劉棟梁，陸 靜，林海波，高 洋，王亞龍

美國(guó)PNT整體規(guī)劃和體系結(jié)構(gòu)研究

劉棟梁，陸 靜，林海波，高 洋，王亞龍

（中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

在梳理美國(guó)PNT整體規(guī)劃文件成果的基礎(chǔ)上，分析概括了美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)的研究背景、愿景和戰(zhàn)略，描述了演化體系結(jié)構(gòu)、原樣體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)三種PNT體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)視圖、策略和指導(dǎo)原則，可為我國(guó)的國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究和建設(shè)提供重要參考。

PNT；體系結(jié)構(gòu)；導(dǎo)航；定位；授時(shí)

0 引言

當(dāng)前，作為各國(guó)軍事作戰(zhàn)力量獲取定位和授時(shí)信息的核心裝備，衛(wèi)星導(dǎo)航為作戰(zhàn)單元提供定位授時(shí)信息，保障其具備有效導(dǎo)航、精確制導(dǎo)和聯(lián)合作戰(zhàn)的能力。而當(dāng)前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的干擾手段呈現(xiàn)大功率、密集化、欺騙化的發(fā)展特點(diǎn)，因此完全依賴天基導(dǎo)航系統(tǒng)難以保證在未來(lái)軍事斗爭(zhēng)中取得戰(zhàn)場(chǎng)定位、導(dǎo)航、授時(shí)（Positioning，Navigation and Timing，PNT）優(yōu)勢(shì)。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(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

PNT是美國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，缺乏協(xié)調(diào)的國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)可能會(huì)導(dǎo)致更大的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、不協(xié)調(diào)的研究工作和潛在的浪費(fèi)性采購(gòu)，并可能影響依賴PNT體系結(jié)構(gòu)的其他系統(tǒng)。美國(guó)通過(guò)分析不同PNT體系結(jié)構(gòu)的PNT能力，確定未來(lái)的美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)及其策略、指導(dǎo)原則，從而確保各種應(yīng)用環(huán)境下PNT信息的可用性，實(shí)現(xiàn)維護(hù)美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域主導(dǎo)地位的美好愿景。

1 美國(guó)PTN整體規(guī)劃

美國(guó)于2006年起正式開(kāi)展國(guó)家PNT體系研究與規(guī)劃，這項(xiàng)歷時(shí)數(shù)年的研究規(guī)劃在軍事領(lǐng)域的核心目的是：構(gòu)建完整的軍用PNT信息保障體系，促進(jìn)新一代PNT能力技術(shù)發(fā)展，形成可靠的系統(tǒng)之系統(tǒng)（System of System，PNT-SoS）；保障美軍各級(jí)作戰(zhàn)部隊(duì)與裝備在未來(lái)協(xié)同作戰(zhàn)環(huán)境中通過(guò)最適用的技術(shù)方式，包括全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、自主導(dǎo)航、戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)及其他無(wú)線設(shè)施來(lái)獲取連續(xù)、可靠、可用的定位授時(shí)能力。其最終目的是保持2025年期間內(nèi)美軍的全球兵力投送與作戰(zhàn)能力優(yōu)勢(shì)。

目前美國(guó)PNT體系研究規(guī)劃已形成至少六個(gè)階段性文件成果，六份報(bào)告文件邏輯遞進(jìn)關(guān)系如圖1所示。

圖1 美軍PNT體系規(guī)劃文件邏輯遞進(jìn)關(guān)系

六份報(bào)告文件主要包括：

（1）2008年美國(guó)發(fā)布《國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)研究報(bào)告》。報(bào)告基于PNT信息保障需求與發(fā)展規(guī)律，分析當(dāng)前技術(shù)能力與未來(lái)能力需求之間的差距，給出技術(shù)能力發(fā)展建議，并提出了對(duì)定位授時(shí)自主性、抗擾性、時(shí)空基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋性能力的宏觀技術(shù)需求；

（2）2010年美國(guó)國(guó)防部與運(yùn)輸部聯(lián)合發(fā)布《國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)體系執(zhí)行計(jì)劃》。全面接受了PNT體系規(guī)劃建議，提出了宏觀發(fā)展路線圖，提出了基于共性需求和可互換解決方案的發(fā)展思路[1-4]；

