美国国家PNT体系与PNT新技术发展

●文｜北京空间科技信息研究所　刘春保



美国国家PNT体系与PNT新技术发展

●文｜北京空间科技信息研究所刘春保

一、引言

随着GPS系统与应用的发展，GPS系统与其提供的全天时、全天候的高精度定位、导航和授时（PNT）服务能力已经成为美国重要的空间信息基础设施与最重要的使能能力，由卫星导航应用催生的卫星导航应用产业也与互联网、移动通信共同成为21世纪信息技术领域发展的三大支柱产业。

随着GPS应用的不断普及与深入，美国的国家安全、经济发展、国家基础设施高效稳定地运行与民众的日常生活越来越多地依赖GPS系统提供的高精度定位导航与授时服务。然而，固有的脆弱性与局限性使美国赖以支撑其高精度定位导航与授时服务的GPS系统不能全方位地满足国家安全、经济发展、国家基础设施高效稳定地运行与民众的日常生活的PNT需求，使美国高精度PNT服务的可用性、可靠性面临着的潜在威胁。

如何解决GPS系统提供的高精度定位导航授时服务面临的问题，建立满足国家安全、经济发展、国家基础设施高效稳定运行和民众日常生活需求的PNT系统与能力，探索满足用户需求的PNT技术发展方向或发展途径成为美国政府必须面对的重要问题。为此，美国提出的国家PNT体系的概念，以解决未来PNT系统与能力的发展问题。

二、美国国家PNT体系与执行计划

1. 美国国家PNT体系方案

美国国家PNT体系研究采用C4ISR研究中建立的体系结构研究理论与方法，其目标是：建立并维护美国在全球PNT领域的领先能力，巩固与维持美国在全球PNT领域的主导地位与不对称优势。

美国的国家PNT体系研究确立了由自主能力、服务范围、导航源位置组成的三维研究空间；建立了由互操作性、一致性、适应性、稳健性和可维持性为核心的评价体系，以评估、判定PNT体系的完备性。

为此，美国首先开展了典型PNT体系研究与评估，并以此为基础进行了组合PNT体系的研究与评估工作，最终给出了目标体系方案，并提出了美国国家PNT体系发展的19项建议。美国的国家PNT体系方案见图1。

美国将GPS系统定义为美国国家PNT体系的基石，担负着非常重要的责任。首先，GPS系统是“最大共性需求”策略践行者，担负着满足大多数用户PNT需求的责任；其次，GPS系统担负着美国PNT体系时间与空间基准传递的责任，维持着美国国家PNT体系的时间与空间应用基准。第三，为其他PNT体系或用户装备提供初始和修正、校正信息，如惯性导航系统等。

图1　PNT体系建议方案示意图（2025年，用户角度）

自主导航是解决干扰与物理遮蔽条件下PNT问题的最重要途径，是PNT体系中提升、增强PNT能力强健性与鲁棒性的重要途径与手段。但目前的自主导航手段受累积误差问题和用户负担问题（主要是质量、体积、功耗和成本）限制。以惯性系统为例，受累积误差的影响，惯性系统不具有提供长时间、高精度PNT服务的能力，必须利用其它高精度PNT源进行校准或修正。

PNT与通信的融合是实现PNT能力无缝覆盖的重要途径，也是扩展PNT服务内容，实现PNT增值服务的重要途径，是现代位置服务最重要的支撑之一。PNT与通信的融合是民用领域解决城市峡谷、建筑物内、隧道、地下设施等PNT问题最重要的途径。

在PNT体系中，卫星导航系统提供的PNT服务具有覆盖范围广、服务精度高、全天时、全天候、用户成本低等特征。在全球导航卫星系统领域多系统共存格局即将形成的条件下，充分利用卫星导航系统资源（包括天基增强系统）即可有效地提升用户的PNT体验，又可提升用户PNT服务的可用性、稳健性，应予以足够的重视。

2.美国国家PNT体系执行计划

2010年4月，美国国防部与运输部联合发布了《国家定位导航与授时体系执行计划》（以下简称《执行计划》），全面接受、采纳了美国《国家定位导航与授时体系研究》的建议与成果，制定了转型规划，确定了PNT相关各部门在实施国家定位导航与授时体系建议时的行为与职责。

《执行计划》中涉及的机构或部门多达31个，其中负责网络与信息集成的国防部副部长办公室、运输部研究与创新技术局成为职责最多的部门，在美国国家PNT体系发展的19项建议中分别成为10项与7项建议实施的主要责任部门。

