美國PTA計劃分析

● 文|中國電子科技集團公司第二十二研究所 劉鈍 吳健 甄衛民

美國PTA計劃分析

● 文|中國電子科技集團公司第二十二研究所 劉鈍 吳健 甄衛民

作為國家基礎信息系統，GNSS的重要性不斷凸現。電磁環境對GNSS的影響為國家定位、導航和授時（PNT）體系結構的實現提出了更高的要求。作為美國PNT體系結構建設的最新發展，PTA計劃進一步從法律法規、技術、系統建設等不同角度給出了PNT系統的發展建議。本文全面分析了美國PTA計劃，深入分析了PTA產生的背景，并從PNT體系結構建設的角度分析了PTA計劃的優勢與不足。

2014年11月，在捷克布拉格召開的全球衛星導航系統國際委員會（ICG）第九屆大會期間，PNT咨詢委員會的Bradford Parkinson教授作了題為“確保PNT：美國PNT咨詢委員會的一項‘保護、強化和增強GNSS（PTA）’方案及有關建議”的主旨演講。其目的是為了減少日益增多的GNSS干擾對衛星導航系統PNT服務帶來的影響，確保GPS作為PNT的核心地位。在2015年11月美國國家PNT會議中，Bradford Parkinson教授進一步提出，美國在2017年前的一項重要工作就是推動PTA計劃的實施。

在此之前，美國曾在2008年發布了《國家PNT體系結構研究》報告（以下簡稱《體系報告》），并在2010年發布了《國家PNT體系結構實施計劃》（以下簡稱《實施報告》），更早些時候，美國在2004年發布了新的GPS政策，并提出天基PNT概念。如何認識美國發布的這些政策、計劃？它們之間的有機聯系是什么？認清這些問題對于我國目前正在開展的北斗系統建設及未來發展具有重要意義。

一、美國PTA計劃介紹

1.PTA計劃提出的原因

隨著GNSS在軍民領域的深入應用，其安全性也受到了廣泛的關注，其中日益嚴重的電磁環境干擾已成為影響GNSS安全性的主要因素。ICG認為電磁環境已成為制約GNSS實現其預定功能和性能的關鍵因素。為此，ICG還給出了電磁環境干擾因素的統一定義，如圖1所示。

圖1 ICG中定義的GNSS環境干擾影響

由此可見，影響GNSS安全性的電磁環境因素可以概括為：電磁干擾因素和空間環境擾動因素。電磁干擾是指引起衛星導航系統性能降低的各種電磁干擾信號，包括非故意干擾與人為故意干擾；空間環境擾動是指影響衛星信號傳播環境要素的總稱，主要指電離層擾動對衛星導航系統的影響。

發生在2010年初的紐瓦克自由國際機場事件證明了民用GPS基礎設施對干擾影響的脆弱性。由于未知射頻源的影響，機場內部提供精密進近服務的GPS地基增強系統多次出現故障。通過數月調查，“兇手”為一個隨處可見的，用車載點煙器即可供電的廉價GPS干擾器。

在美國，影響較大的另一個事件是光平方（LightSquared）系統對GPS造成影響，原因是LightSquared占用的頻譜和GPS接收機接收信號的頻譜發生了混疊。對這個事件的研究結果直接導致北京時間2012年2月15日，美國聯邦通訊委員會（FCC）否決了LightSquared提出建設全國性4G-LTE網絡的提議。

南美地區是電離層擾動影響高發區，嚴重的擾動影響一度限制了WAAS系統向南美地區的擴展應用。Galileo系統建設同時，歐洲與巴西等國家聯合開展了針對南美地區電離層擾動影響研究的CIGALA項目，旨在提高Galileo系統的全球性能。

針對GNSS系統的電磁環境干擾問題，美國PNT咨詢委員會一方面發起GPS應用價值研究，對關鍵基礎設施中的PNT應用影響情況進行正式的威脅評估，以提高用戶對GPS系統重要性及其脆弱性的認識。另一方面，美國PNT咨詢委員會建議實施PTA計劃，以滿足用戶對PNT服務的需求。