（3）2013年美國(guó)陸軍發(fā)布《GPS戰(zhàn)術(shù)區(qū)域能力替代方案分析報(bào)告》。作為對(duì)《執(zhí)行計(jì)劃》的具體描述，報(bào)告開(kāi)展了陸軍在戰(zhàn)術(shù)GPS失效環(huán)境下可用替代技術(shù)和集成方案的探討與總結(jié)，單一的GPS已經(jīng)無(wú)法滿足作戰(zhàn)需要，提出了針對(duì)不同作戰(zhàn)任務(wù)的PNT具體需求，并強(qiáng)調(diào)通過(guò)不同的替代技術(shù)構(gòu)建完整的軍用PNT信息保障體系，形成可靠的PNT-SoS；

（4）2019年美國(guó)國(guó)防部發(fā)布《定位、導(dǎo)航與授時(shí)體系戰(zhàn)略》。此戰(zhàn)略與2010年《國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)體系執(zhí)行計(jì)劃》是一脈相承的，主要介紹了PNT體系的戰(zhàn)略研究背景、政策法規(guī)、實(shí)現(xiàn)愿景、組織制度等。該戰(zhàn)略主要指出要建立綜合性的PNT體系結(jié)構(gòu)，全面提升軍用PNT技術(shù)，開(kāi)發(fā)多源PNT能力，強(qiáng)調(diào)PNT體系軍事應(yīng)用，從而全面提升美軍作戰(zhàn)能力；

（5）2020年美國(guó)國(guó)土安全部發(fā)布《GPS的PNT備份和補(bǔ)充能力》。報(bào)告在2019年《定位、導(dǎo)航與授時(shí)體系戰(zhàn)略》的基礎(chǔ)上，再次強(qiáng)調(diào)和鼓勵(lì)采用多源PNT服務(wù)，降低PNT服務(wù)中斷所帶來(lái)巨大損失的危險(xiǎn)，并重點(diǎn)關(guān)注目前的PNT需求和備份補(bǔ)充能力建設(shè)，增強(qiáng)PNT基本設(shè)施的抗干擾能力[5-6]；

（6）2021年美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了《美國(guó)國(guó)家PNT韌性提升研發(fā)計(jì)劃》。該計(jì)劃旨在提高關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施韌性，解決PNT服務(wù)中斷問(wèn)題。這項(xiàng)國(guó)家研發(fā)計(jì)劃符合美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)更廣泛的愿景和戰(zhàn)略需求，旨在提高美國(guó)PNT韌性，改進(jìn)支持這一能力所需的大地測(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施。

2 PNT體系結(jié)構(gòu)概述

2.1 研究背景

PNT對(duì)美國(guó)維護(hù)國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和基礎(chǔ)設(shè)施的高效穩(wěn)定運(yùn)行影響重大，然而在大多數(shù)情況下，其作用并不明顯。從美國(guó)安全角度出發(fā)，PNT對(duì)于指揮、控制、通信的能力提升以及所有形式的精確作戰(zhàn)（例如定位目標(biāo)、對(duì)目標(biāo)發(fā)射武器和提供后勤支持）至關(guān)重要；從國(guó)家經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，PNT在交通、通信、配電網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急響應(yīng)操作和其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

從美國(guó)角度來(lái)看，起初，尚未有指導(dǎo)美國(guó)政府決定實(shí)施PNT服務(wù)或能力的現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)。例如，聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)航計(jì)劃、國(guó)家天基PNT五年計(jì)劃僅涉及與無(wú)線電導(dǎo)航相關(guān)的PNT體系結(jié)構(gòu)部分，它是PNT體系結(jié)構(gòu)的重要組成部分，但只是其中一部分，并不指導(dǎo)其他PNT的能力。

《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》強(qiáng)調(diào)了實(shí)施、維護(hù)未來(lái)PNT服務(wù)所需的支持性基礎(chǔ)設(shè)施的重要性，解決了2025年時(shí)間框架內(nèi)預(yù)計(jì)存在的能力差距，并闡明了彌補(bǔ)這些差距的建議舉措，旨在指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)未來(lái)PNT能力建設(shè)，推動(dòng)研究、分析和評(píng)估對(duì)PNT技術(shù)的開(kāi)發(fā)、演示和實(shí)施，并提供一個(gè)協(xié)調(diào)的框架，為美國(guó)政府關(guān)于PNT的投資決策提供信息。

