●文｜北京空間科技信息研究所　劉春保

?

美國(guó)國(guó)家PNT體系與PNT新技術(shù)發(fā)展

●文｜北京空間科技信息研究所劉春保

一、引言

隨著GPS系統(tǒng)與應(yīng)用的發(fā)展，GPS系統(tǒng)與其提供的全天時(shí)、全天候的高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）服務(wù)能力已經(jīng)成為美國(guó)重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施與最重要的使能能力，由衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用催生的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)也與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信共同成為21世紀(jì)信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)。

隨著GPS應(yīng)用的不斷普及與深入，美國(guó)的國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施高效穩(wěn)定地運(yùn)行與民眾的日常生活越來(lái)越多地依賴GPS系統(tǒng)提供的高精度定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)。然而，固有的脆弱性與局限性使美國(guó)賴以支撐其高精度定位導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)的GPS系統(tǒng)不能全方位地滿足國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施高效穩(wěn)定地運(yùn)行與民眾的日常生活的PNT需求，使美國(guó)高精度PNT服務(wù)的可用性、可靠性面臨著的潛在威脅。

如何解決GPS系統(tǒng)提供的高精度定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)面臨的問(wèn)題，建立滿足國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施高效穩(wěn)定運(yùn)行和民眾日常生活需求的PNT系統(tǒng)與能力，探索滿足用戶需求的PNT技術(shù)發(fā)展方向或發(fā)展途徑成為美國(guó)政府必須面對(duì)的重要問(wèn)題。為此，美國(guó)提出的國(guó)家PNT體系的概念，以解決未來(lái)PNT系統(tǒng)與能力的發(fā)展問(wèn)題。

二、美國(guó)國(guó)家PNT體系與執(zhí)行計(jì)劃

1. 美國(guó)國(guó)家PNT體系方案

美國(guó)國(guó)家PNT體系研究采用C4ISR研究中建立的體系結(jié)構(gòu)研究理論與方法，其目標(biāo)是：建立并維護(hù)美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的領(lǐng)先能力，鞏固與維持美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的主導(dǎo)地位與不對(duì)稱優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)的國(guó)家PNT體系研究確立了由自主能力、服務(wù)范圍、導(dǎo)航源位置組成的三維研究空間；建立了由互操作性、一致性、適應(yīng)性、穩(wěn)健性和可維持性為核心的評(píng)價(jià)體系，以評(píng)估、判定PNT體系的完備性。

為此，美國(guó)首先開(kāi)展了典型PNT體系研究與評(píng)估，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了組合PNT體系的研究與評(píng)估工作，最終給出了目標(biāo)體系方案，并提出了美國(guó)國(guó)家PNT體系發(fā)展的19項(xiàng)建議。美國(guó)的國(guó)家PNT體系方案見(jiàn)圖1。

美國(guó)將GPS系統(tǒng)定義為美國(guó)國(guó)家PNT體系的基石，擔(dān)負(fù)著非常重要的責(zé)任。首先，GPS系統(tǒng)是“最大共性需求”策略踐行者，擔(dān)負(fù)著滿足大多數(shù)用戶PNT需求的責(zé)任；其次，GPS系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著美國(guó)PNT體系時(shí)間與空間基準(zhǔn)傳遞的責(zé)任，維持著美國(guó)國(guó)家PNT體系的時(shí)間與空間應(yīng)用基準(zhǔn)。第三，為其他PNT體系或用戶裝備提供初始和修正、校正信息，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。

圖1　PNT體系建議方案示意圖（2025年，用戶角度）

自主導(dǎo)航是解決干擾與物理遮蔽條件下PNT問(wèn)題的最重要途徑，是PNT體系中提升、增強(qiáng)PNT能力強(qiáng)健性與魯棒性的重要途徑與手段。但目前的自主導(dǎo)航手段受累積誤差問(wèn)題和用戶負(fù)擔(dān)問(wèn)題（主要是質(zhì)量、體積、功耗和成本）限制。以慣性系統(tǒng)為例，受累積誤差的影響，慣性系統(tǒng)不具有提供長(zhǎng)時(shí)間、高精度PNT服務(wù)的能力，必須利用其它高精度PNT源進(jìn)行校準(zhǔn)或修正。