2.美國PTA計劃主要內容

美國開展PTA計劃的目的是為了確保GPS PNT的可用性，它的實施包含三方面的內容：保護（Protect）、強化（Toughen）和增強（Augment）。

（1）保護

保護是指保護GPS系統和信號，以便用戶能夠接收到真實可用的GPS信號。此外，干擾檢測與削弱也是保護的核心內容。對GPS系統和信號的保護包含兩個方面的內容：

1）加強立法，對GPS頻譜進行保護，打擊非法GPS干擾器

目前在GPS的頻段內有多種業務共存，這些同頻業務與GPS之間的兼容性就成為影響GPS信號可靠性的最重要因素之一。此外，隨著新型GNSS信號的面世，GPS頻段內將變得更為擁擠。由于這些新型GNSS信號的頻譜更寬，它們之間以及它們與鄰近頻段信號的兼容性也必將成為一個潛在的問題。

GNSS非法干擾器也是頻譜保護工作的一個巨大威脅。這也迫切需要各國政府嚴格立法禁止生產、銷售、使用、出口和擁有GPS干擾器。

為此，早在2012年1月13日，美國國家天基PNT執行委員會的聯合主席就曾建議國家電信和信息管理部門（NTIA）起草新的GPS頻譜干擾標準。新標準規劃了未來GPS信號鄰近頻段內地面、商業應用的無線電頻譜，并確保這些應用在實施過程中不會對現有的，關系到經濟、公共安全、科研和國家安全需要的天基PNT服務造成影響。

2）建設干擾檢測與削弱系統

建立干擾檢測與削弱系統是保護GPS信號和系統的一個最重要的舉措。干擾檢測與削弱系統數據中心的建立標志著干擾檢測與削弱系統的初步建成。美國的干擾檢測與削弱系統由美國國土安全部（DHS）負責，其下屬的海岸警衛隊負責的民用系統是干擾檢測與削弱系統的核心系統，它能接收來自全球的GPS異常報告，并能實現對GPS干擾進行快速檢測、定位、上報和歸類的能力。

干擾發生前開展的三個行動步驟包括頻譜保護、立法和打擊非法GPS干擾設備等內容。干擾發生后包含四個行動步驟，總體而言就是：與通信和執法部門合作，改善干擾識別的時效性和準確性，同時在國家安全基礎設施的支持下，開發檢測、測量、定位、削弱無線電干擾的方法。

（2）強化

強化是指強化GPS接收機的能力。

在PTA計劃中，強化包含兩個方面的內容：

1）對衛星信號的強化

由于GPS衛星信號發射功率較低，載波頻率卻達到GHz的量級，使得信號在自由空間傳播時產生的損耗較大，這種信號體制造成了GPS信號易受干擾的事實。

新型GPS信號中采取了最新的信號設計，其中包括增加GPS信號發射功率、采取引導信號提高接收機跟蹤能力、采取前向糾錯控制技術以進一步降低數據解調門限、采用更大帶寬的擴頻調制信號和對信號進行加密/數字特征認證處理。其中導航信息認證（NMA）是數字特征認證的一種，它是美國PNT咨詢委員會最新關注的焦點，有助于接收機抵抗欺騙式干擾的影響。

2）強化接收機的抗干擾能力

除了對衛星信號進行強化以外，強化的另一個方面體現在強化接收機的抗干擾性能，下面列舉了部分強化接收機抗干擾性能的措施：

①對天線進行改造，如采用調零天線或者自適應抗干擾天線；②研制能夠接收多頻段/多系統GNSS信號的接收機；③在現有接收機中加入慣導裝置；④接收機欺騙干擾識別技術和信號認證技術；⑤接收機時頻干擾剔除技術；⑥接收機接收信號的完好性監測和交叉檢測技術；⑦更強壯（Robust）的接收機信號捕獲和跟蹤技術。