2008年，根據(jù)美國(guó)國(guó)防部要求以及相關(guān)多個(gè)民事機(jī)構(gòu)建議，國(guó)防部長(zhǎng)以及交通部副部長(zhǎng)作為共同發(fā)起人，主持了一項(xiàng)關(guān)于美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)研究的項(xiàng)目，旨在通過(guò)研究2025年時(shí)間框架內(nèi)不同PNT體系結(jié)構(gòu)對(duì)未來(lái)PNT能力的影響，從而制定一個(gè)全面的美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)，作為發(fā)展未來(lái)PNT能力和支持基礎(chǔ)設(shè)施的框架，提供更有效、更高效、更可靠的PNT能力。該項(xiàng)目得到批準(zhǔn)后，項(xiàng)目組成立了一個(gè)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)，由美國(guó)PNT利益相關(guān)方單位及組織組成，并由國(guó)家安全航天局協(xié)助開(kāi)展相關(guān)工作，制定美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)的研究計(jì)劃，并在后續(xù)不斷出臺(tái)和發(fā)布其他相關(guān)PNT體系結(jié)構(gòu)相關(guān)文件，用于完善和指導(dǎo)實(shí)施[7-9]。

2.2 愿景

制定美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)的愿景是美國(guó)通過(guò)有效開(kāi)發(fā)和部署全球可用的有效PNT能力，保持在全球PNT領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。美國(guó)可以通過(guò)實(shí)施以下行動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一愿景：

（1）通過(guò)制定和遵守相關(guān)政策法規(guī)，在資金承諾、績(jī)效、提前變更通知等方面建立國(guó)內(nèi)和國(guó)際信譽(yù)，從而實(shí)現(xiàn)商業(yè)部門(mén)創(chuàng)新，推進(jìn)政府PNT能力建設(shè)；

（2）實(shí)現(xiàn)PNT能力信息共享，通過(guò)在整個(gè)范圍內(nèi)的PNT活動(dòng)促進(jìn)機(jī)構(gòu)間合作，并與國(guó)家目標(biāo)保持一致；

（3）最大限度地將技術(shù)應(yīng)用到軍事、民用、商業(yè)系統(tǒng)，整合可用信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)有保證的、更高性能的PNT解決方案；

（4）全面制定和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐，同時(shí)鼓勵(lì)其他國(guó)家采用美國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐[8]。

2.3 三種PNT體系結(jié)構(gòu)

美國(guó)國(guó)防部和許多民用機(jī)構(gòu)為PNT體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)提供人力，該團(tuán)隊(duì)執(zhí)行結(jié)構(gòu)化流程，以識(shí)別和描述三種PNT體系結(jié)構(gòu)：

2.3.1 演化體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)當(dāng)前規(guī)劃以及預(yù)期的支持技術(shù)進(jìn)步，描述未來(lái)能力的演進(jìn)基線（Evolution Baseline，EBL），經(jīng)相關(guān)研究與分析，體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)確定EBL不能滿足所有未來(lái)PNT能力需求。

2.3.2 原樣體系結(jié)構(gòu)

原樣PNT體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)前事實(shí)上的體系結(jié)構(gòu)，由外部提供的自主PNT源以及PNT增強(qiáng)組成，這些PNT增強(qiáng)為在空間、空中、陸地和海洋環(huán)境中運(yùn)行的各種民用和軍用用戶提供PNT。PNT服務(wù)是由大量支持PNT能力的基礎(chǔ)設(shè)施在面臨頻譜、天氣、財(cái)政和地緣政治挑戰(zhàn)的環(huán)境中提供的。

原樣PNT體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是廣泛使用GPS、政府提供GPS增強(qiáng)、盈利商業(yè)GPS增強(qiáng)以及提供PNT服務(wù)的非天基系統(tǒng)。在過(guò)去幾十年中，技術(shù)發(fā)展極大地提高了PNT能力。但美國(guó)政府認(rèn)為，由于原樣PNT體系結(jié)構(gòu)沒(méi)有完全解決這些能力差距，因此未來(lái)發(fā)展的能力差距將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。

2.3.3 目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)是通過(guò)促進(jìn)最大公用數(shù)策略來(lái)增強(qiáng)美國(guó)在全球PNT中的領(lǐng)導(dǎo)地位，在這一策略中，許多用戶的核心需求不是通過(guò)眾多單獨(dú)定制的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)共同可用的解決方案得到有效滿足。原樣體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖2所示，如果現(xiàn)在不采取行動(dòng)來(lái)改進(jìn)未來(lái)能力，則表示將按照未來(lái)PNT能力的演進(jìn)基線體系結(jié)構(gòu)發(fā)展。

