劉　鈍,甄衛(wèi)民,張風(fēng)國,歐　明

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與PNT新技術(shù)發(fā)展研究

劉鈍,甄衛(wèi)民,張風(fēng)國,歐明

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

摘要：GNSS系統(tǒng)的脆弱性促使PNT新系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展。為協(xié)調(diào)國家PNT系統(tǒng)發(fā)展,應(yīng)開展國家PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究。PNT體系結(jié)構(gòu)研究是利用體系結(jié)構(gòu)方法對(duì)PNT系統(tǒng)開展的針對(duì)性研究工作。對(duì)國外開展的PNT系統(tǒng)新技術(shù)分析表明：PNT體系結(jié)構(gòu)研究是基于能力需求的分析工作,其目的是提出國家PNT系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)的指南和方針,并用于指導(dǎo)國家PNT系統(tǒng)的建設(shè)、發(fā)展和管理。

關(guān)鍵詞：定位；導(dǎo)航和授時(shí);體系結(jié)構(gòu);全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.011

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：： A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2015)02-0048-05

收稿日期：2015-02-10

作者簡介

Abstract:Vulnerability of GNSS promotes the development of new PNT systems and technologies. A national PNT architecture study, with the emphasis on PNT technologies from the architecture view of point, should be conducted to coordinate the efforts of national PNT systems construction. With the analysis on the recent advancement of PNT technologies, it could be seen that the PNT architecture study, based on the PNT capability analysis, is purchased to work out the principles of PNT development for national PNT systems management.

0引言

隨著以GPS系統(tǒng)為代表的GNSS系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展,GNSS系統(tǒng)正在成為一個(gè)國家信息化建設(shè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,為多種不同應(yīng)用提供定位、導(dǎo)航、時(shí)間(PNT)服務(wù)信息。隨著GNSS應(yīng)用的深入,GNSS系統(tǒng)自身的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn),主要包括:電磁信號(hào)干擾影響,在地理環(huán)境遮蔽條件下(室內(nèi)、地下、水下)難以實(shí)現(xiàn)定位[1-2]。如何增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)的PNT服務(wù)能力,甚至提供完全不依賴于GNSS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的PNT服務(wù)能力成為未來PNT應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[3]。近幾年,國內(nèi)外陸續(xù)開展了微機(jī)電慣導(dǎo)(MEMS INS)、基于可用無線信號(hào)的導(dǎo)航等新技術(shù)研究。

如何應(yīng)對(duì)GNSS系統(tǒng)的脆弱性,如何建立更為合理的PNT應(yīng)用服務(wù)能力是國家PNT系統(tǒng)建設(shè)的重要需求。PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究正是為解決上述需求而開展的工作。PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究中,通過面向能力的研究方法,尋求建立可以滿足用戶應(yīng)用需求的PNT技術(shù)發(fā)展方向,而不是關(guān)注于具體某一項(xiàng)PNT系統(tǒng)或技術(shù)的發(fā)展。正是在PNT體系結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下,國外陸續(xù)開展了新的PNT系統(tǒng)或技術(shù)研究[1-2]。

本文分析了美國PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究的特點(diǎn),介紹了近幾年正在開展的PNT新技術(shù)研究,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)對(duì)PNT新技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)和促進(jìn)作用,最后建議應(yīng)開展我國的PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究。

1PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)概念的提出與發(fā)展

PNT體系結(jié)構(gòu)研究是美國從2005年起開始的一項(xiàng)研究工作。PNT體系結(jié)構(gòu)研究歷程有兩個(gè)重要的里程碑節(jié)點(diǎn),一是2004年美國GPS政策中明確提出了天基PNT系統(tǒng)的概念,二是2008年美國PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究報(bào)告的發(fā)布。