美國PNT咨詢委員會將強化GPS接收機抗干擾性能的行動分為兩部分：

1）針對接收機抗干擾技術或措施，開發相關工業標準（ICAO/RTCA/RTCM），如：

①GNSS與慣導組合標準；②數字波束天線標準；③多GNSS系統導航接收機標準。

2）鼓勵用戶使用強化的GPS接收機

政府部門應幫助和鼓勵生產商加速研發和提供新型GPS抗干擾接收機，特別是針對一些生命安全相關領域（民航和海事）的應用。

（3）增強

PTA計劃中的最后一個要素就是增強或者替代現有的PNT源，具體包括以下內容：

1）增強空間可用衛星的密度和多樣性

使用多GNSS系統接收機可以通過接收多頻段和多系統衛星信號來減少被干擾的可能性，同時還可以通過增加接收衛星的數量來提升服務性能。同時，利用多個星座的衛星可以滿足用戶對完好性的需求。如果需要接收其他GNSS星座的衛星信號，還需要在不同系統間開展兼容性、互操作性以及互換性三個方面的合作。

2）使用互補的PNT源

在GPS PNT服務中斷的時候，可以通過借助其他輔助系統來提升GPS的服務性能。其中偽衛星、測距器和e-Loran都是非常有效的方式。

美國PNT咨詢委員會將增強GPS系統的行動分為兩部分開展：

第一部分：開展GPS信號的全球完好性監測。

①建設GPS增強系統。目前，美國和歐洲分別利用天基增強系統WAAS和EGNOS來監測GPS L1 C/A信號。建立GPS增強系統的目的是要在廣大的范圍內使GPS服務的精度、完好性、連續性和可用性達到一定的要求；②開展接收機自主完好性監測。對于接收機而言，如果GPS接收機視線范圍內同時存在6顆以上GPS衛星，可以通過接收機自主完好性監測（RAIM）技術來發現有問題的GPS衛星。這對欺騙式干擾檢測尤為有效；③借助其他網絡進行監測。GPS全球差分網絡（GDGPS）是一個獨立、實時的觀測站網，共有超過200個監測站。該網絡的主要任務之一是對GPS系統本身進行完好性監測。

第二部分：尋找GPS PNT的備份系統。

針對航空用戶而言，偽衛星、測距器和e-Loran系統都是目前較為常用的PNT源：①偽衛星通過播發與GPS類似的信號進行距離修正，但是它可能形成對GPS的潛在干擾；②現代化的測距器對航空用戶仍具有重要意義，并被FAA作為GPS系統的補充手段；③e-Loran的信號體制與GNSS完全不同，相較于GNSS而言，它更難受到干擾，因此在組合導航中，該系統尤為重要。

通過上述目前使用范圍比較廣泛的PNT輔助手段，可以在GPS服務中斷時提供與GPS相當的PNT服務。

二、美國PTA計劃的深入分析

1.PTA計劃與PNT政策的關系

無論是美國的天基PNT政策還是國家PNT體系結構研究，以及最新的PTA計劃，從根本上講，都是美國PNT政策發展與完善的過程，這個過程不僅僅體現了美國國家PNT政策的發展，更體現了美國對以GPS系統為主的PNT系統和技術深入認識的過程。通過回顧美國GPS政策的發展歷程，可以發現美國的GPS政策有如下幾個特點。

（1）美國的GPS政策制訂是一個不斷發展與完善的過程，也是對GPS系統應用不斷深入認識的過程

早在1996年，隨著GPS系統的建成和運行，美國成立GPS協調委員會推進GPS系統的應用發展，并規定由國防部和交通運輸部分別負責GPS系統的軍、民用開發。隨著俄羅斯GLONASS系統的建設，以及歐洲開始自主的Galileo系統論證，美國為了提高GPS系統在全球的地位，發布了多項旨在提高GPS系統在全球應用的總統令，如2000年的取消SA政策的總統令等。隨著歐洲Galileo系統的發展，以及我國北斗系統的建設，全球多個GNSS系統競爭的局面不可避免，美國為此在2004年發布了更新的GPS政策，其中提出了天基PNT系統概念，并進一步提出應對干擾與多GNSS系統兼容互操作等發展內容。為了更全面地規劃GPS系統的發展，應對應用中出現的問題，2006年1月美國進一步啟動了國家PNT體系結構研究，并于2008年9月發布《國家PNT體系結構研究》報告，其中明確提出了建設以GPS系統為基石的國家PNT體系，并提出了國家PNT體系建設應遵循的發展策略和發展方向，以及為實現國家PNT體系而從19個方面提出的建設建議。2010年發布的《國家PNT體系結構實施計劃》提出每兩年對國家PNT體系結構的實施情況進行評估。