圖2 原樣體系結(jié)構(gòu)、演化體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)[2]

2.4 戰(zhàn)略

總體的實(shí)施戰(zhàn)略，一是要進(jìn)行重點(diǎn)和協(xié)調(diào)的增量投資；二是要系統(tǒng)地改變PNT能力以及基礎(chǔ)設(shè)施，從而消除能力差距，提高采辦和運(yùn)營(yíng)效率。完善PNT用戶設(shè)備、技術(shù)、管理結(jié)構(gòu)，制定符合美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略和原則的政策，PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施需要協(xié)調(diào)研究、開(kāi)發(fā)、測(cè)試和評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)保持美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

PNT體系結(jié)構(gòu)的實(shí)施是一項(xiàng)跨機(jī)構(gòu)行動(dòng)，由解決PNT體系結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略和原則的過(guò)渡元素組成。PNT體系結(jié)構(gòu)過(guò)渡元素是必要的、短期的、可執(zhí)行的任務(wù)，必須由機(jī)構(gòu)間合作實(shí)施，從而實(shí)現(xiàn)將當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)過(guò)渡到2025年的發(fā)展中的、更具能力的目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)。確定近期開(kāi)始的過(guò)渡要素，以便利益相關(guān)者組織制定詳細(xì)規(guī)劃，更加廣泛地描述中期到長(zhǎng)期開(kāi)始的任務(wù)。該計(jì)劃考慮到以前版本的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并為了能更好地反映PNT環(huán)境的變化，大約每?jī)赡旮乱淮蝃11]。

3 目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)以及基本原則

3.1 目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)

近些年來(lái)，美軍定位技術(shù)嚴(yán)重依賴GPS，而騷擾、欺騙以及其他形式干擾的發(fā)生頻度和嚴(yán)重程度都在日益增加，導(dǎo)致戰(zhàn)車(chē)和軍用載體的GPS工作性能降低，這會(huì)給軍隊(duì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)意識(shí)到了GPS的脆弱性，并開(kāi)始重點(diǎn)研究PNT的補(bǔ)充來(lái)源，從而提高對(duì)安全至關(guān)重要的運(yùn)輸應(yīng)用的適應(yīng)性。美國(guó)還協(xié)調(diào)開(kāi)展新技術(shù)的研究工作，旨在解決PNT在各種運(yùn)輸環(huán)境下對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)等新興應(yīng)用的需求。

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)不斷發(fā)展的框架，包含許多獨(dú)立但相互關(guān)聯(lián)的計(jì)劃、系統(tǒng)能力、標(biāo)準(zhǔn)和政策。目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)是使PNT發(fā)展走上一條能夠?qū)崿F(xiàn)更可靠的未來(lái)PNT能力的道路，該結(jié)構(gòu)符合美國(guó)在全球PNT中的領(lǐng)導(dǎo)地位的愿景，重點(diǎn)關(guān)注優(yōu)先任務(wù)，并提供了一種分時(shí)間段的方法來(lái)支持體系結(jié)構(gòu)建議的實(shí)施。美國(guó)敦促PNT利益相關(guān)方做出堅(jiān)定和持續(xù)的承諾，在其職責(zé)范圍內(nèi)完成任務(wù)。在各部門(mén)和機(jī)構(gòu)內(nèi)部、各部門(mén)和機(jī)構(gòu)之間積極協(xié)調(diào)地實(shí)施該計(jì)劃，將有助于實(shí)現(xiàn)美國(guó)更可靠的PNT能力。