1.1　天基PNT系統(tǒng)概念的提出

隨著GPS應(yīng)用的發(fā)展,以及俄羅斯GLONASS系統(tǒng)、歐洲GALILEO系統(tǒng)及我國BeiDou2系統(tǒng)的建設(shè),全球GNSS系統(tǒng)應(yīng)用市場競爭日益激烈。為此,美國在2004年發(fā)布了新的GPS政策,其中提出天基PNT系統(tǒng)的概念[4]。

天基PNT系統(tǒng)概念的提出,表明美國GPS系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用由面向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向面向服務(wù),PNT代表的定位、導(dǎo)航和授時(shí)涵蓋了GNSS系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域。面向應(yīng)用服務(wù)中,用戶更關(guān)心自身獲得的服務(wù)功能和性能,而不關(guān)心具體提供這種服務(wù)的GNSS系統(tǒng),因此要求不同的GNSS系統(tǒng)應(yīng)具有兼容性、互操作性。

聯(lián)系人： 劉 鈍 E-mail:dun.l@163.com

1.2　PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的提出

美國進(jìn)一步在2005年12月開始PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[1]。美國之所以提出PNT體系結(jié)構(gòu)研究,主要有兩種促進(jìn)因素。1)GPS系統(tǒng)易受干擾性已成為GPS應(yīng)用中的共識(shí),天基PNT系統(tǒng)概念的提出僅僅解決了GNSS PNT服務(wù)的一致性問題,但并沒有解決所有GNSS系統(tǒng)都面臨的射頻干擾等問題;2)美國在上世紀(jì)90年代開展了C4ISR體系結(jié)構(gòu)研究,在此基礎(chǔ)上建立起體系結(jié)構(gòu)研究的理論和方法,并進(jìn)一步用于其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃[5]。PNT體系結(jié)構(gòu)研究正是體系結(jié)構(gòu)研究理論和方法針對(duì)PNT系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。美國在2008年發(fā)布了PNT體系結(jié)構(gòu)研究報(bào)告[1],并在2010年進(jìn)一步發(fā)布了PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃[2]。

PNT體系結(jié)構(gòu)概念的提出表明,美國對(duì)PNT系統(tǒng)的研究由面向服務(wù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)向了面向能力。體系結(jié)構(gòu)是面向應(yīng)用能力的研究,是“系統(tǒng)各組件的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及指導(dǎo)其設(shè)計(jì)和隨時(shí)間演化的原則與指南”[6]。在美國的PNT體系結(jié)構(gòu)研究中,提出美國PNT體系結(jié)構(gòu)的最終目標(biāo)是“建立并維護(hù)美國全球PNT系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)先能力”。為實(shí)現(xiàn)這種能力,美國提出了用于指導(dǎo)國家PNT系統(tǒng)建設(shè)的四項(xiàng)原則(原文中稱為“矢量(Vector)”)[1-2],即:

1) 利用多導(dǎo)航源建立PNT系統(tǒng)原則(原文稱為“多現(xiàn)象學(xué)”(Multiple Phenomenologies)):強(qiáng)調(diào)由不同導(dǎo)航源建立不同形式的PNT實(shí)現(xiàn)方法,包括國際上不同的GNSS系統(tǒng),不同頻段、不同空域的無線信標(biāo)系統(tǒng)、偽衛(wèi)星系統(tǒng),以及自主導(dǎo)航系統(tǒng)等。

2) 具有可交換能力的PNT解決方案;通過建立PNT服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)、信息標(biāo)準(zhǔn),以及修正方法、基準(zhǔn)框架,實(shí)現(xiàn)不同PNT系統(tǒng)或技術(shù)間的互交換應(yīng)用和服務(wù)能力,同時(shí)強(qiáng)調(diào)通過國際參與,提高PNT系統(tǒng)及服務(wù)的可交換性。

