美國國家PNT體系與PNT新技術發展

●文｜北京空間科技信息研究所　劉春保

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美國國家PNT體系與PNT新技術發展

●文｜北京空間科技信息研究所劉春保

一、引言

隨著GPS系統與應用的發展，GPS系統與其提供的全天時、全天候的高精度定位、導航和授時（PNT）服務能力已經成為美國重要的空間信息基礎設施與最重要的使能能力，由衛星導航應用催生的衛星導航應用產業也與互聯網、移動通信共同成為21世紀信息技術領域發展的三大支柱產業。

隨著GPS應用的不斷普及與深入，美國的國家安全、經濟發展、國家基礎設施高效穩定地運行與民眾的日常生活越來越多地依賴GPS系統提供的高精度定位導航與授時服務。然而，固有的脆弱性與局限性使美國賴以支撐其高精度定位導航與授時服務的GPS系統不能全方位地滿足國家安全、經濟發展、國家基礎設施高效穩定地運行與民眾的日常生活的PNT需求，使美國高精度PNT服務的可用性、可靠性面臨著的潛在威脅。

如何解決GPS系統提供的高精度定位導航授時服務面臨的問題，建立滿足國家安全、經濟發展、國家基礎設施高效穩定運行和民眾日常生活需求的PNT系統與能力，探索滿足用戶需求的PNT技術發展方向或發展途徑成為美國政府必須面對的重要問題。為此，美國提出的國家PNT體系的概念，以解決未來PNT系統與能力的發展問題。

二、美國國家PNT體系與執行計劃

1. 美國國家PNT體系方案

美國國家PNT體系研究采用C4ISR研究中建立的體系結構研究理論與方法，其目標是：建立并維護美國在全球PNT領域的領先能力，鞏固與維持美國在全球PNT領域的主導地位與不對稱優勢。

美國的國家PNT體系研究確立了由自主能力、服務范圍、導航源位置組成的三維研究空間；建立了由互操作性、一致性、適應性、穩健性和可維持性為核心的評價體系，以評估、判定PNT體系的完備性。

為此，美國首先開展了典型PNT體系研究與評估，并以此為基礎進行了組合PNT體系的研究與評估工作，最終給出了目標體系方案，并提出了美國國家PNT體系發展的19項建議。美國的國家PNT體系方案見圖1。

美國將GPS系統定義為美國國家PNT體系的基石，擔負著非常重要的責任。首先，GPS系統是“最大共性需求”策略踐行者，擔負著滿足大多數用戶PNT需求的責任；其次，GPS系統擔負著美國PNT體系時間與空間基準傳遞的責任，維持著美國國家PNT體系的時間與空間應用基準。第三，為其他PNT體系或用戶裝備提供初始和修正、校正信息，如慣性導航系統等。

圖1　PNT體系建議方案示意圖（2025年，用戶角度）

自主導航是解決干擾與物理遮蔽條件下PNT問題的最重要途徑，是PNT體系中提升、增強PNT能力強健性與魯棒性的重要途徑與手段。但目前的自主導航手段受累積誤差問題和用戶負擔問題（主要是質量、體積、功耗和成本）限制。以慣性系統為例，受累積誤差的影響，慣性系統不具有提供長時間、高精度PNT服務的能力，必須利用其它高精度PNT源進行校準或修正。

PNT與通信的融合是實現PNT能力無縫覆蓋的重要途徑，也是擴展PNT服務內容，實現PNT增值服務的重要途徑，是現代位置服務最重要的支撐之一。PNT與通信的融合是民用領域解決城市峽谷、建筑物內、隧道、地下設施等PNT問題最重要的途徑。

在PNT體系中，衛星導航系統提供的PNT服務具有覆蓋范圍廣、服務精度高、全天時、全天候、用戶成本低等特征。在全球導航衛星系統領域多系統共存格局即將形成的條件下，充分利用衛星導航系統資源（包括天基增強系統）即可有效地提升用戶的PNT體驗，又可提升用戶PNT服務的可用性、穩健性，應予以足夠的重視。

2.美國國家PNT體系執行計劃

2010年4月，美國國防部與運輸部聯合發布了《國家定位導航與授時體系執行計劃》（以下簡稱《執行計劃》），全面接受、采納了美國《國家定位導航與授時體系研究》的建議與成果，制定了轉型規劃，確定了PNT相關各部門在實施國家定位導航與授時體系建議時的行為與職責。

《執行計劃》中涉及的機構或部門多達31個，其中負責網絡與信息集成的國防部副部長辦公室、運輸部研究與創新技術局成為職責最多的部門，在美國國家PNT體系發展的19項建議中分別成為10項與7項建議實施的主要責任部門。

