例如由于敌人的干扰或环境因素而致使GPS信号无法接收时，还能否确保导航功能的顺利实现?而这也正是目前尚须解决的关键技术。
现在，尽管其他一些导航系统和导航方法引起使用者的关注，而且其中一些技术已经可以立即投入战场使用。但是，这些手段并不是解决当前导航问题最完美的方法，因为从费效比衡量，各种武器和作战平台所依赖的内置式GPS接收器已经大量装备，最好不要草率更换。如此一来，就需要一种即使没有GPS信号也能通过使用GPS接收器进行精确导航的方法，而且这种方法应限于对GPS接收器的软件进行改进，而非硬件。
美国国防高级研究规划局(DARPA)特别计划处在过去的几年中一直致力于解决这一难题，目前已初见成效。
GPX计划
GPX即全球定位试验(the Global Position Experiments)的缩写。该试验旨在解决GPS信号在复杂环境下受干扰威胁的问题。由于GPS信号相对比较微弱，易受干扰，而采用普通元件制成的干扰器，体积小，隐蔽性强，便于大量投放，很容易对GPS实施干扰。 DARPA已经开始尝试使用空中模拟卫尾(airborne pseudo-satellites)来解决GPS信号受干扰的问题，这种模拟卫星可以提供高强度的GPS信号以压制干扰器对GPS信号的干扰。现在实施完全导航共需4颗模拟卫星。模拟卫星系统就好比是一种微型GPS卫星信号中继站，其工作原理是空中模拟卫星通过先进的集束天线和信号处理器增强信号，然后在GPS卫星上找到自己的方位，按着在比卫星更近的距离上将类似GPS的高强度信号传送到地面。该模拟卫星系统可以压制干扰器的干扰，使用户能正常使用导航功能。
模拟卫星对于减少GPS干扰十分有效，它发出的信号比卫星强，由于可以安装在无人驾驶飞机上，无需航天发射，因此比其他大功率GPS卫是的速度要快得多。同时，它也不需要进行昂贵的硬件设施改造，是一项很有应用前景的新技术。
1999年末至2000年初，征进行了一系列成功的演示之后，DARPA将研究重点放到了使模拟卫星自身可以免除干扰的技术上。由于模拟卫星平台也必须使用GPS卫星来进行导航，因此DARPA使用了7个基元天线(element antenna)阵和先进的数字电波集成器(beamformer)来排除干扰信号。麻省理工学院林肯实验室和罗克韦尔·科林斯公司已经研制心一套系统，并已经在赖特一帕特森空军基地的模拟器微型吸声室里进行了试验，而且还进行了一些基本战场试验，结果令人满意。2002年4月，该系统被装在“猎鹰”(FALCON)无人机上，在全尺寸吸声室里进行试验，结果也达到了预期目标。
GPX计划于2004年结束，一系列的战场试验表明，4颗模拟卫星组成的整套系统可以排除干扰，为广大用户(包括精确打击武器)提供精确的导航。对模拟卫星信号的成形波束传输天线、控制模拟卫星网络传输的指挥和控制系统都分别进行了试验。现在，这一概念已经准备好由论证阶段转向商业应用的开发。
MEMS－INS计划
MEMS INS计划是建立在运用微机电技术(MEMS：Micro ElectroMechanical System)制造一种价格便宜的微型惯性导航系统(INS：Inertial Navigation System)的想法之上。这种体积小，价格低廉的MEMS INS可以广泛应用于军事领域。