3) PNT系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的協(xié)同;通過建立PNT系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的協(xié)同能力,提高PNT服務(wù)的強(qiáng)健性。PNT系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的協(xié)同包括兩個(gè)方面,一是利用不同通信鏈路播發(fā)PNT增強(qiáng)信息,提高PNT系統(tǒng)服務(wù)能力,二是利用通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接的PNT服務(wù)能力。

4) 合作組織結(jié)構(gòu):合作組織結(jié)構(gòu)中,強(qiáng)調(diào)建立國家協(xié)調(diào)機(jī)制,從需求分析、項(xiàng)目評(píng)估、經(jīng)費(fèi)預(yù)算、PNT技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究和系統(tǒng)研發(fā)等方面,進(jìn)行國家PNT系統(tǒng)建設(shè)工作的協(xié)調(diào),同時(shí)也強(qiáng)調(diào)開展PNT系統(tǒng)建模研究,需要指出的是,這種建模工作是針對(duì)PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建立和完善所需的建模技術(shù)研究。

2PNT新系統(tǒng)新技術(shù)研究

針對(duì)GPS的易受干擾性,美國提出了“不依賴于GPS系統(tǒng)的PNT實(shí)現(xiàn)能力”[3,7],并自2005年左右開始,陸續(xù)開展了多項(xiàng)PNT系統(tǒng)新技術(shù)研究工作。尤其是在PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究及實(shí)施計(jì)劃研究完成后,美國陸續(xù)提出新的PNT系統(tǒng)或技術(shù)概念,如DARPA支持下的部分研究工作。

2.1　PNT系統(tǒng)新概念研究

DARPA支持開展了PNT技術(shù)新概念研究工作,其中多個(gè)項(xiàng)目在2012年開始進(jìn)入二期研究階段,并預(yù)計(jì)2014年或2015年開展試驗(yàn)驗(yàn)證工作[7]。

1) 自適應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)(ANS)

DARPA支持開展的PNT新算法和新結(jié)構(gòu)研究,以實(shí)現(xiàn)不同PNT傳感器的快速集成,達(dá)到“即插即用”能力,以此實(shí)現(xiàn)面向不同應(yīng)用平臺(tái)的快速PNT系統(tǒng)集成應(yīng)用,降低開發(fā)成本,減少開發(fā)部署時(shí)間。

ANS項(xiàng)目包括兩個(gè)部分:精確慣導(dǎo)系統(tǒng)(PINS)和全源導(dǎo)航系統(tǒng)(ASPN)。其中,PINS的目標(biāo)是通過冷原子干涉測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)精度更高的慣性測量設(shè)備。冷原子干涉測量慣導(dǎo)技術(shù)通過對(duì)存貯在傳感器中一組原子的相對(duì)加速度和旋轉(zhuǎn)測量而實(shí)現(xiàn),其目的在于利用量子物理特性實(shí)現(xiàn)極為準(zhǔn)確的慣性測量設(shè)備,該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間運(yùn)行而無需利用外部數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶時(shí)間和位置的確定。ASPN則尋求利用各種非導(dǎo)航用電磁信號(hào)進(jìn)行PNT能力實(shí)現(xiàn),所用的信號(hào)包括商業(yè)衛(wèi)星信號(hào)、無線電廣播和電視信號(hào),甚至是閃電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的無線電信號(hào)。這些不同的非導(dǎo)航用信號(hào)不僅大量存在,而且信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于GPS信號(hào),可以在GPS信號(hào)被干擾或接收不到的區(qū)域提供位置信息。

2) 微PNT系統(tǒng)(Micro PNT)

