PNT系统体系结构与PNT新技术发展研究

刘　钝,甄卫民,张风国,欧　明

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,山东 青岛 266107)

PNT系统体系结构与PNT新技术发展研究

刘钝,甄卫民,张风国,欧明

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,山东 青岛 266107)

摘要：GNSS系统的脆弱性促使PNT新系统和技术的发展。为协调国家PNT系统发展,应开展国家PNT系统体系结构研究。PNT体系结构研究是利用体系结构方法对PNT系统开展的针对性研究工作。对国外开展的PNT系统新技术分析表明：PNT体系结构研究是基于能力需求的分析工作,其目的是提出国家PNT系统发展建设的指南和方针,并用于指导国家PNT系统的建设、发展和管理。

关键词：定位；导航和授时;体系结构;全球导航卫星系统

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.011

中图分类号：P228.4

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0048-05

收稿日期：2015-02-10

作者简介

Abstract:Vulnerability of GNSS promotes the development of new PNT systems and technologies. A national PNT architecture study, with the emphasis on PNT technologies from the architecture view of point, should be conducted to coordinate the efforts of national PNT systems construction. With the analysis on the recent advancement of PNT technologies, it could be seen that the PNT architecture study, based on the PNT capability analysis, is purchased to work out the principles of PNT development for national PNT systems management.

0引言

随着以GPS系统为代表的GNSS系统应用的发展,GNSS系统正在成为一个国家信息化建设重要的基础设施,为多种不同应用提供定位、导航、时间(PNT)服务信息。随着GNSS应用的深入,GNSS系统自身的缺点也逐渐显现,主要包括:电磁信号干扰影响,在地理环境遮蔽条件下(室内、地下、水下)难以实现定位[1-2]。如何增强GNSS系统的PNT服务能力,甚至提供完全不依赖于GNSS系统实现的PNT服务能力成为未来PNT应用技术发展的重点[3]。近几年,国内外陆续开展了微机电惯导(MEMS INS)、基于可用无线信号的导航等新技术研究。

如何应对GNSS系统的脆弱性,如何建立更为合理的PNT应用服务能力是国家PNT系统建设的重要需求。PNT系统体系结构研究正是为解决上述需求而开展的工作。PNT系统体系结构研究中,通过面向能力的研究方法,寻求建立可以满足用户应用需求的PNT技术发展方向,而不是关注于具体某一项PNT系统或技术的发展。正是在PNT体系结构的指导下,国外陆续开展了新的PNT系统或技术研究[1-2]。

本文分析了美国PNT系统体系结构研究的特点,介绍了近几年正在开展的PNT新技术研究,在此基础上进一步分析了PNT系统体系结构对PNT新技术发展的指导和促进作用,最后建议应开展我国的PNT系统体系结构研究。

1PNT系统体系结构概念的提出与发展

PNT体系结构研究是美国从2005年起开始的一项研究工作。PNT体系结构研究历程有两个重要的里程碑节点,一是2004年美国GPS政策中明确提出了天基PNT系统的概念,二是2008年美国PNT系统体系结构研究报告的发布。

1.1　天基PNT系统概念的提出

随着GPS应用的发展,以及俄罗斯GLONASS系统、欧洲GALILEO系统及我国BeiDou2系统的建设,全球GNSS系统应用市场竞争日益激烈。为此,美国在2004年发布了新的GPS政策,其中提出天基PNT系统的概念[4]。

天基PNT系统概念的提出,表明美国GPS系统建设与应用由面向系统转向面向服务,PNT代表的定位、导航和授时涵盖了GNSS系统的应用服务领域。面向应用服务中,用户更关心自身获得的服务功能和性能,而不关心具体提供这种服务的GNSS系统,因此要求不同的GNSS系统应具有兼容性、互操作性。

联系人： 刘 钝 E-mail:dun.l@163.com

1.2　PNT系统体系结构的提出

美国进一步在2005年12月开始PNT系统体系结构研究[1]。美国之所以提出PNT体系结构研究,主要有两种促进因素。1)GPS系统易受干扰性已成为GPS应用中的共识,天基PNT系统概念的提出仅仅解决了GNSS PNT服务的一致性问题,但并没有解决所有GNSS系统都面临的射频干扰等问题;2)美国在上世纪90年代开展了C4ISR体系结构研究,在此基础上建立起体系结构研究的理论和方法,并进一步用于其它系统的设计规划[5]。PNT体系结构研究正是体系结构研究理论和方法针对PNT系统的应用实现。美国在2008年发布了PNT体系结构研究报告[1],并在2010年进一步发布了PNT体系结构实施计划[2]。