根据《PNT联合能力文件》、《联邦无线电导航规划》等文件，美国的PNT能力差距主要包括：

① 物理遮蔽环境下安全、可靠、实时的PNT能力；

② 电磁干扰环境下安全、可靠、实时的PNT能力；

③ 满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铁路应用的需求；

④ 当PNT信号变差或出现误导时的及时预警、报警能力；

⑤ 高空或空间定位和定向能力；

⑥ 用户及时地接入地理空间信息，以成功地进行导航的能力；

⑦ 确定遮蔽条件对PNT影响的建模能力，以及预测城市环境影响的能力。

上述问题成为PNT体系建设中需要优先解决的问题。

按发展策略和支撑要素，《执行计划》指导确定了发展路线图，以指导美国国家PNT体系的发展，见图2至图6。

图2　实现“最大共性需求”策略的路线图

图3　更好地利用PNT多现象学要素的发展路线

图4　促进可互换解决方案的路线图

图5　实现PNT与通信协同发展路线图

图6　改善合作型组织结构路线图

三、美国国家PNT体系最新进展

在美国国家PNT体系执行计划的指导下，美国军方与民用部门均在研究、规划满足未来需求的PNT系统与技术的发展。目前，美国军方与民用部门一致将研究、发展的重点放在了未来发展规划和物理遮蔽与干扰条件下的PNT服务能力问题。

1. 军事PNT能力

2010年，美国国防部与运输部联合发布《国家PNT体系执行计划》后，美国军方即开始着手分析、研究当前的能力缺口、未来的PNT需求，制订发展路线。下面以美国陆军为例，探讨美国军事PNT能力的发展。

《国家PNT体系执行计划》发布后，美国陆军首先出台了《PNT核心能力需求》文件，明确了美国陆军的PNT核心能力需求；2013年又发布了《战术可靠的GPS区域性能力替代方案分析》报告，明确了美国陆军战术环境下的PNT能力需求，以及满足上述需求的潜在技术和解决方案。在此基础上，美国陆军确定了从当前孤立的PNT，向组合PNT、融合PNT，最终发展为网络化PNT的发展路线图，见图7。

图7　美国陆军PNT能力发展路线图

美国陆军未来的PNT能力体系以GPS系统及服务为核心与基础，以GPS现代化计划中的M码军用信号、星上信息功率可调、点波束增强和抗干扰抗欺骗等新信号、新功能为依托，以自主导航和各种可用导航信息源为补充，以组合、融合、网络化为方法或途径，构建满足未来陆军作战需求的PNT能力。

从美国陆军PNT能力发展路线图可以看出，未来美国陆军将以深度融合与导航战能力为主线，构建通信、导航、指挥、信息一体化的网络化PNT能力，这种能力是以基础PNT能力、技术与融合方法或技术为保证，网络（各类数据链、战术网络、WiFi等信息技术手段）和用户装备则是实现上述目标的平台。

与空军、海军相比，美国陆军更加重视PNT装备的小型化、低成本、小体积、轻重量，这是由陆军的特点决定的，特别是对脱离作战平台（如坦克、装甲车、直升机等）的作战人员、特种兵等而言更是如此。美国陆军不希望PNT装备重量增加成为压垮陆军士兵的那根“稻草”。

美国法典规定：除非国防部长批准，2017财年后美国军方将不能采购不具备M码功能的GPS接收机。为此，2013年美国启动了新一代军用GPS用户设备（MGUE）的研制工作，2013～2015年的总投入已经接近4.5亿美元。MGUE的重点包含两个方面，其一是研发2种基于军用信号（特别是M码信号）的导航芯片，以满足地面、航空和海上的军事需求，并以此为基础研发满足陆、海、空军需求的军用导航装备。

同时，解决无法使用卫星导航服务条件下的高精度PNT能力问题已经成为美国军方PNT技术研发的重点。为此，在DARPA的主导下，美国军方已经启动了多个基于自主导航研发计划和项目，以确保美军在不能使用GPS服务条件下的高精度PNT能力。DARPA主导的研发项目如下：

微PNT计划（Micro-PNT）：以微机电、微电子技术为基础，发展轻重量、小体积、低功耗、低成本、高精度、自校准的惯性导航和芯片级原子钟等PNT核心组件。该计划下设立了多个项目，参与机构40余家。主要项目包括芯片级原子钟（CSAC）、集成微型主原子钟技术（IMPACT）、导航级集成微型陀螺仪（NGIMG）、微型惯性导航技术（MINT）、系留信息微型自动旋转平台（ITMARS）和芯片级组合式原子导航（C-SCAN）等。

全源导航计划（ASPN）：DARPA针对未来作战需求提出的面向GPS拒止环境提供高精度定位导航与授时先进定位导航与授时技术研究计划。其关键技术包括：多敏感器导航滤波算法（即融合算法）、导航体系架构与多敏感器融合技术，使导航系统支持惯性测量单元（IMU）等导航传感器/敏感器的即插即用，为军用用户提供任意作战平台和任何环境下的低成本、强健无缝的定位、导航与授时解决方案。

自适应导航系统（ANS）：项目的重点是研发新的算法和体系架构，实现多平台PNT传感器的即插即用。该项目以DARPA和微PNT、冷原子惯性技术和全源导航项目为基础，目标是发展在不能使用GPS服务的环境下，可提供高精度、高可靠的PNT服务的应用级产品。其主要技术领域包括：对外部数据需求较少、精度更高的惯性测量装置；利用非GPS信号源的PNT传感器；依据任务与环境变化，利用不同传感器、支持即插即用的新算法和体系架构。

