PNT體系結(jié)構(gòu)之PNT與通信的融合研究

張風(fēng)國,張紅波,甄衛(wèi)民

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

0 引 言

為滿足未來對PNT能力的發(fā)展需求，美國制定了2025年時(shí)間框架下的PNT體系結(jié)構(gòu)。為了從當(dāng)前的“As-Is”體系結(jié)構(gòu)向“Should-Be”體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，美國PNT體系結(jié)構(gòu)研究發(fā)起者制定了體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型計(jì)劃，包括總體設(shè)想、策略和四個(gè)支撐向量[1]。 PNT與通信的融合是一種關(guān)鍵的支撐向量。

導(dǎo)航與通信系統(tǒng)作為兩大基礎(chǔ)設(shè)施，其應(yīng)用緊密相連，而相互獨(dú)立的兩大系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域存在潛在不足，因此，導(dǎo)航與通信的融合成為未來發(fā)展的必然趨勢。導(dǎo)航與通信融合使導(dǎo)航定位的信息可以傳輸交流，從而使導(dǎo)航定位信息可以發(fā)揮出更大的作用，也使導(dǎo)航從單一載體導(dǎo)航發(fā)展為用戶群體的系統(tǒng)導(dǎo)航應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、指揮、評估、救助、優(yōu)化運(yùn)作和有效管理。

1 PNT與通信融合的含義

PNT與通信的融合是美國PNT體系結(jié)構(gòu)框架頂層設(shè)想和策略的四個(gè)支撐向量之一。該向量將更多地利用通信網(wǎng)絡(luò)提供并增強(qiáng)PNT能力，并充分利用未來用戶之間更廣泛的連通性。制定通信導(dǎo)航融合實(shí)施方案需要進(jìn)行更深入的研究，如通過通信衛(wèi)星傳輸輔助和測距信號、通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相對測距，以及在PNT用戶之間進(jìn)行相對導(dǎo)航等。

目前，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)對PNT能力的支持主要是通過攜載PNT輔助和增強(qiáng)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)的。國家PNT體系結(jié)構(gòu)鼓勵用戶提高與通信網(wǎng)之間的連通性，并利用這些通信網(wǎng)作為PNT信號源，而不僅僅是PNT輔助數(shù)據(jù)和增強(qiáng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸通道。該措施積極促進(jìn)PNT特征與新出現(xiàn)的通信能力(如手機(jī))之間的融合協(xié)作，這些能力通過提供傳統(tǒng)無線電導(dǎo)航頻譜以外的服務(wù)，可以增強(qiáng)PNT的魯棒性。

2 PNT與通信融合的實(shí)施計(jì)劃

此計(jì)劃主要內(nèi)容是加強(qiáng)用戶與作為PNT源以及傳輸PNT輔助和增強(qiáng)信息的通信網(wǎng)絡(luò)之間的鏈接，分析預(yù)測將潛在的PNT與通信融合備選方案和創(chuàng)造性地將通信能力改造成PNT信息源可能產(chǎn)生的問題。在啟動新系統(tǒng)和設(shè)備的主要開發(fā)程序之前，必須對具體標(biāo)準(zhǔn)和方案進(jìn)行深入研究和詳細(xì)評估。

該計(jì)劃實(shí)施將通過利用通信網(wǎng)絡(luò)能力克服與當(dāng)前無線電頻譜相關(guān)的物理障礙和電磁干擾問題，提高PNT的魯棒性，其發(fā)展路線圖如圖1所示。該計(jì)劃賦能的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括利用電視、無線電廣播、移動電話廣播塔等信號為室內(nèi)和城市峽谷區(qū)域提供PNT服務(wù)[2]。

圖1 實(shí)現(xiàn)通信導(dǎo)航一體化的路線圖

PNT與通信融合所需開展的任務(wù)是分析通信和PNT融合的備選方案。為此，需要開展有關(guān)分析工作以幫助用戶確定通信和PNT融合方案適用地點(diǎn)，例如用戶可以通過額外的魯棒的PNT數(shù)據(jù)源克服電磁干擾和物理障礙的環(huán)境條件。通信和PNT融合也可以輔助地球軌道之外的導(dǎo)航，提供能力下降告警信息播發(fā)的通信鏈路和分發(fā)地理空間信息等。