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)主要滿足了以下需求：

（1）在有物理障礙的環(huán)境中有可靠的實(shí)時(shí)PNT；

（2）在電磁干擾環(huán)境中有可靠的實(shí)時(shí)PNT（包括欺騙、干擾期間的操作）；

（3）更高的準(zhǔn)確性和完整性（尤其是對(duì)于未來(lái)的公路和鐵路應(yīng)用）；

（4）當(dāng)PNT信息降級(jí)或產(chǎn)生誤導(dǎo)時(shí)及時(shí)通知（尤其是對(duì)于生命安全應(yīng)用而言）；

（5）獲取高空/空間位置和方向（包括實(shí)時(shí)高精度位置和方向信息）；

（6）用戶可以訪問(wèn)及時(shí)的地理空間信息；

（7）在障礙條件下實(shí)現(xiàn)PNT建模功能以及在城市環(huán)境中預(yù)測(cè)影響的功能。

3.2 策略及基本原則

《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》通過(guò)實(shí)施最大公用數(shù)策略，為美國(guó)在全球PNT中的領(lǐng)導(dǎo)地位提供了結(jié)構(gòu)愿景。在該策略中，許多用戶的核心需求并非是通過(guò)眾多的、單獨(dú)定制的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)外部提供的、通用的解決方案得到有效滿足。美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)原則描述了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的路徑，如圖3所示，包括美國(guó)在PNT中角色的總體愿景、實(shí)現(xiàn)愿景的結(jié)構(gòu)策略和支持實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)策略的完整指導(dǎo)原則[8]。

圖3 PNT體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)原則

3.2.1 最大公用數(shù)策略

實(shí)施最大公用數(shù)策略的緊迫任務(wù)包括：

（1）根據(jù)定期更新的計(jì)劃實(shí)現(xiàn)GPS現(xiàn)代化，在新信號(hào)和PNT能力完全投入使用之前，將新信號(hào)和PNT能力納入GPS性能標(biāo)準(zhǔn)；

（2）梳理PNT信息來(lái)源監(jiān)測(cè)能力的現(xiàn)狀、未來(lái)需求和不足（包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、最佳監(jiān)測(cè)實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)），從而確定PNT監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)；

（3）建立通用方法，確定符合法定責(zé)任的流程，從而保證特定應(yīng)用的高精度導(dǎo)航解決方案所需的PNT完整性水平；

（4）制定研究計(jì)劃，審查PNT出口管制制度是否適合解決自主系統(tǒng)和集成技術(shù)問(wèn)題，并將結(jié)果提交給美國(guó)國(guó)防部PNT工作組；

（5）制定PNT監(jiān)控系統(tǒng)能力的評(píng)估框架，促進(jìn)用戶設(shè)備改進(jìn)、開(kāi)發(fā)和使用。

實(shí)施最大公用數(shù)策略將PNT用戶和提供商結(jié)合為強(qiáng)大的PNT服務(wù)，彌補(bǔ)PNT差距和不足?，F(xiàn)代化的GPS信號(hào)有助于在受阻礙的環(huán)境中使用，并反映在更新的GPS性能標(biāo)準(zhǔn)中，從而實(shí)現(xiàn)允許用戶應(yīng)用[12]。

同時(shí)也需要對(duì)PNT信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)。如果計(jì)劃使用一個(gè)信號(hào)，就應(yīng)該監(jiān)控它的性能，并適當(dāng)?shù)叵蛴脩魝鬟f該信息，這樣有助于解決在提供降級(jí)或誤導(dǎo)信息通知能力方面的差距。PNT錯(cuò)誤會(huì)影響生命安全相關(guān)應(yīng)用以及嚴(yán)重依賴可靠數(shù)據(jù)的軍事行動(dòng)，GPS的現(xiàn)代化最終將實(shí)現(xiàn)完整性改進(jìn)，降低PNT錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。為了支持新出現(xiàn)的PNT應(yīng)用，需要對(duì)提供高精度和完整性的解決方案進(jìn)行協(xié)調(diào)研究，促進(jìn)用戶設(shè)備改進(jìn)、開(kāi)發(fā)和使用，這將實(shí)現(xiàn)用戶可以在受阻礙的環(huán)境中運(yùn)行，并在PNT信息降級(jí)或誤導(dǎo)時(shí)接收通知。

3.2.2 四項(xiàng)指導(dǎo)原則

四項(xiàng)指導(dǎo)原則分別是：多重現(xiàn)象學(xué)、可互換解決方案、PNT與通信的協(xié)同作用、合作型組織結(jié)構(gòu)。

（1）多重現(xiàn)象學(xué)

多重現(xiàn)象學(xué)，即利用多導(dǎo)航源建立PNT系統(tǒng)，是指各種物理現(xiàn)象，如射頻、慣性傳感器和場(chǎng)景映射，以及使用這些物理現(xiàn)象的多種導(dǎo)航源，向用戶提供可互換的解決方案。它還解決了在合并國(guó)外數(shù)據(jù)源相關(guān)的問(wèn)題，并將地面、空中、天基和內(nèi)部數(shù)據(jù)源混合為一個(gè)解決方案。美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)提倡使用多導(dǎo)航源建立PNT系統(tǒng)，來(lái)確?？煽啃訹8]。