PNT與通信的融合是實(shí)現(xiàn)PNT能力無(wú)縫覆蓋的重要途徑，也是擴(kuò)展PNT服務(wù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)PNT增值服務(wù)的重要途徑，是現(xiàn)代位置服務(wù)最重要的支撐之一。PNT與通信的融合是民用領(lǐng)域解決城市峽谷、建筑物內(nèi)、隧道、地下設(shè)施等PNT問(wèn)題最重要的途徑。

在PNT體系中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的PNT服務(wù)具有覆蓋范圍廣、服務(wù)精度高、全天時(shí)、全天候、用戶成本低等特征。在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)領(lǐng)域多系統(tǒng)共存格局即將形成的條件下，充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)資源（包括天基增強(qiáng)系統(tǒng)）即可有效地提升用戶的PNT體驗(yàn)，又可提升用戶PNT服務(wù)的可用性、穩(wěn)健性，應(yīng)予以足夠的重視。

2.美國(guó)國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃

2010年4月，美國(guó)國(guó)防部與運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)體系執(zhí)行計(jì)劃》（以下簡(jiǎn)稱《執(zhí)行計(jì)劃》），全面接受、采納了美國(guó)《國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)體系研究》的建議與成果，制定了轉(zhuǎn)型規(guī)劃，確定了PNT相關(guān)各部門(mén)在實(shí)施國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)體系建議時(shí)的行為與職責(zé)。

《執(zhí)行計(jì)劃》中涉及的機(jī)構(gòu)或部門(mén)多達(dá)31個(gè)，其中負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)與信息集成的國(guó)防部副部長(zhǎng)辦公室、運(yùn)輸部研究與創(chuàng)新技術(shù)局成為職責(zé)最多的部門(mén)，在美國(guó)國(guó)家PNT體系發(fā)展的19項(xiàng)建議中分別成為10項(xiàng)與7項(xiàng)建議實(shí)施的主要責(zé)任部門(mén)。

根據(jù)《PNT聯(lián)合能力文件》、《聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)航規(guī)劃》等文件，美國(guó)的PNT能力差距主要包括：

① 物理遮蔽環(huán)境下安全、可靠、實(shí)時(shí)的PNT能力；

② 電磁干擾環(huán)境下安全、可靠、實(shí)時(shí)的PNT能力；

③ 滿足更高的精度和完好性需求的能力，尤其是高速公路和高速鐵路應(yīng)用的需求；

④ 當(dāng)PNT信號(hào)變差或出現(xiàn)誤導(dǎo)時(shí)的及時(shí)預(yù)警、報(bào)警能力；

⑤ 高空或空間定位和定向能力；

⑥ 用戶及時(shí)地接入地理空間信息，以成功地進(jìn)行導(dǎo)航的能力；

⑦ 確定遮蔽條件對(duì)PNT影響的建模能力，以及預(yù)測(cè)城市環(huán)境影響的能力。

上述問(wèn)題成為PNT體系建設(shè)中需要優(yōu)先解決的問(wèn)題。

按發(fā)展策略和支撐要素，《執(zhí)行計(jì)劃》指導(dǎo)確定了發(fā)展路線圖，以指導(dǎo)美國(guó)國(guó)家PNT體系的發(fā)展，見(jiàn)圖2至圖6。

圖2　實(shí)現(xiàn)“最大共性需求”策略的路線圖

圖3　更好地利用PNT多現(xiàn)象學(xué)要素的發(fā)展路線

圖4　促進(jìn)可互換解決方案的路線圖

圖5　實(shí)現(xiàn)PNT與通信協(xié)同發(fā)展路線圖

圖6　改善合作型組織結(jié)構(gòu)路線圖

三、美國(guó)國(guó)家PNT體系最新進(jìn)展

在美國(guó)國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃的指導(dǎo)下，美國(guó)軍方與民用部門(mén)均在研究、規(guī)劃滿足未來(lái)需求的PNT系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展。目前，美國(guó)軍方與民用部門(mén)一致將研究、發(fā)展的重點(diǎn)放在了未來(lái)發(fā)展規(guī)劃和物理遮蔽與干擾條件下的PNT服務(wù)能力問(wèn)題。

1. 軍事PNT能力

2010年，美國(guó)國(guó)防部與運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布《國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》后，美國(guó)軍方即開(kāi)始著手分析、研究當(dāng)前的能力缺口、未來(lái)的PNT需求，制訂發(fā)展路線。下面以美國(guó)陸軍為例，探討美國(guó)軍事PNT能力的發(fā)展。