PNT体系结构概念的提出表明,美国对PNT系统的研究由面向服务进一步转向了面向能力。体系结构是面向应用能力的研究,是“系统各组件的结构、它们之间的关系以及指导其设计和随时间演化的原则与指南”[6]。在美国的PNT体系结构研究中,提出美国PNT体系结构的最终目标是“建立并维护美国全球PNT系统应用领先能力”。为实现这种能力,美国提出了用于指导国家PNT系统建设的四项原则(原文中称为“矢量(Vector)”)[1-2],即:

1) 利用多导航源建立PNT系统原则(原文称为“多现象学”(Multiple Phenomenologies)):强调由不同导航源建立不同形式的PNT实现方法,包括国际上不同的GNSS系统,不同频段、不同空域的无线信标系统、伪卫星系统,以及自主导航系统等。

2) 具有可交换能力的PNT解决方案;通过建立PNT服务标准、系统性能标准、信息标准,以及修正方法、基准框架,实现不同PNT系统或技术间的互交换应用和服务能力,同时强调通过国际参与,提高PNT系统及服务的可交换性。

3) PNT系统与通信系统的协同;通过建立PNT系统与通信系统的协同能力,提高PNT服务的强健性。PNT系统与通信系统的协同包括两个方面,一是利用不同通信链路播发PNT增强信息,提高PNT系统服务能力,二是利用通信系统实现直接的PNT服务能力。

4) 合作组织结构:合作组织结构中,强调建立国家协调机制,从需求分析、项目评估、经费预算、PNT技术相关的科学研究和系统研发等方面,进行国家PNT系统建设工作的协调,同时也强调开展PNT系统建模研究,需要指出的是,这种建模工作是针对PNT系统体系结构建立和完善所需的建模技术研究。

2PNT新系统新技术研究

针对GPS的易受干扰性,美国提出了“不依赖于GPS系统的PNT实现能力”[3,7],并自2005年左右开始,陆续开展了多项PNT系统新技术研究工作。尤其是在PNT系统体系结构研究及实施计划研究完成后,美国陆续提出新的PNT系统或技术概念,如DARPA支持下的部分研究工作。

2.1　PNT系统新概念研究

DARPA支持开展了PNT技术新概念研究工作,其中多个项目在2012年开始进入二期研究阶段,并预计2014年或2015年开展试验验证工作[7]。

1) 自适应导航技术(ANS)

DARPA支持开展的PNT新算法和新结构研究,以实现不同PNT传感器的快速集成,达到“即插即用”能力,以此实现面向不同应用平台的快速PNT系统集成应用,降低开发成本,减少开发部署时间。

ANS项目包括两个部分:精确惯导系统(PINS)和全源导航系统(ASPN)。其中,PINS的目标是通过冷原子干涉测量技术实现精度更高的惯性测量设备。冷原子干涉测量惯导技术通过对存贮在传感器中一组原子的相对加速度和旋转测量而实现,其目的在于利用量子物理特性实现极为准确的惯性测量设备,该设备可以实现长时间运行而无需利用外部数据进行用户时间和位置的确定。ASPN则寻求利用各种非导航用电磁信号进行PNT能力实现,所用的信号包括商业卫星信号、无线电广播和电视信号,甚至是闪电发生时产生的无线电信号。这些不同的非导航用信号不仅大量存在,而且信号强度远远大于GPS信号,可以在GPS信号被干扰或接收不到的区域提供位置信息。

2) 微PNT系统(Micro PNT)

微PNT系统是DARPA 2010年启动的一项研究工作,目的是利用微机电系统(MEMS)技术实现的微型化PNT技术。DARPA支持了一系列微PNT系统研究工作,这些工作致力于开发高稳定度和高精度的芯片陀螺、芯片原子钟,以及完整集成的定时和惯性测量单元。2012年,DARPA研究人员已制造出一种微PNT系统的原型设备,该设备包括三个陀螺仪、三个加速度计和一个高精度时钟,可在一个芯片上实现,方便地装入一个美分大小的空间内。DARPA开发的这种微型传感器具有自修正能力,性能优良,价格低廉,与现有的传感器相比,极大地降低了设备的尺寸、重量和功耗。