微PNT系統(tǒng)是DARPA 2010年啟動(dòng)的一項(xiàng)研究工作,目的是利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微型化PNT技術(shù)。DARPA支持了一系列微PNT系統(tǒng)研究工作,這些工作致力于開發(fā)高穩(wěn)定度和高精度的芯片陀螺、芯片原子鐘,以及完整集成的定時(shí)和慣性測量單元。2012年,DARPA研究人員已制造出一種微PNT系統(tǒng)的原型設(shè)備,該設(shè)備包括三個(gè)陀螺儀、三個(gè)加速度計(jì)和一個(gè)高精度時(shí)鐘,可在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn),方便地裝入一個(gè)美分大小的空間內(nèi)。DARPA開發(fā)的這種微型傳感器具有自修正能力,性能優(yōu)良,價(jià)格低廉,與現(xiàn)有的傳感器相比,極大地降低了設(shè)備的尺寸、重量和功耗。

3) 量子輔助傳感與讀取設(shè)備(QuASAR)

QuASAR計(jì)劃中擬實(shí)現(xiàn)世界上最高準(zhǔn)確度的原子鐘,并保證設(shè)備的可靠性和便攜性。目前,研究人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的光原子鐘,準(zhǔn)確度可以達(dá)到50億年才產(chǎn)生1秒偏差。實(shí)現(xiàn)如此精度的便攜式原子鐘可以有效提高諸如GPS、新型雷達(dá)系統(tǒng)、激光雷達(dá)(LIDAR)及其它測量系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

4) 超快激光科學(xué)與工程項(xiàng)目(PULSE)

該項(xiàng)目利用脈沖激光技術(shù)的最新進(jìn)展提高原子鐘和微波頻率源的精度,減小設(shè)備尺寸,以實(shí)現(xiàn)在更長距離上提供更準(zhǔn)確的時(shí)間和頻率同步能力。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的原子鐘如同QuASAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原子鐘一樣精度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原子鐘精度,可有效提高時(shí)間/頻率同步的精度。PULSE項(xiàng)目開發(fā)的精確光原子鐘可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的精確時(shí)間發(fā)布。

5) 惡劣環(huán)境下的空間、時(shí)間和定向信息獲取技術(shù)(STOIC)

該項(xiàng)目尋求建立惡劣環(huán)境下的PNT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能力,這種PNT系統(tǒng)可以達(dá)到GPS系統(tǒng)的精度但卻不依賴于GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。STOIC由三個(gè)組成部分:可作用于較遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定參考信號(hào)源,具有超穩(wěn)性能的原子鐘,可為多個(gè)用戶提供PNT信息的多功能系統(tǒng)。STOIC三個(gè)部分組合可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)獨(dú)立于GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的PNT信息提供能力。

2.2　PNT系統(tǒng)或技術(shù)研究

美國空軍、海軍等單位自2005年以來陸續(xù)開展了不同導(dǎo)航技術(shù)研究工作[8-12],這些工作主要包括:

1) 多導(dǎo)航源導(dǎo)航系統(tǒng)或技術(shù),尤其是自主導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù),如:微機(jī)電精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)冷原子干涉慣性導(dǎo)航系統(tǒng);激光雷達(dá)線性掃描導(dǎo)航系統(tǒng);利用地磁異常實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng);超寬帶信號(hào)室內(nèi)定位系統(tǒng);利用外部可用信號(hào)源(SoOP)的導(dǎo)航系統(tǒng);

2) 與慣性導(dǎo)航系統(tǒng),尤其是MEMS INS實(shí)現(xiàn)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù),如:GPS與MEMS INS實(shí)現(xiàn)的緊耦合系統(tǒng),利用慣性導(dǎo)航和地磁場導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航系統(tǒng);慣性導(dǎo)航與圖像輔助導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的組合導(dǎo)航系統(tǒng);視覺輔助慣導(dǎo)組合導(dǎo)航技術(shù);光學(xué)導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合系統(tǒng);多源導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)技術(shù);多源傳感器組合導(dǎo)航技術(shù);“通用即插即用”傳感器全源導(dǎo)航系統(tǒng);

這些導(dǎo)航系統(tǒng)或技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:小型無人航空器(UAV)導(dǎo)航定位應(yīng)用;單兵使用個(gè)人導(dǎo)航系統(tǒng)(PNS);室內(nèi)、城市環(huán)境下的導(dǎo)航定位應(yīng)用。