MEMS－INS的前景看起来十分光明。目前的GPS很准保证在建筑物内(特别是钢筋水泥结构)、茂密的植被下以及水下使用时正常工作，一旦遇到这种情况，MEMS INS就可以提供辅助导航直到GPS信号恢复正常。此外，MEMS-INS支持空对地和地对空武器的制导功能，还可以帮助火炮的火控系统进行瞄准和定位。有理由相信，价值1200美元的战术级MEMS INS研制成功后，其军事和民事用途会不断得到拓展。
建造MEMS惯性测量装置(IMU：Inertial Measurement Unit)最困难的地方在于陀螺仪。IMU包括加速计和陀螺仪，加速计的制造技术相对成熟，而陀螺仪的构建则比较难。尽管如此，MEMS-INS计划还是显示可以制造出基于MEMS的小型、高效的IMU。根据陀螺仪的测量误差，MEMS INS在不同环境下的性能指标从1度／时到20度／小时不等。
MEMS-INSX对于那些对精度要求不高的一般使用者来说已经很好，但对于战术精度要求高的用户就显得能力不足了。大多数飞机、船只、宇宙飞船和导弹都要求更高的精度，而且几乎所有的使用者都会尽可能选择精度更高的系统。很显然，MEMS IMU要达到军方的要求还要走过一段艰辛的路。
更进一步的目标
在GPS使用受限时，以用户习惯的方式支持所有操作是体现人性化的操作技术，也是DARPA追求的更现实的目标。一些致力于达到这一目标的设想已经得到了验证，按照支持用户接收器所需的附加装备，大致可分为3种：多信号导航、自由信号导航和无信号导航。
多信号导航
GPX通过当地强大的模拟卫星来加强GPS信号，除此之外，还有其他辅助手段来增强信号。方法之一就是创建其他类型的信号，使该信号可以穿透土地、石层和建筑物，将多个路径和环境引起的信号失真减至最小。战略或战术放置信标的多种信号模式(包括低频、准随机噪声、射频、光、重力、发射能，甚至是信息素在内的声学、地震学、磁、电领域)尽可能地被用来提供必需的穿透级别，并且使用先进的信号处理器对信号进行处理，以减少杂波。这方面还需要很多新的技术来支持。
譬如，设想制造一种能自行飞行／机动的探测器，用以测定山洞的连通性和大小等。如果它可以在坑道和瓦砾中行进，根据传感器收到的受害者发出的信号圈定其位置范围，并把这一信息传达给搜索人员，将给搜索和营救工作提供更有效的帮助。
当遇到一些严苛的环境时，如搜救人员或被追踪的传感器在着火的建筑物内发出信号时，“多信号导航”不只是传输信号，还可以通过用户的接收器(通常为一组，数量不能太多，距离不能太近)追踪建筑物，以确定目标位置。特别是在难以穿透、错综复杂的混乱环境中，从建筑物到瓦砾、洞穴，“多信号导航”的这一能力就尤为重要。
尽管“多信号导航”在需要穿透障碍物或抵制干扰时很有用，但如果遇到目标覆盖区域太大或不能进入的领土时，由于不能增加局部信号或追踪接收器，此时也许可以利用时下被忽视的“自由信号导航”技术。
自由信号导航
这一技术包括一系列人工合成的信号，可以覆盖地球上每一寸土地，但对建筑物或地下的穿透能力一般。这种方法是利用周围诸如电视、广播电台或卫星通信等电磁信号来弥补GPS在其所用电磁频谱上的导航空白。
使用自由信号导航时，可能需要购进一些“多信号导航装备”。譬如，随机信号源定位和波形描述可能需要一些前期描述或额外的基础设施，如战场上或战场附近的信号接收台等，以便向用户接收器提供特征描述。
无信号导航
“无信号”导航似乎是一种返璞归真的技术。在人类不断利用外部工具来达到目的的时候，如何更好地利用大自然传递的信号来判定系统所在的位置呢?