3) 量子辅助传感与读取设备(QuASAR)

QuASAR计划中拟实现世界上最高准确度的原子钟,并保证设备的可靠性和便携性。目前,研究人员已经实现了实验室环境下的光原子钟,准确度可以达到50亿年才产生1秒偏差。实现如此精度的便携式原子钟可以有效提高诸如GPS、新型雷达系统、激光雷达(LIDAR)及其它测量系统的应用性能。

4) 超快激光科学与工程项目(PULSE)

该项目利用脉冲激光技术的最新进展提高原子钟和微波频率源的精度,减小设备尺寸,以实现在更长距离上提供更准确的时间和频率同步能力。该项目实现的原子钟如同QuASAR技术实现的原子钟一样精度远高于现有技术实现的原子钟精度,可有效提高时间/频率同步的精度。PULSE项目开发的精确光原子钟可实现全球范围内的精确时间发布。

5) 恶劣环境下的空间、时间和定向信息获取技术(STOIC)

该项目寻求建立恶劣环境下的PNT系统实现能力,这种PNT系统可以达到GPS系统的精度但却不依赖于GPS系统实现。STOIC由三个组成部分:可作用于较远距离的稳定参考信号源,具有超稳性能的原子钟,可为多个用户提供PNT信息的多功能系统。STOIC三个部分组合可以实现全球范围内独立于GPS系统实现的PNT信息提供能力。

2.2　PNT系统或技术研究

美国空军、海军等单位自2005年以来陆续开展了不同导航技术研究工作[8-12],这些工作主要包括:

1) 多导航源导航系统或技术,尤其是自主导航系统技术,如:微机电精确惯性导航系统冷原子干涉惯性导航系统;激光雷达线性扫描导航系统;利用地磁异常实现的室内导航系统;超宽带信号室内定位系统;利用外部可用信号源(SoOP)的导航系统;

2) 与惯性导航系统,尤其是MEMS INS实现的组合导航系统技术,如:GPS与MEMS INS实现的紧耦合系统,利用惯性导航和地磁场导航实现的导航系统;惯性导航与图像辅助导航实现的组合导航系统;视觉辅助惯导组合导航技术;光学导航与惯性导航组合系统;多源导航数据融合实现技术;多源传感器组合导航技术;“通用即插即用”传感器全源导航系统;

这些导航系统或技术的主要应用领域包括:小型无人航空器(UAV)导航定位应用;单兵使用个人导航系统(PNS);室内、城市环境下的导航定位应用。

2.3　PNT系统、产品应用开发

澳大利亚Locata公司推出一种类似GPS系统的地基导航系统Locata。Locata系统利用该公司专利技术Time-Loc实现网络间高精度时间同步,该技术的特点是采用低成本频率源即可实现1～2纳秒级时间同步精度,而不像现有GNSS系统一样必须依赖于高精度原子钟。Locata系统采用载波测量实现高精度定位能力(水平方向6 cm,垂直方向15 cm)。同时,Locata系统的工作频段、功率、网络大小等均可根据需求进行配置。

Locata系统与美国空军签署合作协议,2008年在Holloman空军基地开始部署首套测试系统,并于2011年10月开展了系统测试工作,结果令人满意。美国空军计划在Locata系统基础上,建立不依赖于GPS系统的下一代超高精度参考系统(UHARS)。

2011年,国际民航组织(ICAO)导航系统工作组会议提出,考虑到GNSS系统的易受干扰性,“应重新审视将卫星导航系统作为唯一导航手段的可能性”,并提出利用Locata系统、eLoran系统等“建立可替代PNT”(APNT)系统的可能性”[14]。同时,美国联邦航空局(FAA)在其开展的APNT系统研究工作中,将Locata系统作为下一代空中交通管理系统(NextGen)中PNT服务实现的三个备选方案之一[15]。

3PNT体系结构对PNT系统和技术发展的指导作用

通过对近几年国外PNT系统技术发展的分析可以看出以下几个特点:

1) 开始侧重于GNSS干扰环境、物理遮蔽环境下PNT系统能力的实现。

从上述PNT新系统新技术可以看出,这些系统或技术均以实现独立于GNSS系统的PNT能力为目的,面向室内、城市建筑密集区、地下、水下等存在GNSS物理遮蔽环境下的PNT系统应用。GNSS电磁干扰环境下的PNT应用实现是另外一个关注的重点。