2.3　PNT系統(tǒng)、產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)

澳大利亞Locata公司推出一種類似GPS系統(tǒng)的地基導(dǎo)航系統(tǒng)Locata。Locata系統(tǒng)利用該公司專利技術(shù)Time-Loc實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間高精度時(shí)間同步,該技術(shù)的特點(diǎn)是采用低成本頻率源即可實(shí)現(xiàn)1～2納秒級(jí)時(shí)間同步精度,而不像現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)一樣必須依賴于高精度原子鐘。Locata系統(tǒng)采用載波測量實(shí)現(xiàn)高精度定位能力(水平方向6 cm,垂直方向15 cm)。同時(shí),Locata系統(tǒng)的工作頻段、功率、網(wǎng)絡(luò)大小等均可根據(jù)需求進(jìn)行配置。

Locata系統(tǒng)與美國空軍簽署合作協(xié)議,2008年在Holloman空軍基地開始部署首套測試系統(tǒng),并于2011年10月開展了系統(tǒng)測試工作,結(jié)果令人滿意。美國空軍計(jì)劃在Locata系統(tǒng)基礎(chǔ)上,建立不依賴于GPS系統(tǒng)的下一代超高精度參考系統(tǒng)(UHARS)。

2011年,國際民航組織(ICAO)導(dǎo)航系統(tǒng)工作組會(huì)議提出,考慮到GNSS系統(tǒng)的易受干擾性,“應(yīng)重新審視將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為唯一導(dǎo)航手段的可能性”,并提出利用Locata系統(tǒng)、eLoran系統(tǒng)等“建立可替代PNT”(APNT)系統(tǒng)的可能性”[14]。同時(shí),美國聯(lián)邦航空局(FAA)在其開展的APNT系統(tǒng)研究工作中,將Locata系統(tǒng)作為下一代空中交通管理系統(tǒng)(NextGen)中PNT服務(wù)實(shí)現(xiàn)的三個(gè)備選方案之一[15]。

3PNT體系結(jié)構(gòu)對(duì)PNT系統(tǒng)和技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)作用

通過對(duì)近幾年國外PNT系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的分析可以看出以下幾個(gè)特點(diǎn):

1) 開始側(cè)重于GNSS干擾環(huán)境、物理遮蔽環(huán)境下PNT系統(tǒng)能力的實(shí)現(xiàn)。

從上述PNT新系統(tǒng)新技術(shù)可以看出,這些系統(tǒng)或技術(shù)均以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于GNSS系統(tǒng)的PNT能力為目的,面向室內(nèi)、城市建筑密集區(qū)、地下、水下等存在GNSS物理遮蔽環(huán)境下的PNT系統(tǒng)應(yīng)用。GNSS電磁干擾環(huán)境下的PNT應(yīng)用實(shí)現(xiàn)是另外一個(gè)關(guān)注的重點(diǎn)。

2) 小型化微型化PNT系統(tǒng)和技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

無人航空器應(yīng)用,室內(nèi)、城市環(huán)境下的個(gè)人導(dǎo)航應(yīng)用等條件要求實(shí)現(xiàn)PNT系統(tǒng)的小型化和微型化。利用MEMS實(shí)現(xiàn)的微型慣導(dǎo)、微型高度計(jì)、地磁異常測量設(shè)備、芯片原子鐘等系統(tǒng)成為重要的微型PNT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。采用MEMS實(shí)現(xiàn)的PNT系統(tǒng)并不僅僅是對(duì)現(xiàn)有PNT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化或微型化,而是利用新的技術(shù)體制實(shí)現(xiàn)測量設(shè)備的微型化,如利用冷原子干涉測量實(shí)現(xiàn)的微慣導(dǎo)系統(tǒng)等。