根據《PNT聯合能力文件》、《聯邦無線電導航規劃》等文件，美國的PNT能力差距主要包括：

① 物理遮蔽環境下安全、可靠、實時的PNT能力；

② 電磁干擾環境下安全、可靠、實時的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用的需求；

④ 當PNT信號變差或出現誤導時的及時預警、報警能力；

⑤ 高空或空間定位和定向能力；

⑥ 用戶及時地接入地理空間信息，以成功地進行導航的能力；

⑦ 確定遮蔽條件對PNT影響的建模能力，以及預測城市環境影響的能力。

上述問題成為PNT體系建設中需要優先解決的問題。

按發展策略和支撐要素，《執行計劃》指導確定了發展路線圖，以指導美國國家PNT體系的發展，見圖2至圖6。

圖2　實現“最大共性需求”策略的路線圖

圖3　更好地利用PNT多現象學要素的發展路線

圖4　促進可互換解決方案的路線圖

圖5　實現PNT與通信協同發展路線圖

圖6　改善合作型組織結構路線圖

三、美國國家PNT體系最新進展

在美國國家PNT體系執行計劃的指導下，美國軍方與民用部門均在研究、規劃滿足未來需求的PNT系統與技術的發展。目前，美國軍方與民用部門一致將研究、發展的重點放在了未來發展規劃和物理遮蔽與干擾條件下的PNT服務能力問題。

1. 軍事PNT能力

2010年，美國國防部與運輸部聯合發布《國家PNT體系執行計劃》后，美國軍方即開始著手分析、研究當前的能力缺口、未來的PNT需求，制訂發展路線。下面以美國陸軍為例，探討美國軍事PNT能力的發展。

《國家PNT體系執行計劃》發布后，美國陸軍首先出臺了《PNT核心能力需求》文件，明確了美國陸軍的PNT核心能力需求；2013年又發布了《戰術可靠的GPS區域性能力替代方案分析》報告，明確了美國陸軍戰術環境下的PNT能力需求，以及滿足上述需求的潛在技術和解決方案。在此基礎上，美國陸軍確定了從當前孤立的PNT，向組合PNT、融合PNT，最終發展為網絡化PNT的發展路線圖，見圖7。

圖7　美國陸軍PNT能力發展路線圖

美國陸軍未來的PNT能力體系以GPS系統及服務為核心與基礎，以GPS現代化計劃中的M碼軍用信號、星上信息功率可調、點波束增強和抗干擾抗欺騙等新信號、新功能為依托，以自主導航和各種可用導航信息源為補充，以組合、融合、網絡化為方法或途徑，構建滿足未來陸軍作戰需求的PNT能力。

從美國陸軍PNT能力發展路線圖可以看出，未來美國陸軍將以深度融合與導航戰能力為主線，構建通信、導航、指揮、信息一體化的網絡化PNT能力，這種能力是以基礎PNT能力、技術與融合方法或技術為保證，網絡（各類數據鏈、戰術網絡、WiFi等信息技術手段）和用戶裝備則是實現上述目標的平臺。

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

美國法典規定：除非國防部長批準，2017財年后美國軍方將不能采購不具備M碼功能的GPS接收機。為此，2013年美國啟動了新一代軍用GPS用戶設備（MGUE）的研制工作，2013～2015年的總投入已經接近4.5億美元。MGUE的重點包含兩個方面，其一是研發2種基于軍用信號（特別是M碼信號）的導航芯片，以滿足地面、航空和海上的軍事需求，并以此為基礎研發滿足陸、海、空軍需求的軍用導航裝備。

同時，解決無法使用衛星導航服務條件下的高精度PNT能力問題已經成為美國軍方PNT技術研發的重點。為此，在DARPA的主導下，美國軍方已經啟動了多個基于自主導航研發計劃和項目，以確保美軍在不能使用GPS服務條件下的高精度PNT能力。DARPA主導的研發項目如下：

微PNT計劃（Micro-PNT）：以微機電、微電子技術為基礎，發展輕重量、小體積、低功耗、低成本、高精度、自校準的慣性導航和芯片級原子鐘等PNT核心組件。該計劃下設立了多個項目，參與機構40余家。主要項目包括芯片級原子鐘（CSAC）、集成微型主原子鐘技術（IMPACT）、導航級集成微型陀螺儀（NGIMG）、微型慣性導航技術（MINT）、系留信息微型自動旋轉平臺（ITMARS）和芯片級組合式原子導航（C-SCAN）等。