《國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》發(fā)布后，美國(guó)陸軍首先出臺(tái)了《PNT核心能力需求》文件，明確了美國(guó)陸軍的PNT核心能力需求；2013年又發(fā)布了《戰(zhàn)術(shù)可靠的GPS區(qū)域性能力替代方案分析》報(bào)告，明確了美國(guó)陸軍戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的PNT能力需求，以及滿足上述需求的潛在技術(shù)和解決方案。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)陸軍確定了從當(dāng)前孤立的PNT，向組合PNT、融合PNT，最終發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化PNT的發(fā)展路線圖，見(jiàn)圖7。

圖7　美國(guó)陸軍PNT能力發(fā)展路線圖

美國(guó)陸軍未來(lái)的PNT能力體系以GPS系統(tǒng)及服務(wù)為核心與基礎(chǔ)，以GPS現(xiàn)代化計(jì)劃中的M碼軍用信號(hào)、星上信息功率可調(diào)、點(diǎn)波束增強(qiáng)和抗干擾抗欺騙等新信號(hào)、新功能為依托，以自主導(dǎo)航和各種可用導(dǎo)航信息源為補(bǔ)充，以組合、融合、網(wǎng)絡(luò)化為方法或途徑，構(gòu)建滿足未來(lái)陸軍作戰(zhàn)需求的PNT能力。

從美國(guó)陸軍PNT能力發(fā)展路線圖可以看出，未來(lái)美國(guó)陸軍將以深度融合與導(dǎo)航戰(zhàn)能力為主線，構(gòu)建通信、導(dǎo)航、指揮、信息一體化的網(wǎng)絡(luò)化PNT能力，這種能力是以基礎(chǔ)PNT能力、技術(shù)與融合方法或技術(shù)為保證，網(wǎng)絡(luò)（各類數(shù)據(jù)鏈、戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)、WiFi等信息技術(shù)手段）和用戶裝備則是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的平臺(tái)。

與空軍、海軍相比，美國(guó)陸軍更加重視PNT裝備的小型化、低成本、小體積、輕重量，這是由陸軍的特點(diǎn)決定的，特別是對(duì)脫離作戰(zhàn)平臺(tái)（如坦克、裝甲車、直升機(jī)等）的作戰(zhàn)人員、特種兵等而言更是如此。美國(guó)陸軍不希望PNT裝備重量增加成為壓垮陸軍士兵的那根“稻草”。

美國(guó)法典規(guī)定：除非國(guó)防部長(zhǎng)批準(zhǔn)，2017財(cái)年后美國(guó)軍方將不能采購(gòu)不具備M碼功能的GPS接收機(jī)。為此，2013年美國(guó)啟動(dòng)了新一代軍用GPS用戶設(shè)備（MGUE）的研制工作，2013～2015年的總投入已經(jīng)接近4.5億美元。MGUE的重點(diǎn)包含兩個(gè)方面，其一是研發(fā)2種基于軍用信號(hào)（特別是M碼信號(hào)）的導(dǎo)航芯片，以滿足地面、航空和海上的軍事需求，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)滿足陸、海、空軍需求的軍用導(dǎo)航裝備。

同時(shí)，解決無(wú)法使用衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)條件下的高精度PNT能力問(wèn)題已經(jīng)成為美國(guó)軍方PNT技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。為此，在DARPA的主導(dǎo)下，美國(guó)軍方已經(jīng)啟動(dòng)了多個(gè)基于自主導(dǎo)航研發(fā)計(jì)劃和項(xiàng)目，以確保美軍在不能使用GPS服務(wù)條件下的高精度PNT能力。DARPA主導(dǎo)的研發(fā)項(xiàng)目如下：

微PNT計(jì)劃（Micro-PNT）：以微機(jī)電、微電子技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展輕重量、小體積、低功耗、低成本、高精度、自校準(zhǔn)的慣性導(dǎo)航和芯片級(jí)原子鐘等PNT核心組件。該計(jì)劃下設(shè)立了多個(gè)項(xiàng)目，參與機(jī)構(gòu)40余家。主要項(xiàng)目包括芯片級(jí)原子鐘（CSAC）、集成微型主原子鐘技術(shù)（IMPACT）、導(dǎo)航級(jí)集成微型陀螺儀（NGIMG）、微型慣性導(dǎo)航技術(shù)（MINT）、系留信息微型自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（ITMARS）和芯片級(jí)組合式原子導(dǎo)航（C-SCAN）等。

