無GPS導航技術應用與發展
2021.12.10
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壹、新聞重點
所謂的無GPS導航技術（GPS-free navigation），指的是不使用衛星定位進行導航的技術。雖然在GPS出現以前，各式導航技術如天文航行（celestial navigation）、天文-機械慣性導航（astroinertial navigation）等已相當成熟，由於GPS的高度便利性，使得其餘技術亦從主要導航手段退居次要。然而，軍民雙方對於GPS的依賴，也使GPS這樣的全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System） 很可能成為衝突發生時的首要攻擊目標。俄羅斯在2021年11月15日測試其新型反衛星武器（anti-satellite technology, ASAT），並宣稱「當北約組織越過紅線時，將會冒著同時喪失32座GPS衛星的風險」。[1] 在預期未來作戰情境可能喪失GPS的情況下，無GPS導航技術又再度受到重視，本文將簡介威脅型態，以及無GPS導航技術近期應用與發展狀況。
貳、安全意涵
一、正視GPS很可能成為攻擊首要目標
俄羅斯的新型反衛星武器測試，僅是其針對GPS攻擊的一環，無論是先前曾披露過2018年北約「三叉戟聯合軍演」（2018 Exercise Trident Juncture）期間，針對芬蘭及俄羅斯邊境芬馬克地區（Finnmark）的GPS干擾，以及黑海地區大量船舶遭定位至機場的事例，或中國上海港區黃浦江畔2019年曾出現呈圓形聚集的異常AIS訊號，都顯示在大國競爭的戰略環境下，很有可能針對GPS攻擊。[2] 從美國聯邦飛航總署（Federal Aviation Administration）發布的飛航公告中，可看出美國海軍第四航艦打擊群（Carrier Strike Group Four），在2021年內已經兩次展開GPS阻斷演練（GPS-denial exercise），以大範圍GPS干擾模擬無GPS的作戰場景，測試官兵對因應作為的熟練度，也顯示美軍已嚴正面對GPS在未來作戰可能失靈的威脅。[3]
二、各國合作持續投入無GPS導航技術研發
無GPS導航技術中，除依賴星象的天文航行外，較著名的還有SR-71超音速偵察機使用的Nortronics NAS-14V2 天文-機械慣性導航系統，透過頂端攝影機不斷拍攝星空影像進行運算並定位，再輸入慣性導航系統更新，精度至少可達90公尺。目前部分飛機仍使用類似的備用導航系統，如B-2隱形轟炸機左翼的駕駛艙擋風玻璃外，仍可見其天文-機械慣性導航系統使用的圓型窗口（見圖一），據信應為NAS-14V2後繼型號NAS-26的修改型。[4]
另外，美國海軍研究辦公室-全球區（Office of Naval Research Global, ONR Global）針對縮短極區戰力差距設有全球-X挑戰（Global-X Challenge），邀集各方提出科技解決方案。今年9月發布第二次挑戰主題為無GPS導航技術，由設籍英國的Geoptic Infrastructure Investigation公司贏得獎項，研究團隊成員則來自英、美、日與芬蘭等國。該團隊設計一座小型感測裝置，以自然輻射中的宇宙射線緲子（cosmic ray muon）取代GPS衛星訊號作為訊源，進行定位計算，並將在芬蘭極區長年冰封的湖泊，展開為期9個月的概念驗證。[5] 對芬蘭而言，北極圈內原本GPS訊號即不穩定，又面臨俄羅斯干擾威脅，因此與英美等國展開合作，持續投入無GPS導航技術研發，也是確保戰略安全的當然選項。
圖一、B-2隱形轟炸機左翼所見之天文-機械慣性導航系統
資料來源：U.S. Air Force photo by Staff Sgt. Rachel Maxwell
參、趨勢研判
一、小型化與機載化仍有挑戰
雖然全球-X挑戰的獲獎者Geoptic Infrastructure Investigation對無GPS導航技術提出突破性的解決方案，但類似技術的小型化與機載化，仍存在許多挑戰。以宇宙射線緲子感測器而言，需研發分散式且誤差在0.1奈秒內的時鐘來降低定位誤差，再與緲子感測器整合。另外一項研發中技術為量子導航（quantum navigation）或量子定位系統（quantum positioning system），是基於冷原子干涉（cold atom infererometry）原理，將冷原子激發至量子疊加態（quantum superposition）時，會同時具有靜止與移動兩種狀態，不同狀態下對於重力與加速度有不同的反應，藉此量測距離，甚至可達成超過GPS的精度。
不過，為避免受到其他粒子干擾，量測量子疊加態通常需要以巨大的真空室將分子由磁光陷阱（Magneto-Optic Trap, MOT）抽出，美國桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）則基於材料科技研發成果，以特殊材料吸收四散的其餘分子，成功使裝置小型化，也大幅降低其耗電量。[6] 這些無GPS技術來自體積、耗電的問題，都會影響其小型化、機載化的實際應用。
二、以既有裝備結合創新作法亦為技術研發外的選項