3) 更加強(qiáng)調(diào)不同PNT系統(tǒng)間的融合能力

現(xiàn)有PNT系統(tǒng)中強(qiáng)調(diào)通過組合(Integrate)提高系統(tǒng)的強(qiáng)健性,新的PNT系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展更強(qiáng)調(diào)采用融合(Fusion)方法,提高PNT系統(tǒng)的可靠性、可用性、強(qiáng)健性。其中,利用外部可用信號(hào)源(SoOP)的導(dǎo)航系統(tǒng)利用不同無線信號(hào)源進(jìn)行定位,而全源組合導(dǎo)航定位技術(shù)則進(jìn)一步包括了利用重力場、地磁場、視覺、雷達(dá)等測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航定位能力。

同時(shí),PNT系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)一步要求開展以下的工作:

1) PNT系統(tǒng)的融合要求建立不同PNT系統(tǒng)或技術(shù)的性能標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn),以實(shí)現(xiàn)具有“即插即用”的PNT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2) 不同PNT系統(tǒng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)要求采用通用的時(shí)間、空間坐標(biāo)框架。為此,一個(gè)國家應(yīng)建立并維護(hù)具有長期穩(wěn)定性,且與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的時(shí)空框架基準(zhǔn)。

3) PNT系統(tǒng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)所依賴的新體制、新材料、新制造、新測試技術(shù)已超出了PNT系統(tǒng)的范疇,要求從國家層面上進(jìn)行跨領(lǐng)域的學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展。

4) PNT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需要的地球重力場、地磁場、地形地貌、天文圖表、星歷表等數(shù)據(jù)庫,需要從國家層面上進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)和管理。這種數(shù)據(jù)庫應(yīng)在前述的統(tǒng)一時(shí)間空間基準(zhǔn)框架下建立。

5) PNT基礎(chǔ)研究與系統(tǒng)建設(shè),PNT系統(tǒng)技術(shù)與其它科學(xué)領(lǐng)域的交互,不同PNT系統(tǒng)間的交互,以及PNT系統(tǒng)所需標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫等等PNT系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展,要求建立國家級(jí)的協(xié)調(diào)管理機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)籌安排。

PNT系統(tǒng)技術(shù)的上述發(fā)展特點(diǎn)正體現(xiàn)了PNT體系結(jié)構(gòu)研究對(duì)具體PNT系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的指導(dǎo)作用。PNT體系結(jié)構(gòu)是基于能力需求分析的研究,干擾環(huán)境和物理遮蔽環(huán)境下的PNT實(shí)現(xiàn)能力是對(duì)PNT系統(tǒng)的重要能力需求之一。微型PNT技術(shù)、PNT融合技術(shù)、以及從技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和政策法規(guī)上的統(tǒng)一管理等要求,也正是PNT體系結(jié)構(gòu)研究中提出的建立多導(dǎo)航源的PNT體系結(jié)構(gòu)、建立具有可交換能力的PNT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、建立PNT系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)制等建設(shè)原則和指南的具體體現(xiàn)。也正因如此,美國在2008年完成PNT體系結(jié)構(gòu)研究后,進(jìn)一步開展了PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃研究,并規(guī)定定期對(duì)PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃的執(zhí)行情況進(jìn)行分析研究,以表明國家PNT系統(tǒng)建設(shè)在按照既定方向發(fā)展[16-17]。

4結(jié)束語

PNT體系結(jié)構(gòu)研究是利用體系結(jié)構(gòu)研究方法對(duì)PNT系統(tǒng)開展的針對(duì)性研究工作。PNT體系結(jié)構(gòu)研究基于能力需求開展分析,提出國家PNT系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)的指南和方針,用于指導(dǎo)國家PNT系統(tǒng)的建設(shè)、發(fā)展和管理。自2005年以來,尤其是2010年以后美國開展的PNT系統(tǒng)新技術(shù)研究,處處體現(xiàn)著美國國家PNT體系結(jié)構(gòu)研究中所提出的指導(dǎo)方針和發(fā)展原則。