實(shí)施多重現(xiàn)象學(xué)原則的必要任務(wù)是：識(shí)別當(dāng)前的用戶基本設(shè)施，確定使用偽衛(wèi)星和信標(biāo)的效率，并制定適當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)概念和通信計(jì)劃；梳理空間頻率標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)性能參數(shù)的演變，研究當(dāng)前和未來(lái)的PNT能力，并適當(dāng)開(kāi)發(fā)；制定支持用戶基本設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，使用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)算法，并符合國(guó)際公認(rèn)的參考框架。

（2）可互換解決方案

可互換解決方案是指將來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的信號(hào)組合成單個(gè)PNT解決方案的能力，以及在主源不可用時(shí)從替代源提供解決方案的能力。美國(guó)在國(guó)際論壇上發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，建立清晰、合理的解決方案標(biāo)準(zhǔn)，以便高效、有效地利用各種PNT數(shù)據(jù)源。美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)的實(shí)施可以提供所需的靈活、及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的PNT解決方案，滿足用戶需求。

可互換解決方案能夠使用戶充分利用來(lái)自多個(gè)導(dǎo)航源的數(shù)據(jù)，從而克服PNT能力中現(xiàn)有和未來(lái)的差距和不足。通過(guò)各種論壇和行業(yè)活動(dòng)，制定準(zhǔn)確和兼容的參考框架以及總體美國(guó)PNT標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)PNT互操作性，實(shí)現(xiàn)在受阻礙的環(huán)境中使用附加信號(hào)的可用性、完整性和一致性檢查。適當(dāng)?shù)男畔⒈ＷC、信息交換和性能標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)允許來(lái)自多個(gè)導(dǎo)航源的PNT信號(hào)在集成PNT用戶設(shè)備中互換組合。除此之外，通用網(wǎng)格參考系統(tǒng)提高了互操作性，最大限度地減少了操作混亂，并降低了定位錯(cuò)誤可能導(dǎo)致關(guān)鍵目標(biāo)失敗的風(fēng)險(xiǎn)[13]。

（3）PNT與通信的協(xié)同作用

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)通過(guò)承載PNT輔助和增強(qiáng)數(shù)據(jù)來(lái)支持PNT能力。利用用戶日益增加的通信網(wǎng)絡(luò)連通性作為PNT來(lái)源，是將PNT問(wèn)題確定為PNT通信解決方案的潛在候選。在啟動(dòng)新系統(tǒng)和用戶設(shè)備相關(guān)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之前，需要對(duì)具體標(biāo)準(zhǔn)和解決方案進(jìn)行進(jìn)一步研究、評(píng)估和分析，從而幫助用戶確定通信PNT融合解決方案的合適位置。例如，用戶可以通過(guò)提供額外可靠的PNT數(shù)據(jù)源來(lái)克服電磁或物理阻抗，還可以幫助地球軌道以外的導(dǎo)航，為降級(jí)信息的通知提供通信路徑，傳遞地理空間信息。

（4）合作型組織結(jié)構(gòu)

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)需要機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)與合作，從而確保PNT企業(yè)內(nèi)的信息共享達(dá)到更高水平。建立協(xié)調(diào)流程，確保有效運(yùn)作、高效獲取以及相關(guān)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。加強(qiáng)建設(shè)企業(yè)級(jí)PNT建模和仿真能力，支持后續(xù)的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)工作[14]。

開(kāi)展美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)相關(guān)活動(dòng)，可以促進(jìn)機(jī)構(gòu)合作和信息共享，對(duì)于審查和評(píng)估體系結(jié)構(gòu)目標(biāo)的進(jìn)展和成效非常重要。美國(guó)PNT活動(dòng)中心將把工作重點(diǎn)放在PNT相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)上，同時(shí)確保PNT項(xiàng)目辦公室了解替代技術(shù)的性能和成本。此外，體系結(jié)構(gòu)建議開(kāi)發(fā)企業(yè)級(jí)PNT建模和仿真。實(shí)施合作型組織結(jié)構(gòu)原則所需的、可執(zhí)行的任務(wù)包括：繼續(xù)協(xié)調(diào)改善國(guó)家PNT、維護(hù)和完善美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃、開(kāi)發(fā)企業(yè)級(jí)建模與仿真框架、協(xié)助PNT活動(dòng)中心開(kāi)展相關(guān)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