量子辅助感知与读出（QuASAR）：以当前相关技术为基础，研发新一代磁场、力学和时间量子传感器，服务于美国国家安全，重点是生物成像、惯性导航和计时守时等领域。主要技术领域包括：纳米级分辨率的高灵敏度电磁传感器；带宽大于10kHz、接近量子极限灵敏度的加速度计和测力计；稳定度接近10-17/天的便携式时钟。

超快激光科学与工程（PULSE）：发展生成与控制超快光脉冲的技术，用于提高原子钟的精度，降低尺寸，实现更高精度的远距离时间与频率同步。该项目于2012年启动，计划利用5年的时间完成项目开发，并完成作战环境下相关能力的全面演示。

对抗环境下空间、时间与方位信息（STOIC）：该项目旨在发展与GPS系统性能相近、且不依赖GPS系统的高精度PNT能力。该项目计划以通信能力、高稳定战术时钟、用户间提供PNT信息的能力为支撑，以通信与PNT的深度融合为途径，利用自主、随机信号等PNT源，实现对抗环境下的高精度PNT能力。2015年9月，DARPA将该项目的研发合同授予了罗克威尔·科林斯公司，计划利用4年的时间完成项目的研发与演示验证。

综上所述，美军未来PNT能力的发展将以GPS系统为基础，以自主导航、通信与PNT融合为途径，满足未来对抗条件下的军事PNT能力需求。

2. 民用PNT能力

正如“最大共性需求”策略指出的那样，绝大多数民用PNT需求具有相同或相似的特征。因此，在满足民用PNT需求方面，美国仍将以GPS系统为首选方案，并利用天基（WAAS）和地基（国家差分GPS、全球差分GPS等）增强系统提升服务的性能与可用性。

随着GPS现代化计划的推进，美国民用PNT服务的能力将不断增强。在原有L1频段C/A码信号的基础上，GPS现代化计划规划了3个新的民用信号，分别为L2C、L5和L1C，使GPS系统民用信号达到4个，有利于实现双频导航，提升服务性能。目前，GPS系统星座中可播发L2C民用信号的卫星已经达到19颗，可播发L5民用信号的卫星达到12颗，计划于2017年使L2C和L5民用信号投入服务，而L1C信号投入服务的时间可能要推迟至2025年左右。

在《国家PNT体系执行计划》的指导下，美国民用PNT管理部门已经完成了美国民用PNT能力的全面评估。评估结果表明：由于GPS系统固有的脆弱性和日益严峻的干扰问题，部署或建立GPS备份系统。目前，美国运输部、国土安全部等民用PNT管理部门已经初步选定以e-LORAN（增强型罗兰）作为GPS的备份系统，正在开展进一步的研究与评估工作。

e-LORAN系统的服务范围最大可超过10000km，有利于降低GPS备份系统的部署费用，这是选择e-LORAN作为GPS备份系统的重要原因之一。同时，由于e-LORAN系统基本不受太阳风暴、以及GPS信号干扰的影响，这是第二个原因。与卫星导航系统相比，e-LORAN系统的定位精度存在一定差距（8～20m），但其可用性、完好性和连续性等均具有较高的水平。因而美国军方也在研究利用e-LORAN系统作为GPS系统军事PNT能力的备份问题。除美国外，英国等部分欧洲国家已经确定以e-LORAN系统作为卫星导航服务的备份能力，以提升其民用PNT服务的鲁棒性。

同时，PNT与通信的融合已经成为民用PNT领域的研究热点。目前研究主要集中在解决城市峡谷、室内、地下等区域的定位导航与位置相关信息服务问题。

四、结束语

随着美国《国家PNT体系执行计划》的不断推进，目前已经初步完成了对现有系统、能力和未来需求的评估工作，转入国家PNT体系建设的实质性阶段。美国军方已经理清、确定了军事PNT能力发展的脉络与途径，构建对抗环境下的PNT能力，全面启动了未来军事PNT能力关键技术的研发活动，确定了建设网络化PNT能力的发展目标。美国民用PNT管理部门也确定了以GPS现代化为核心，以备份、补充系统为辅助的民用PNT能力发展路线。

参考文献

［1］National Security Space Office， “National Positioning， Navigation， and Timing Architecture Study”， September 2008.

［2］Department of Defence， Department of Transportation， “National Positioning，Navigation， and Timing Architecture lmplementation Plan”. April 2010.

［3］USAF. Global Positioning System Constellation Replenishment. www.gps.gov. February 20 15

［4］United States Government Accountability Office. DEFENSE ACQUlSlTlONS： Assessments of Selected Weapon Programs. http：//www.gps.gov/document/ 668986.pdf. May， 2015.