2) 小型化微型化PNT系统和技术的实现

无人航空器应用,室内、城市环境下的个人导航应用等条件要求实现PNT系统的小型化和微型化。利用MEMS实现的微型惯导、微型高度计、地磁异常测量设备、芯片原子钟等系统成为重要的微型PNT系统实现技术。采用MEMS实现的PNT系统并不仅仅是对现有PNT系统实现小型化或微型化,而是利用新的技术体制实现测量设备的微型化,如利用冷原子干涉测量实现的微惯导系统等。

3) 更加强调不同PNT系统间的融合能力

现有PNT系统中强调通过组合(Integrate)提高系统的强健性,新的PNT系统技术发展更强调采用融合(Fusion)方法,提高PNT系统的可靠性、可用性、强健性。其中,利用外部可用信号源(SoOP)的导航系统利用不同无线信号源进行定位,而全源组合导航定位技术则进一步包括了利用重力场、地磁场、视觉、雷达等测量数据实现的导航定位能力。

同时,PNT系统新技术的发展也进一步要求开展以下的工作:

1) PNT系统的融合要求建立不同PNT系统或技术的性能标准、服务标准、接口标准,以实现具有“即插即用”的PNT系统结构。

2) 不同PNT系统服务的实现要求采用通用的时间、空间坐标框架。为此,一个国家应建立并维护具有长期稳定性,且与国际标准接轨的时空框架基准。

3) PNT系统新技术实现所依赖的新体制、新材料、新制造、新测试技术已超出了PNT系统的范畴,要求从国家层面上进行跨领域的学科协调发展。

4) PNT系统实现所需要的地球重力场、地磁场、地形地貌、天文图表、星历表等数据库,需要从国家层面上进行统一实现和管理。这种数据库应在前述的统一时间空间基准框架下建立。

5) PNT基础研究与系统建设,PNT系统技术与其它科学领域的交互,不同PNT系统间的交互,以及PNT系统所需标准、数据库等等PNT系统建设与发展,要求建立国家级的协调管理机构进行统筹安排。

PNT系统技术的上述发展特点正体现了PNT体系结构研究对具体PNT系统技术实现的指导作用。PNT体系结构是基于能力需求分析的研究,干扰环境和物理遮蔽环境下的PNT实现能力是对PNT系统的重要能力需求之一。微型PNT技术、PNT融合技术、以及从技术、标准和政策法规上的统一管理等要求,也正是PNT体系结构研究中提出的建立多导航源的PNT体系结构、建立具有可交换能力的PNT系统结构、建立PNT系统统一协调机制等建设原则和指南的具体体现。也正因如此,美国在2008年完成PNT体系结构研究后,进一步开展了PNT体系结构实施计划研究,并规定定期对PNT体系结构实施计划的执行情况进行分析研究,以表明国家PNT系统建设在按照既定方向发展[16-17]。

4结束语

PNT体系结构研究是利用体系结构研究方法对PNT系统开展的针对性研究工作。PNT体系结构研究基于能力需求开展分析,提出国家PNT系统发展建设的指南和方针,用于指导国家PNT系统的建设、发展和管理。自2005年以来,尤其是2010年以后美国开展的PNT系统新技术研究,处处体现着美国国家PNT体系结构研究中所提出的指导方针和发展原则。

随着GNSS应用的发展,GNSS易受干扰性和在物理遮蔽环境下的应用限制日益受到重视。在建设发展我国的北斗卫星导航系统同时,应考虑通过多种PNT手段扩展PNT系统在物理遮蔽环境下的应用范围,实现在干扰环境下的应用,提高系统应用性能。为统筹规划我国的PNT系统和技术开发应用,应开展我国的国家PNT体系结构研究。

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刘钝(1973-),男,高级工程师,主要研究方向为卫星导航应用。

甄卫民(1963-),男,研究员,博士生导师,主要从事空间环境、电磁环境和卫星导航领域的研究。

张风国(1985-),男,工程师,主要从事导航应用与电离层闪烁仿真方向的研究。

欧明(1984-),男,博士研究生，主要研究方向为电离层探测及建模技术。

A Study of PNT Architecture and New Technology Development

LIU Dun,ZHEN Weimin,ZHANG Fengguo,OU Ming

(22ndResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyCroupCo.,Qingdao266107,China)

Key words: Positioning; Navigation and Timing (PNT); architecture; GNSS