不斷超越極限——美國PNT體系結構的目標

□ 車曉玲

美國PNT體系結構開發團隊通過評估未來國際環境和長期用戶需求與目前體系結構存在的能力差距，提出了更能完全滿足未來需求，且能填補能力差距的“目標”PNT體系結構，以及實現這一目標的指導原則及其策略和建議。

未來環境趨勢評估

體系結構開發團隊認為全球PNT的環境趨勢是：

1)PNT與國防、情報和民用部門相互集成和融合的程度將會比現在更深更廣；

2)必須開發更多、更好的能力和解決方案，解決城市峽谷和建筑物內部的應用難題；

3)無線電頻譜資源的增加將會推動更多自主PNT能力的發展，以確保獲得有保障的PNT能力；

4)人口規模、分布密度和地點的變化將會推動PNT能力的更大需求，尤其是在城市地區的大眾需求；

5)隨著PNT系統面臨的威脅(干擾、欺騙、黑客等)越來越大，且所用威脅技術日趨成熟，PNT信息完好性對所有用戶的重要性將會與日俱增。

北斗導航衛星系統示意圖

未來需求與能力差距評估

體系結構開發團隊通過對現存和演變基線PNT體系結構能力評估，確定了現存的和演變基線體系結構無法滿足的7方面未來用戶需求，從而發現并確認了如下7方面的能力差距。

1) 沒有能力在任何地點(室內、地下、水下和城市峽谷等環境)提供有保障和實時的PNT服務；

2) 沒有能力在敵意電磁環境下，包括在干擾、欺騙和敵意阻塞環境中提供有保障和實時的PNT服務；

3) 沒有能力為未來的高速公路和鐵路應用提供所需要的PNT高精度和完好性；

4) 沒有能力在PNT信息遇到衰減或易被誤解時提供及時告警，在某些應用中，如生命安全應用或是為避免附帶損害時必須在1秒內告警；

5) 沒有能力提供高高度/恒星際空間定位和定向，乃至包括實時高精度定位和定向(小于10毫角秒)信息服務；

6) 沒有能力為用戶及時提供成功導航所必需的地理空間信息；

7) 沒有能力提供充足的受阻礙環境影響的PNT建模能力，以及預測城市環境下受這種影響的能力服務。

從航空母艦上起飛的戰斗機

實現“目標”的建議

為了有效實施最大共性需求策略及其4項矢量指導原則，體系結構研發團隊提出了如下19條建議。

采取“最大共性需求”策略

美國PNT體系結構試圖通過采取“最大共性需求”策略來實現體系結構愿景目標。在這種體系結構中，用戶主要依靠外部來源的PNT信息，從而使“更多的”能力滿足用戶需求中更大的、更加“共同”的部分。根據這種思路，美國GPS的現代化對全球范圍難以計數的用戶而言，是至關重要的。GPS已經實施了現代化策略，主要通過為所有用戶提供多個頻率的信號來實現，從而消除了電離層誤差。當新的作戰能力得到演示，并且取消了“選擇可用性”措施后，將減少對外部增強系統的需求。然而，為了提供特定類型的服務和額外的測距源，或者服務專門的用戶，可能仍然需要其他的增強手段。除了使用戶依靠外部來源外，該體系結構還強調了低負荷（如，尺寸、質量、功率和成本）自主系統的大范圍使用，以克服物理和電磁方面的障礙。該體系結構也認可專門的解決方案仍將繼續存在，一是無法通過通用的方法有效提供所需能力，確保特定應用的穩健性；二是為了滿足機構調整的職責需要。最后，美國必須繼續在獲取國家安全優勢的需求與提供更強大能力的需求之間進行權衡。

1）將GPS作為國家PNT體系結構的基石來維護，確保長期穩定、安全可靠運行；

2）監測各種PNT信號，確認服務等級、觀測環境影響、探測異常，并確定信號對近實時分發的干擾；

3）隨著GPS現代化的實施，各政府機構應該逐步轉移或去除對于美國GNSS需求而言不必要、或是冗余的增強系統；

4）繼續研究開發各種分米級精度的導航定位技術及其解決方案，為生命安全應用提供具有完好性保障的高精度服務；

5）尋找一種國家層面的途徑，保護軍用定位導航授時優勢。

鼓勵利用多現象學

“多現象學”是指多種不同的現象，如射頻傳感器、慣性傳感器，以及利用那些物理現象（如多種射頻）的多種數據源和數據傳輸路徑。美國國家PNT體系結構鼓勵利用多現象學，確保更強的可用性，解決在物理和電磁受阻環境中工作的能力不足。

6）鼓勵適當開發和部署能夠對多種信息源和信息路徑進行整合的設備；

7）評估國外PNT系統用于生命安全應用和關鍵基礎設施的潛力，適時制定明確的使用標準和準則；

8）繼續執行軍用PNT專用政策，同時研究開發能使其他信號用于軍事的能力；

9） 促進PNT偽衛星及信標相關標準的制定，促進不同系統間的互換能力，避免干擾；

10） 研究天基及地基PNT能力的演進和發展，支持PNT信息源及信息路徑的多樣性；

11）確保關鍵基礎設施的精密時間和時間間隔用戶能夠接收并充分利用多種可用信號源。

可互換方案

美國國家PNT體系結構鼓勵不同方案之間的互換，以提高效率，充分利用信息源的多樣性。各種可互換方案具有一定程度的兼容性和互操作性，從而允許組合利用多種信息源，以獲得一種更有優勢的PNT方案。

12）積極參與國際PNT有關活動，以此促進多種PNT信號源之間的互換能力，同時確保兼容性；

13）修定相關標準、校準技術和參考框架，支持未來的精度和完好性需求；

14）確定并制定能滿足用戶對PNT信息進行交換、保障和保護等需求的通用標準；

15）制定能夠滿足用戶描述位置信息，用于本地和區域運行需求的通用標準。

定位導航授時與通信的配合

美國國家PNT體系結構鼓勵用戶提高與通信網絡之間的連通性，將其作為PNT的信息源，而不僅僅是PNT輔助數據和增強數據的數據傳輸通道。該矢量積極促進PNT特征與新出現的通信能力之間的融合，通過提供傳統無線電導航頻譜以外的服務而增強穩定性。

16) 確定并評估將定位導航授時與通信進行融合的方法、標準和潛在能力；

合作型組織結構

美國國家PNT體系結構將在現有組織基礎上，在適當的時候，促進建立協調過程，以促進合作和信息共享。

17）制定國家級的PNT協調程序；

18） 確定并促進建立研究PNT現象學和應用的卓越中心；

19）確定、制定、保持并管理一個PNT建模與仿真核心分析框架。

北斗導航衛星系統工作示意圖

日本準天頂衛星系統衛星