由此可見，美國GPS政策的發展經歷了一個從單一GPS系統到PNT體系的發展過程，這個過程體現出美國對GPS系統應用認識不斷深入的過程。

（2）PNT體系結構研究是美國GPS政策深入發展的里程碑標志

PNT體系結構研究是美國GPS政策發展中的一個里程碑。它首次將體系結構的概念及其研究方法用于國家PNT系統的規劃建設。體系結構是“在不確定性環境下，為了完成特定使命或任務，由大量功能上相互獨立、操作上具有較強交互性的系統，在一定約束條件下，按照某種模式或方式組合而成的全新系統”。而PNT體系結構則是在GNSS系統為主的PNT技術及其應用迅速發展背景下，應用體系結構研究方法對PNT系統進行的設計分析和規劃工作，其目的是從國家層面上提出不同PNT技術領域協同發展的指導原則和發展建議，為國家政策制定、組織管理實施提供支持依據。

具體到GPS系統而言，美國首次將GPS系統提高到PNT的高度，即美國對GPS的需求本質上是一種PNT的能力需求，而GPS系統是滿足PNT能力需求的一種手段。進一步的，從PNT能力需求而言，美國需要解決在復雜電磁環境干擾、物理遮蔽環境等條件下的高精度、高可靠性（包括系統服務的可靠性，即系統的完好性）等PNT能力的實現問題。

基于上述能力需求，以及可能的解決措施（如衛星導航系統、基于地球物理參量的導航手段等），美國利用體系結構研究方法，開展了PNT體系結構研究，其目的在于規劃未來PNT能力實現所可能依賴的方法或手段，具體表現為PNT系統建設所應遵循的策略和發展方向，以及具體的發展建議。這也就是《體系報告》中提出了最佳準則，多手段PNT實現、PNT系統與通信系統的融合、具有互交換能力的解決方法等可能的發展方向，以及在此基礎上提出了19項發展建議。在這些建議中，明確提出了GPS作為PNT體系結構的基石，并強調了干擾應對、多GNSS系統兼容互操作、GNSS性能監測等多個技術問題，以及統一的PNT管理機構、PNT相關的法律法規、標準、國際合作以及基礎技術等相關內容。

（3）PTA計劃可以看作是美國PNT體系實施計劃中的一個具體實現過程

美國PNT體系結構研究中提出PNT能力需求所面臨的問題，尤其是復雜電磁環境對PNT能力實現的影響問題，以及在GPS實際應用中出現的干擾問題（如紐瓦克機場的干擾問題，以及“光平方”事件），使得美國在2010年左右開始出現了一種尋求可替代PNT（APNT）的思潮。如美國國防先進研究項目局（DARPA）提出的微PNT（Micro PNT）等概念并開展相關的研究工作；美國空軍計劃在Locata系統基礎上建立不依賴于GPS系統的下一代超高精度參考系統（UHARS）；2011年，國際民航組織（ICAO）導航系統工作組提出，考慮到GNSS系統的易受干擾性，應重新審視將衛星導航系統作為唯一導航手段的可能性，并提出利用Locata系統、eLoran系統等建立可替代PNT系統的可能性。

正是為了回應大眾對GPS作為PNT基石的質疑，美國PNT咨詢委員會提出了PTA計劃，旨在通過保護、強化和增強GPS來滿足用戶的PNT需求。

由此可以看出，無論是美國早些時候的天基PNT政策，還是國家PNT體系結構研究，以及最新提出的PTA計劃，其最終目的是實現美國國家層面上更為合理的PNT能力實現結構。其中， GPS系統（廣而言之是國家PNT系統）發展政策的制訂與實施是最終目的；為了達到這一目的，美國將體系結構方法應用于PNT系統體系研究，使得對國家PNT政策的制訂、規劃建立在更為合理可行的基礎上；PTA的提出，則是在PNT體系結構實施計劃基礎上更進一步的階段性實施計劃。