历史和自然已经证实，古代人以及迁徙、觅食的动物并没有配置先进的辅助工具，却总能找到食物、配偶以及适宜的栖息地。当然，人类当前的目标远不止如此简单，但这里想说的是如何利用大自然的能量与高效、准确的现代技术相结合实施导航和地理定位。太阳和月亮潮汐引起的引力信号、地球磁场或者其他更具影响力的因素都在引起科学家的关注和研究。
结语
在GPS使用受限的空中，地面或地下区域的导航以及地理定位问题是当前最为关注的GPS热点技术，随着技术难关的突破，相信会出现综合性能更好、更加坚固耐用且价格适中的导航定位解决方案。
编辑／袁 炜
现在，尽管其他一些导航系统和导航方法引起使用者的关注，而且其中一些技术已经可以立即投入战场使用。但是，这些手段并不是解决当前导航问题最完美的方法，因为从费效比衡量，各种武器和作战平台所依赖的内置式GPS接收器已经大量装备，最好不要草率更换。如此一来，就需要一种即使没有GPS信号也能通过使用GPS接收器进行精确导航的方法，而且这种方法应限于对GPS接收器的软件进行改进，而非硬件。
美国国防高级研究规划局(DARPA)特别计划处在过去的几年中一直致力于解决这一难题，目前已初见成效。
GPX计划
GPX即全球定位试验(the Global Position Experiments)的缩写。该试验旨在解决GPS信号在复杂环境下受干扰威胁的问题。由于GPS信号相对比较微弱，易受干扰，而采用普通元件制成的干扰器，体积小，隐蔽性强，便于大量投放，很容易对GPS实施干扰。 DARPA已经开始尝试使用空中模拟卫尾(airborne pseudo-satellites)来解决GPS信号受干扰的问题，这种模拟卫星可以提供高强度的GPS信号以压制干扰器对GPS信号的干扰。现在实施完全导航共需4颗模拟卫星。模拟卫星系统就好比是一种微型GPS卫星信号中继站，其工作原理是空中模拟卫星通过先进的集束天线和信号处理器增强信号，然后在GPS卫星上找到自己的方位，按着在比卫星更近的距离上将类似GPS的高强度信号传送到地面。该模拟卫星系统可以压制干扰器的干扰，使用户能正常使用导航功能。
模拟卫星对于减少GPS干扰十分有效，它发出的信号比卫星强，由于可以安装在无人驾驶飞机上，无需航天发射，因此比其他大功率GPS卫是的速度要快得多。同时，它也不需要进行昂贵的硬件设施改造，是一项很有应用前景的新技术。
1999年末至2000年初，征进行了一系列成功的演示之后，DARPA将研究重点放到了使模拟卫星自身可以免除干扰的技术上。由于模拟卫星平台也必须使用GPS卫星来进行导航，因此DARPA使用了7个基元天线(element antenna)阵和先进的数字电波集成器(beamformer)来排除干扰信号。麻省理工学院林肯实验室和罗克韦尔·科林斯公司已经研制心一套系统，并已经在赖特一帕特森空军基地的模拟器微型吸声室里进行了试验，而且还进行了一些基本战场试验，结果令人满意。2002年4月，该系统被装在“猎鹰”(FALCON)无人机上，在全尺寸吸声室里进行试验，结果也达到了预期目标。
GPX计划于2004年结束，一系列的战场试验表明，4颗模拟卫星组成的整套系统可以排除干扰，为广大用户(包括精确打击武器)提供精确的导航。对模拟卫星信号的成形波束传输天线、控制模拟卫星网络传输的指挥和控制系统都分别进行了试验。现在，这一概念已经准备好由论证阶段转向商业应用的开发。
MEMS－INS计划
MEMS INS计划是建立在运用微机电技术(MEMS：Micro ElectroMechanical System)制造一种价格便宜的微型惯性导航系统(INS：Inertial Navigation System)的想法之上。这种体积小，价格低廉的MEMS INS可以广泛应用于军事领域。
