不断超越极限——美国PNT体系结构的目标

□ 车晓玲

美国PNT体系结构开发团队通过评估未来国际环境和长期用户需求与目前体系结构存在的能力差距，提出了更能完全满足未来需求，且能填补能力差距的“目标”PNT体系结构，以及实现这一目标的指导原则及其策略和建议。

未来环境趋势评估

体系结构开发团队认为全球PNT的环境趋势是：

1)PNT与国防、情报和民用部门相互集成和融合的程度将会比现在更深更广；

2)必须开发更多、更好的能力和解决方案，解决城市峡谷和建筑物内部的应用难题；

3)无线电频谱资源的增加将会推动更多自主PNT能力的发展，以确保获得有保障的PNT能力；

4)人口规模、分布密度和地点的变化将会推动PNT能力的更大需求，尤其是在城市地区的大众需求；

5)随着PNT系统面临的威胁(干扰、欺骗、黑客等)越来越大，且所用威胁技术日趋成熟，PNT信息完好性对所有用户的重要性将会与日俱增。

北斗导航卫星系统示意图

未来需求与能力差距评估

体系结构开发团队通过对现存和演变基线PNT体系结构能力评估，确定了现存的和演变基线体系结构无法满足的7方面未来用户需求，从而发现并确认了如下7方面的能力差距。

1) 没有能力在任何地点(室内、地下、水下和城市峡谷等环境)提供有保障和实时的PNT服务；

2) 没有能力在敌意电磁环境下，包括在干扰、欺骗和敌意阻塞环境中提供有保障和实时的PNT服务；

3) 没有能力为未来的高速公路和铁路应用提供所需要的PNT高精度和完好性；

4) 没有能力在PNT信息遇到衰减或易被误解时提供及时告警，在某些应用中，如生命安全应用或是为避免附带损害时必须在1秒内告警；

5) 没有能力提供高高度/恒星际空间定位和定向，乃至包括实时高精度定位和定向(小于10毫角秒)信息服务；

6) 没有能力为用户及时提供成功导航所必需的地理空间信息；

7) 没有能力提供充足的受阻碍环境影响的PNT建模能力，以及预测城市环境下受这种影响的能力服务。

从航空母舰上起飞的战斗机

实现“目标”的建议

为了有效实施最大共性需求策略及其4项矢量指导原则，体系结构研发团队提出了如下19条建议。

采取“最大共性需求”策略

美国PNT体系结构试图通过采取“最大共性需求”策略来实现体系结构愿景目标。在这种体系结构中，用户主要依靠外部来源的PNT信息，从而使“更多的”能力满足用户需求中更大的、更加“共同”的部分。根据这种思路，美国GPS的现代化对全球范围难以计数的用户而言，是至关重要的。GPS已经实施了现代化策略，主要通过为所有用户提供多个频率的信号来实现，从而消除了电离层误差。当新的作战能力得到演示，并且取消了“选择可用性”措施后，将减少对外部增强系统的需求。然而，为了提供特定类型的服务和额外的测距源，或者服务专门的用户，可能仍然需要其他的增强手段。除了使用户依靠外部来源外，该体系结构还强调了低负荷（如，尺寸、质量、功率和成本）自主系统的大范围使用，以克服物理和电磁方面的障碍。该体系结构也认可专门的解决方案仍将继续存在，一是无法通过通用的方法有效提供所需能力，确保特定应用的稳健性；二是为了满足机构调整的职责需要。最后，美国必须继续在获取国家安全优势的需求与提供更强大能力的需求之间进行权衡。

1）将GPS作为国家PNT体系结构的基石来维护，确保长期稳定、安全可靠运行；

2）监测各种PNT信号，确认服务等级、观测环境影响、探测异常，并确定信号对近实时分发的干扰；

3）随着GPS现代化的实施，各政府机构应该逐步转移或去除对于美国GNSS需求而言不必要、或是冗余的增强系统；

4）继续研究开发各种分米级精度的导航定位技术及其解决方案，为生命安全应用提供具有完好性保障的高精度服务；

5）寻找一种国家层面的途径，保护军用定位导航授时优势。

鼓励利用多现象学

“多现象学”是指多种不同的现象，如射频传感器、惯性传感器，以及利用那些物理现象（如多种射频）的多种数据源和数据传输路径。美国国家PNT体系结构鼓励利用多现象学，确保更强的可用性，解决在物理和电磁受阻环境中工作的能力不足。

6）鼓励适当开发和部署能够对多种信息源和信息路径进行整合的设备；

7）评估国外PNT系统用于生命安全应用和关键基础设施的潜力，适时制定明确的使用标准和准则；

8）继续执行军用PNT专用政策，同时研究开发能使其他信号用于军事的能力；

9） 促进PNT伪卫星及信标相关标准的制定，促进不同系统间的互换能力，避免干扰；

10） 研究天基及地基PNT能力的演进和发展，支持PNT信息源及信息路径的多样性；

11）确保关键基础设施的精密时间和时间间隔用户能够接收并充分利用多种可用信号源。

可互换方案

美国国家PNT体系结构鼓励不同方案之间的互换，以提高效率，充分利用信息源的多样性。各种可互换方案具有一定程度的兼容性和互操作性，从而允许组合利用多种信息源，以获得一种更有优势的PNT方案。

12）积极参与国际PNT有关活动，以此促进多种PNT信号源之间的互换能力，同时确保兼容性；

13）修定相关标准、校准技术和参考框架，支持未来的精度和完好性需求；

14）确定并制定能满足用户对PNT信息进行交换、保障和保护等需求的通用标准；

15）制定能够满足用户描述位置信息，用于本地和区域运行需求的通用标准。

定位导航授时与通信的配合

美国国家PNT体系结构鼓励用户提高与通信网络之间的连通性，将其作为PNT的信息源，而不仅仅是PNT辅助数据和增强数据的数据传输通道。该矢量积极促进PNT特征与新出现的通信能力之间的融合，通过提供传统无线电导航频谱以外的服务而增强稳定性。

16) 确定并评估将定位导航授时与通信进行融合的方法、标准和潜在能力；

合作型组织结构

美国国家PNT体系结构将在现有组织基础上，在适当的时候，促进建立协调过程，以促进合作和信息共享。

17）制定国家级的PNT协调程序；

18） 确定并促进建立研究PNT现象学和应用的卓越中心；

19）确定、制定、保持并管理一个PNT建模与仿真核心分析框架。

北斗导航卫星系统工作示意图

日本准天顶卫星系统卫星