全源導(dǎo)航計(jì)劃（ASPN）：DARPA針對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)需求提出的面向GPS拒止環(huán)境提供高精度定位導(dǎo)航與授時(shí)先進(jìn)定位導(dǎo)航與授時(shí)技術(shù)研究計(jì)劃。其關(guān)鍵技術(shù)包括：多敏感器導(dǎo)航濾波算法（即融合算法）、導(dǎo)航體系架構(gòu)與多敏感器融合技術(shù)，使導(dǎo)航系統(tǒng)支持慣性測(cè)量單元（IMU）等導(dǎo)航傳感器/敏感器的即插即用，為軍用用戶提供任意作戰(zhàn)平臺(tái)和任何環(huán)境下的低成本、強(qiáng)健無(wú)縫的定位、導(dǎo)航與授時(shí)解決方案。

自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（ANS）：項(xiàng)目的重點(diǎn)是研發(fā)新的算法和體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)PNT傳感器的即插即用。該項(xiàng)目以DARPA和微PNT、冷原子慣性技術(shù)和全源導(dǎo)航項(xiàng)目為基礎(chǔ)，目標(biāo)是發(fā)展在不能使用GPS服務(wù)的環(huán)境下，可提供高精度、高可靠的PNT服務(wù)的應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品。其主要技術(shù)領(lǐng)域包括：對(duì)外部數(shù)據(jù)需求較少、精度更高的慣性測(cè)量裝置；利用非GPS信號(hào)源的PNT傳感器；依據(jù)任務(wù)與環(huán)境變化，利用不同傳感器、支持即插即用的新算法和體系架構(gòu)。

量子輔助感知與讀出（QuASAR）：以當(dāng)前相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)新一代磁場(chǎng)、力學(xué)和時(shí)間量子傳感器，服務(wù)于美國(guó)國(guó)家安全，重點(diǎn)是生物成像、慣性導(dǎo)航和計(jì)時(shí)守時(shí)等領(lǐng)域。主要技術(shù)領(lǐng)域包括：納米級(jí)分辨率的高靈敏度電磁傳感器；帶寬大于10kHz、接近量子極限靈敏度的加速度計(jì)和測(cè)力計(jì)；穩(wěn)定度接近10-17/天的便攜式時(shí)鐘。

超快激光科學(xué)與工程（PULSE）：發(fā)展生成與控制超快光脈沖的技術(shù)，用于提高原子鐘的精度，降低尺寸，實(shí)現(xiàn)更高精度的遠(yuǎn)距離時(shí)間與頻率同步。該項(xiàng)目于2012年啟動(dòng)，計(jì)劃利用5年的時(shí)間完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，并完成作戰(zhàn)環(huán)境下相關(guān)能力的全面演示。

對(duì)抗環(huán)境下空間、時(shí)間與方位信息（STOIC）：該項(xiàng)目旨在發(fā)展與GPS系統(tǒng)性能相近、且不依賴GPS系統(tǒng)的高精度PNT能力。該項(xiàng)目計(jì)劃以通信能力、高穩(wěn)定戰(zhàn)術(shù)時(shí)鐘、用戶間提供PNT信息的能力為支撐，以通信與PNT的深度融合為途徑，利用自主、隨機(jī)信號(hào)等PNT源，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗環(huán)境下的高精度PNT能力。2015年9月，DARPA將該項(xiàng)目的研發(fā)合同授予了羅克威爾·科林斯公司，計(jì)劃利用4年的時(shí)間完成項(xiàng)目的研發(fā)與演示驗(yàn)證。

綜上所述，美軍未來(lái)PNT能力的發(fā)展將以GPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以自主導(dǎo)航、通信與PNT融合為途徑，滿足未來(lái)對(duì)抗條件下的軍事PNT能力需求。

2. 民用PNT能力

正如“最大共性需求”策略指出的那樣，絕大多數(shù)民用PNT需求具有相同或相似的特征。因此，在滿足民用PNT需求方面，美國(guó)仍將以GPS系統(tǒng)為首選方案，并利用天基（WAAS）和地基（國(guó)家差分GPS、全球差分GPS等）增強(qiáng)系統(tǒng)提升服務(wù)的性能與可用性。