MEMS－INS的前景看起来十分光明。目前的GPS很准保证在建筑物内(特别是钢筋水泥结构)、茂密的植被下以及水下使用时正常工作，一旦遇到这种情况，MEMS INS就可以提供辅助导航直到GPS信号恢复正常。此外，MEMS-INS支持空对地和地对空武器的制导功能，还可以帮助火炮的火控系统进行瞄准和定位。有理由相信，价值1200美元的战术级MEMS INS研制成功后，其军事和民事用途会不断得到拓展。
建造MEMS惯性测量装置(IMU：Inertial Measurement Unit)最困难的地方在于陀螺仪。IMU包括加速计和陀螺仪，加速计的制造技术相对成熟，而陀螺仪的构建则比较难。尽管如此，MEMS-INS计划还是显示可以制造出基于MEMS的小型、高效的IMU。根据陀螺仪的测量误差，MEMS INS在不同环境下的性能指标从1度／时到20度／小时不等。
MEMS-INSX对于那些对精度要求不高的一般使用者来说已经很好，但对于战术精度要求高的用户就显得能力不足了。大多数飞机、船只、宇宙飞船和导弹都要求更高的精度，而且几乎所有的使用者都会尽可能选择精度更高的系统。很显然，MEMS IMU要达到军方的要求还要走过一段艰辛的路。
更进一步的目标
在GPS使用受限时，以用户习惯的方式支持所有操作是体现人性化的操作技术，也是DARPA追求的更现实的目标。一些致力于达到这一目标的设想已经得到了验证，按照支持用户接收器所需的附加装备，大致可分为3种：多信号导航、自由信号导航和无信号导航。
多信号导航
GPX通过当地强大的模拟卫星来加强GPS信号，除此之外，还有其他辅助手段来增强信号。方法之一就是创建其他类型的信号，使该信号可以穿透土地、石层和建筑物，将多个路径和环境引起的信号失真减至最小。战略或战术放置信标的多种信号模式(包括低频、准随机噪声、射频、光、重力、发射能，甚至是信息素在内的声学、地震学、磁、电领域)尽可能地被用来提供必需的穿透级别，并且使用先进的信号处理器对信号进行处理，以减少杂波。这方面还需要很多新的技术来支持。
譬如，设想制造一种能自行飞行／机动的探测器，用以测定山洞的连通性和大小等。如果它可以在坑道和瓦砾中行进，根据传感器收到的受害者发出的信号圈定其位置范围，并把这一信息传达给搜索人员，将给搜索和营救工作提供更有效的帮助。
当遇到一些严苛的环境时，如搜救人员或被追踪的传感器在着火的建筑物内发出信号时，“多信号导航”不只是传输信号，还可以通过用户的接收器(通常为一组，数量不能太多，距离不能太近)追踪建筑物，以确定目标位置。特别是在难以穿透、错综复杂的混乱环境中，从建筑物到瓦砾、洞穴，“多信号导航”的这一能力就尤为重要。
尽管“多信号导航”在需要穿透障碍物或抵制干扰时很有用，但如果遇到目标覆盖区域太大或不能进入的领土时，由于不能增加局部信号或追踪接收器，此时也许可以利用时下被忽视的“自由信号导航”技术。
自由信号导航
这一技术包括一系列人工合成的信号，可以覆盖地球上每一寸土地，但对建筑物或地下的穿透能力一般。这种方法是利用周围诸如电视、广播电台或卫星通信等电磁信号来弥补GPS在其所用电磁频谱上的导航空白。
使用自由信号导航时，可能需要购进一些“多信号导航装备”。譬如，随机信号源定位和波形描述可能需要一些前期描述或额外的基础设施，如战场上或战场附近的信号接收台等，以便向用户接收器提供特征描述。
无信号导航
“无信号”导航似乎是一种返璞归真的技术。在人类不断利用外部工具来达到目的的时候，如何更好地利用大自然传递的信号来判定系统所在的位置呢?
历史和自然已经证实，古代人以及迁徙、觅食的动物并没有配置先进的辅助工具，却总能找到食物、配偶以及适宜的栖息地。当然，人类当前的目标远不止如此简单，但这里想说的是如何利用大自然的能量与高效、准确的现代技术相结合实施导航和地理定位。太阳和月亮潮汐引起的引力信号、地球磁场或者其他更具影响力的因素都在引起科学家的关注和研究。
结语
在GPS使用受限的空中，地面或地下区域的导航以及地理定位问题是当前最为关注的GPS热点技术，随着技术难关的突破，相信会出现综合性能更好、更加坚固耐用且价格适中的导航定位解决方案。
编辑／袁 炜