PNT是國(guó)家安全、基礎(chǔ)設(shè)施和繁榮的組成部分，協(xié)調(diào)的PNT體系結(jié)構(gòu)可以更好地協(xié)調(diào)研究工作、建立明確的開(kāi)發(fā)路徑、減少潛在的浪費(fèi)性采購(gòu)、資源的高效利用。本文在梳理美國(guó)PNT整體規(guī)劃文件成果的基礎(chǔ)上，分析概括了美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)的研究背景、愿景和戰(zhàn)略，描述了演化體系結(jié)構(gòu)、原樣體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)三種PNT體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)視圖、策略和指導(dǎo)原則，可為我國(guó)的國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究和建設(shè)提供重要參考。

[1] Office N. National Positioning, Navigation, and Timing Architecture Study Final Report[J]. 2008.

[2] Shan Y, Bangaru S S, Li J Q, et al. National Positioning, Navigation, and Timing Architecture Study Executive Summary[J]. 2008.

[3] Dyke K V, Vicario J, Hothem L. National Positioning, Navigation, and Timing Architecture Study[J]. AGU Fall Meeting Abstracts, 2007.

[4] AIAA. National Positioning, Navigation, and Timing Architecture-AIAA SPACE 2008 Conference & Exposition(AIAA)[J]. 2000.

[5] 薛連莉，尹曉桐，沈玉芃，等. 美國(guó)《國(guó)防部定位、導(dǎo)航與授時(shí)體系戰(zhàn)略》報(bào)告解析[J]. 飛航導(dǎo)彈，2020（04）：82-89.

[6] 席歡. 美國(guó)國(guó)土安全部發(fā)布PNT備份能力報(bào)告[J]. 全球定位系統(tǒng)，2020，45（3）：27.

[7] 劉鈍，甄衛(wèi)民，張風(fēng)國(guó)，等. PNT系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與PNT新技術(shù)發(fā)展研究[J]. 全球定位系統(tǒng)，2015，40（2）：48-52.

[8] 張風(fēng)國(guó)，張紅波，甄衛(wèi)民. PNT體系結(jié)構(gòu)之PNT與通信的融合研究[J]. 全球定位系統(tǒng)，2014，39（1）：19-22+33.

[9] 郭麗紅，李洲. 美國(guó)國(guó)家星基定位、導(dǎo)航與授時(shí)概況[J]. 國(guó)際太空，2013（04）：50-52.

[10] 張風(fēng)國(guó)，張紅波. 美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)研究方法[J]. 全球定位系統(tǒng)，2016，41（1）：24-31.

[11] 王杰華，吳文. 國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)政策進(jìn)展研究[J]. 中國(guó)測(cè)繪，2011（02）：34-39.

[12] 張紅波，張風(fēng)國(guó)，甄衛(wèi)民. 美國(guó)國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型計(jì)劃概況[J]. 全球定位系統(tǒng)，2013，38（2）：82-85.

[13] 葛悅濤，薛連莉，李婕敏. 美國(guó)陸軍PNT能力發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 導(dǎo)航定位與授時(shí)，2019，6（2）：12-18.

[14] 熊雯，韓超，劉鈍，等. 美國(guó)PTA計(jì)劃及其對(duì)我國(guó)PNT體系建設(shè)的啟發(fā)[A]. 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室學(xué)術(shù)交流中心. 第七屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 ——S11 PNT體系與導(dǎo)航技術(shù)[C]. 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室學(xué)術(shù)交流中心：中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì)，2016：7.

Research on Overall Planning and Architecture of PNT in the United States

LIU Dongliang, LU Jing, LIN Haibo, GAO Yang, WANG Yalong

On the basis of combing the results of the overall PNT planning document of the United States, the research background, vision and strategy of the PNT architecture of the United States is analyzed and summarized, three PNT architectures: evolutionary architecture, original architecture and target architecture is described, and the view, strategy and guiding principles of the target PNT architecture is focused on, It can provide an important reference for the research and construction of national PNT architecture in China.

PNT; Architecture; Navigation; Location; Time Service

TN910.0

A

1674-7976-(2021)-06-424-06

2021-10-20。

劉棟梁（1993.12—），河北保定人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱骺傮w、衛(wèi)星導(dǎo)航等方面的標(biāo)準(zhǔn)化。