全源導航計劃（ASPN）：DARPA針對未來作戰需求提出的面向GPS拒止環境提供高精度定位導航與授時先進定位導航與授時技術研究計劃。其關鍵技術包括：多敏感器導航濾波算法（即融合算法）、導航體系架構與多敏感器融合技術，使導航系統支持慣性測量單元（IMU）等導航傳感器/敏感器的即插即用，為軍用用戶提供任意作戰平臺和任何環境下的低成本、強健無縫的定位、導航與授時解決方案。

自適應導航系統（ANS）：項目的重點是研發新的算法和體系架構，實現多平臺PNT傳感器的即插即用。該項目以DARPA和微PNT、冷原子慣性技術和全源導航項目為基礎，目標是發展在不能使用GPS服務的環境下，可提供高精度、高可靠的PNT服務的應用級產品。其主要技術領域包括：對外部數據需求較少、精度更高的慣性測量裝置；利用非GPS信號源的PNT傳感器；依據任務與環境變化，利用不同傳感器、支持即插即用的新算法和體系架構。

量子輔助感知與讀出（QuASAR）：以當前相關技術為基礎，研發新一代磁場、力學和時間量子傳感器，服務于美國國家安全，重點是生物成像、慣性導航和計時守時等領域。主要技術領域包括：納米級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和測力計；穩定度接近10-17/天的便攜式時鐘。

超快激光科學與工程（PULSE）：發展生成與控制超快光脈沖的技術，用于提高原子鐘的精度，降低尺寸，實現更高精度的遠距離時間與頻率同步。該項目于2012年啟動，計劃利用5年的時間完成項目開發，并完成作戰環境下相關能力的全面演示。

對抗環境下空間、時間與方位信息（STOIC）：該項目旨在發展與GPS系統性能相近、且不依賴GPS系統的高精度PNT能力。該項目計劃以通信能力、高穩定戰術時鐘、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、隨機信號等PNT源，實現對抗環境下的高精度PNT能力。2015年9月，DARPA將該項目的研發合同授予了羅克威爾·科林斯公司，計劃利用4年的時間完成項目的研發與演示驗證。

綜上所述，美軍未來PNT能力的發展將以GPS系統為基礎，以自主導航、通信與PNT融合為途徑，滿足未來對抗條件下的軍事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，美國仍將以GPS系統為首選方案，并利用天基（WAAS）和地基（國家差分GPS、全球差分GPS等）增強系統提升服務的性能與可用性。

隨著GPS現代化計劃的推進，美國民用PNT服務的能力將不斷增強。在原有L1頻段C/A碼信號的基礎上，GPS現代化計劃規劃了3個新的民用信號，分別為L2C、L5和L1C，使GPS系統民用信號達到4個，有利于實現雙頻導航，提升服務性能。目前，GPS系統星座中可播發L2C民用信號的衛星已經達到19顆，可播發L5民用信號的衛星達到12顆，計劃于2017年使L2C和L5民用信號投入服務，而L1C信號投入服務的時間可能要推遲至2025年左右。

在《國家PNT體系執行計劃》的指導下，美國民用PNT管理部門已經完成了美國民用PNT能力的全面評估。評估結果表明：由于GPS系統固有的脆弱性和日益嚴峻的干擾問題，部署或建立GPS備份系統。目前，美國運輸部、國土安全部等民用PNT管理部門已經初步選定以e-LORAN（增強型羅蘭）作為GPS的備份系統，正在開展進一步的研究與評估工作。

e-LORAN系統的服務范圍最大可超過10000km，有利于降低GPS備份系統的部署費用，這是選擇e-LORAN作為GPS備份系統的重要原因之一。同時，由于e-LORAN系統基本不受太陽風暴、以及GPS信號干擾的影響，這是第二個原因。與衛星導航系統相比，e-LORAN系統的定位精度存在一定差距（8～20m），但其可用性、完好性和連續性等均具有較高的水平。因而美國軍方也在研究利用e-LORAN系統作為GPS系統軍事PNT能力的備份問題。除美國外，英國等部分歐洲國家已經確定以e-LORAN系統作為衛星導航服務的備份能力，以提升其民用PNT服務的魯棒性。

同時，PNT與通信的融合已經成為民用PNT領域的研究熱點。目前研究主要集中在解決城市峽谷、室內、地下等區域的定位導航與位置相關信息服務問題。

四、結束語

隨著美國《國家PNT體系執行計劃》的不斷推進，目前已經初步完成了對現有系統、能力和未來需求的評估工作，轉入國家PNT體系建設的實質性階段。美國軍方已經理清、確定了軍事PNT能力發展的脈絡與途徑，構建對抗環境下的PNT能力，全面啟動了未來軍事PNT能力關鍵技術的研發活動，確定了建設網絡化PNT能力的發展目標。美國民用PNT管理部門也確定了以GPS現代化為核心，以備份、補充系統為輔助的民用PNT能力發展路線。

參考文獻

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