除了新技術研發以外，以創新手段將過往導航作法透過既有裝備來達成，也成為其中一個值得參考的選項。《美國海軍學會會刊》（Proceedings of U.S. Naval Institute）2021年10月號刊登一篇文章，介紹如何以潛艦潛望鏡既有的拍攝功能，取代水面艦使用的六分儀，作為潛艦天文航行的解決方案，獲得學會會員的廣大迴響。潛艦航行一般採用如環式雷射陀螺儀（Ring Laser Gyroscope）的慣性導航系統，結合電子航速紀錄、海底測深的地形，以及上浮至潛望鏡深度時取得GPS定位更新來確認船位。美國潛艦軍士官僅存的天文航行訓練，為透過潛望鏡方位圈取得太陽高度與方位角，再把數值輸入美海軍天文航行的STELLA電腦系統計算目前經緯度。作者認為，潛艦作戰系統AN/BYG-1的火控單元在潛望鏡內建攝影機，正好可以取代六分儀，以拍攝星空影像的方式同時取得相關數值輸入STELLA進行定位。從文章的回應發現，美國潛艦過去確實是以類似方式進行定位，但因GPS出現而逐漸式微。在新作戰環境挑戰下，亦可預期未來類似的作法應會重新納入軍士官航行訓練的一部分。[7]
[1] Tracy Cozzens, “Russia Issues threat to GPS satellites,” GPSWORLD, November 29, 2021, https://www.gpsworld.com/russia-issues-threat-to-gps-satellites/.
[2]詳見杜貞儀，〈全球衛星導航系統威脅與因應〉，《國防情勢特刊》，及 Mark Harris, “Ghost ships, crop circles, and soft gold: A GPS mystery in Shanghai,”MIT Technology Review, November 15, 2019, https://www.technologyreview.com/2019/11/15/131940/ghost-ships-crop-circles-and-soft-gold-a-gps-mystery-in-shanghai/。
[3] “FLIGHT ADVISORY GPS INTERFERENCE TESTING CARRIER STRIKE GROUP FOUR (CSG4) 21-01 17-27 January 2021 Off-The Coast,” Federal Aviation Administration, January 19, 2021, https://www.faasafety.gov/files/notices/2021/Jan/CSG4_GPS_21-01_GPS_Flight_Advisory.pdf; “FLIGHT ADVISORY GPS INTERFERENCE TESTING CARRIER STRIKE GROUP FOUR (CSG4) 21-06 S2 07-14 August 2021 Off-The Coast,” Federal Aviation Administration, August 4, 2021, https://www.faasafety.gov/files/notices/2021/Aug/CSG4_21-06_S2_GPS_Flight_Advisory.pdf.
[4] “Nortronics NAS-14V2 Astroinertial Navigation System,” Smithsonian National Air and Space Museum, 2013, https://timeandnavigation.si.edu/multimedia-asset/nortronics-nas-14v2-astroinertial-navigation-system; David Cenciotti, “Let’s Have Another Look At The B-2’s Air Data Ports And Astroinertial Navigation System,” The Aviationist, September 10, 2021, https://theaviationist.com/2021/09/10/lets-have-another-look-at-the-b-2s-air-data-ports-and-astroinertial-navigation-system/.
[5] “How Science is Finding Ways to Navigate in GPS-Denied Environments,” Office of Naval Research, November 23, 2021, https://www.onr.navy.mil/Science-Technology/ONR-Global/Press-Releases/2021/GPS-Denied-Environments.
[6] Patrick Tucker, “Quantum Sensor Breakthrough Paves Way For GPS-Free Navigation,” Defense One, November 2, 2021, https://www.defenseone.com/technology/2021/11/quantum-sensor-breakthrough-paves-way-gps-free-navigation/186578/.
[7] Lieutenant Matthew G. Homeier (U.S. Navy), “Navigate by the Stars – From Beneath the Water,” Proceedings of U.S. Naval Institute, October, 2021, https://www.usni.org/magazines/proceedings/2021/october/navigate-stars-beneath-waves.