隨著GPS現(xiàn)代化計(jì)劃的推進(jìn)，美國(guó)民用PNT服務(wù)的能力將不斷增強(qiáng)。在原有L1頻段C/A碼信號(hào)的基礎(chǔ)上，GPS現(xiàn)代化計(jì)劃規(guī)劃了3個(gè)新的民用信號(hào)，分別為L(zhǎng)2C、L5和L1C，使GPS系統(tǒng)民用信號(hào)達(dá)到4個(gè)，有利于實(shí)現(xiàn)雙頻導(dǎo)航，提升服務(wù)性能。目前，GPS系統(tǒng)星座中可播發(fā)L2C民用信號(hào)的衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到19顆，可播發(fā)L5民用信號(hào)的衛(wèi)星達(dá)到12顆，計(jì)劃于2017年使L2C和L5民用信號(hào)投入服務(wù)，而L1C信號(hào)投入服務(wù)的時(shí)間可能要推遲至2025年左右。

在《國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》的指導(dǎo)下，美國(guó)民用PNT管理部門(mén)已經(jīng)完成了美國(guó)民用PNT能力的全面評(píng)估。評(píng)估結(jié)果表明：由于GPS系統(tǒng)固有的脆弱性和日益嚴(yán)峻的干擾問(wèn)題，部署或建立GPS備份系統(tǒng)。目前，美國(guó)運(yùn)輸部、國(guó)土安全部等民用PNT管理部門(mén)已經(jīng)初步選定以e-LORAN（增強(qiáng)型羅蘭）作為GPS的備份系統(tǒng)，正在開(kāi)展進(jìn)一步的研究與評(píng)估工作。

e-LORAN系統(tǒng)的服務(wù)范圍最大可超過(guò)10000km，有利于降低GPS備份系統(tǒng)的部署費(fèi)用，這是選擇e-LORAN作為GPS備份系統(tǒng)的重要原因之一。同時(shí)，由于e-LORAN系統(tǒng)基本不受太陽(yáng)風(fēng)暴、以及GPS信號(hào)干擾的影響，這是第二個(gè)原因。與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，e-LORAN系統(tǒng)的定位精度存在一定差距（8～20m），但其可用性、完好性和連續(xù)性等均具有較高的水平。因而美國(guó)軍方也在研究利用e-LORAN系統(tǒng)作為GPS系統(tǒng)軍事PNT能力的備份問(wèn)題。除美國(guó)外，英國(guó)等部分歐洲國(guó)家已經(jīng)確定以e-LORAN系統(tǒng)作為衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的備份能力，以提升其民用PNT服務(wù)的魯棒性。

同時(shí)，PNT與通信的融合已經(jīng)成為民用PNT領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前研究主要集中在解決城市峽谷、室內(nèi)、地下等區(qū)域的定位導(dǎo)航與位置相關(guān)信息服務(wù)問(wèn)題。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著美國(guó)《國(guó)家PNT體系執(zhí)行計(jì)劃》的不斷推進(jìn)，目前已經(jīng)初步完成了對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)、能力和未來(lái)需求的評(píng)估工作，轉(zhuǎn)入國(guó)家PNT體系建設(shè)的實(shí)質(zhì)性階段。美國(guó)軍方已經(jīng)理清、確定了軍事PNT能力發(fā)展的脈絡(luò)與途徑，構(gòu)建對(duì)抗環(huán)境下的PNT能力，全面啟動(dòng)了未來(lái)軍事PNT能力關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)活動(dòng)，確定了建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化PNT能力的發(fā)展目標(biāo)。美國(guó)民用PNT管理部門(mén)也確定了以GPS現(xiàn)代化為核心，以備份、補(bǔ)充系統(tǒng)為輔助的民用PNT能力發(fā)展路線。

參考文獻(xiàn)

［1］National Security Space Office， “National Positioning， Navigation， and Timing Architecture Study”， September 2008.

［2］Department of Defence， Department of Transportation， “National Positioning，Navigation， and Timing Architecture lmplementation Plan”. April 2010.

［3］USAF. Global Positioning System Constellation Replenishment. www.gps.gov. February 20 15

［4］United States Government Accountability Office. DEFENSE ACQUlSlTlONS： Assessments of Selected Weapon Programs. http：//www.gps.gov/document/ 668986.pdf. May， 2015.