隨著GNSS應(yīng)用的發(fā)展,GNSS易受干擾性和在物理遮蔽環(huán)境下的應(yīng)用限制日益受到重視。在建設(shè)發(fā)展我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí),應(yīng)考慮通過多種PNT手段擴(kuò)展PNT系統(tǒng)在物理遮蔽環(huán)境下的應(yīng)用范圍,實(shí)現(xiàn)在干擾環(huán)境下的應(yīng)用,提高系統(tǒng)應(yīng)用性能。為統(tǒng)籌規(guī)劃我國的PNT系統(tǒng)和技術(shù)開發(fā)應(yīng)用,應(yīng)開展我國的國家PNT體系結(jié)構(gòu)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] VAN DYKE K,VICARIO J,HOTHEM L. National positioning, navigation, and timing architecture study[C]//American Geophysical Union, Fall Meeting,2007.

[2] HUESTED P, POPEJOY P.National positioning, navigation, and timing architecture[C]//AIAA SPACE 2008 Conference&Exposition 9-11 September,San Diego,California,2008.

[3] DOT and DOD.Implementation plan[R]. 2010.

[4] ITT. Advanced engineering & science division, Satellite navigation backup study-final [R].2007.

[5] National Executive Committee. Spaced-based positioning, navigation, and timing policy[N/OL], 2004-12-15 [2014-8-27]. http://www.darpa.mil/NewsEvents/Releases/2014/07/24.aspx.

[6] DAF Core Management Group.Architecture framework version 2.0[R]. 2009.

[7] 趙青松,楊克巍,體系工程與體系結(jié)構(gòu)建模方法與技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社,2013.

[8] DARPA. Beyond GPS 5 next-generation technologies for positioning, navigation & timing (PNT)[N/OL]. 2014-07-24 [2014-8-26].http://www.darpa.mil/NewsEvents/Releases/2014/07/24.aspx.

[9] SHEMAN P, HOLMES S. Personal navigation system[M].Draper Laboratory, Cambridge, MA, 2005.

[10]ELSNER D L. Universal plug-n-play sensor integration for advanced navigation[D]. Air Force Institute of Technology, 2012.

[11]CANCIANI A. Integration of cold atom interferometry INT with other sensors[D].Air Force Institute of Technology, 2012.

[12]PENN T R. All source sensor integration using an extended Kalman filter[D].Air Force Institute of Technology, 2012.

[13]STROMS W F. Magnetic field aided indoor navigation[D].Air Force Institute of Technology, 2009.

[14]RIZOS C, GAMBALE N, LILLY B. Synchronized ground networks usher in next-gen GNSS[J]. GPS World, 2013,24(10):36-41.

[15]BOLLARD J, MALLETT I. The need for an alternative PNT[C]//Navigation Systems Panel Working Group, Montreal, Canada, May, 2011.

[16]ELDREDGE L. Alternative positioning, navigation and timing (APNT) study update[C]//US President Positioning, Navigation and Timing (PNT) Advisory Board, 2011.

[17]VAN DYKE K. National PNT architecture implementation[C]//FAA APNT Industry Day, 2012.

劉鈍(1973-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用。

甄衛(wèi)民(1963-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事空間環(huán)境、電磁環(huán)境和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究。

張風(fēng)國(1985-),男,工程師,主要從事導(dǎo)航應(yīng)用與電離層閃爍仿真方向的研究。

歐明(1984-),男,博士研究生，主要研究方向?yàn)殡婋x層探測及建模技術(shù)。

A Study of PNT Architecture and New Technology Development

LIU Dun,ZHEN Weimin,ZHANG Fengguo,OU Ming

(22ndResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCroupCo.,Qingdao266107,China)

Key words: Positioning; Navigation and Timing (PNT); architecture; GNSS