2.PTA計劃的優點與不足

從美國國家PNT政策的發展角度分析，PTA計劃具有明顯的優點，可以說PTA是國家PNT體系結構實施計劃中更具有可行性的一個前進步驟。

美國在2008年發布的《體系報告》僅給出了PNT系統的發展建議，而在2010年發布的《實施報告》也只是針對不同系統的發展建議，“每兩年進行一次PNT系統能力實現的分析，以保證國家PNT系統建設沿著既定的方向前進”。但PNT體系結構的發展建議如何具體實施并沒有給出確定性的形式。此外，《體系報告》中還指出，PNT體系結構的建設，還需要政策、法律法規、國際合作等方面的工作。這些“軟”方面的工作如何具體實現，也沒有明確的結論。

最新的PTA計劃的提出，則給出了國家PNT體系結構建設在最近一個時期內發展的具體措施。其中包括了政策、法律法規方面的考慮，如對GPS干擾的法律定義、從無線電頻譜上對GPS信號的保護等；從技術上，體現了國家PNT體系發展建議中的多項內容，如對GNSS干擾的監測與減緩、GPS系統的增強系統建設、GPS系統性能監測、多GNSS系統的兼容互操作，以及隨之而來的國際合作，等等。

但同時也需看出，與美國規劃的國家PNT體系結構相比，PTA計劃更多的集中在圍繞GPS系統開展國家PNT系統建設上。盡管PTA中也強調進行GPS系統與其他系統的組合（增強方面），但與PNT體系結構規劃中要求的“滿足復雜電磁環境、物理遮蔽環境下”的PNT能力實現而言仍具有差距。如對于水下導航等特殊應用需求，以及越來越廣泛關注的室內導航定位，就PTA規劃的技術實現途徑而言，顯然不能滿足實際應用需求。

因此，可以認為，PTA計劃是美國國家PNT體系結構實施計劃在近一個時期內的具體實現形式，它從頻譜保護、干擾檢測與應用等政策、法律法規層面和GPS強化、增強等技術層面上，提出更為細致可行的國家PNT體系結構實現途徑。但是，由于PTA計劃更多的是從GPS為基石的天基PNT體系結構實現出發考慮問題，反映了美國對于以GPS為國家PNT系統基石的爭論，因此，沒有全面反映出美國國家PNT體系結構研究中所期望的多導航手段的全面發展要求。

三、結論

PTA計劃是美國PNT咨詢委員會提出的一項保障用戶PNT需求的最新舉措。PTA計劃可以看作是美國PNT體系結構實施計劃的一個階段性實現形式。

隨著我國北斗系統的建設深入，我國應從PNT系統的高度，從體系結構的角度，開展我國的PNT體系結構研究與規劃工作，并根據我國北斗系統的建設進展，進一步提出具有可行性的階段性實施計劃。

[1]Brad Parkinson, Assured PNT for Our Future: PTA[N/OL], 2014-09-01, [2014-11-03]. http:// gpsworld.com/assured-pnt-for-our-future-pta/.

[2]Brad Parkinson, Assured PNT[C], European Navigation Conference, ENC-GNSS 2014, Rotterdam, The Netherland, April 28, 2014.

[3]Harold W. martin III, U.S. Space-Based Positioning, Navigation and Timing Policy and Program Update[C], 9th Meeting of the International Committee on GNSS, Prague, Czech Republic, November 10, 2014.

[4]National Security Space Office，National Positioning, Navigation, and Timing Architecture Study[M],September,2008.

[5]DOT US, and DOD US, National Positioning, Navigation, and Timing Architecture –Implementation Plan[M], April 2010.

[6]ITT-Advanced Engineering & Science Division, Satellite Navigation Backup Study – Final Report[M],September,2007.

[7]U.S. 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.

[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]Jeffrey Bollard, and Ian Mallett, The Need for an Alternative PNT[C], Navigation Systems Panel Working Group, Montreal, Canada, May 2011.

[10]Leo Eldredge, Alternative Positioning, Navigation and Timing (APNT) Study Update[C]//US President Positioning, Navigation and Timing (PNT) Advisory Board, November, 2011.

[11]Karen Van Dyke, National PNT Architecture Implementation[C]// FAA APNT Industry Day, May 2012.