3 基于“導(dǎo)航與通信的協(xié)作”的技術(shù)發(fā)展分析

GPS圓滿地解決了載體的導(dǎo)航定位問題，但GPS系統(tǒng)內(nèi)無法解決回傳通信問題，如當(dāng)車輛在野外行駛時(shí)，用戶中心無法知道其下屬的車輛情況；在戰(zhàn)場上，指揮中心無法知道戰(zhàn)場態(tài)勢等。所以，移動通信或衛(wèi)星通信成為解決此問題的有效方法。此外，發(fā)布差分信息和可用性、連續(xù)性、完好性等信息都需要有通信信道廣播，為此，需要增加或采用通信衛(wèi)星進(jìn)行傳輸廣播。

3.1 導(dǎo)航與通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)PNT與通信的融合

目前美國正在大力開展GPS和銥星(Iridium)系統(tǒng)的導(dǎo)航通信集成(iGPS)研究，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了GPS和銥星通信系統(tǒng)之系統(tǒng)集成不僅是一種高完好性方案，而且可有效提高PNT的導(dǎo)航戰(zhàn)能力。其系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 美國GPS和銥星系統(tǒng)的導(dǎo)航通信集成系統(tǒng)方案

銥星系統(tǒng)一方面作為GPS增強(qiáng)信息播發(fā)的角色；另一方面自身作為一個(gè)導(dǎo)航信號源，不僅可以通過測距PRN碼測距，也可采用“子午儀(TRANSMIT)”定位體制，采用多普勒測量實(shí)現(xiàn)接收機(jī)位置的精確確定，即iGPS用戶可在GPS衛(wèi)星信號不可用時(shí)，采用銥星單獨(dú)定位[3]。

由于銥星的高功率信號，即使在衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)性能不佳的森林、山區(qū)、都市峽谷等物理阻礙環(huán)境下，或在干擾、戰(zhàn)場電磁噪聲環(huán)境中，也可以用于接收來自銥星的位置數(shù)據(jù)，具有更強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。其次，可提供定位服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量更多(全球分布的30多顆GPS衛(wèi)星和66顆銥星)，使得可用性更高。因此，該系統(tǒng)具備良好的導(dǎo)航戰(zhàn)能力，且能得到較好的PNT能力。

3.2 同時(shí)具有導(dǎo)航與通信功能的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)PNT與通信融合

1) 北斗系統(tǒng)

我國早在60年代末就開展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制工作，先后提出過單星、雙星、三星和3-5星的區(qū)域性系統(tǒng)方案，以及多星的全球系統(tǒng)的設(shè)想，并考慮了導(dǎo)航定位與通信等綜合運(yùn)用問題?！氨倍芬惶枴彪p星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是一種全天候、高精度、區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)航定位、雙向簡短報(bào)文通信和定時(shí)授時(shí)3大功能。我國的“北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”(即CNSS系統(tǒng)，如圖3所示)與GPS和GLONASS系統(tǒng)最大的不同在于它具備通信功能，不僅能使用戶精確測定自己的點(diǎn)位坐標(biāo)，而且還可以告訴別人自己在什么點(diǎn)位，特別適用于需要導(dǎo)航與移動數(shù)據(jù)通信場所，如交通運(yùn)輸、調(diào)度指揮、搜索營救、地理信息實(shí)時(shí)查詢等。

圖3 北斗二代衛(wèi)星星座

2) 中國區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)CAPS

在我國研制的轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)CAPS中，作為位置基準(zhǔn)的導(dǎo)航衛(wèi)星主要是在軌同步通信衛(wèi)星。這類衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有良好的通信能力，可以實(shí)現(xiàn)利用系統(tǒng)內(nèi)的通信功能輔助增強(qiáng)導(dǎo)航的功能，實(shí)現(xiàn)“基于位置和時(shí)間等服務(wù)”的雙向報(bào)文、語音、圖像等通信，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和通信的一體化設(shè)計(jì)。導(dǎo)航與通信結(jié)合，使導(dǎo)航定位的信息可以傳輸交流，從而使導(dǎo)航定位信息可以發(fā)揮出更大的作用，也使導(dǎo)航從單一載體導(dǎo)航發(fā)展為用戶群體的系統(tǒng)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、指揮、評估、救助、優(yōu)化運(yùn)作和有效管理[4]，如圖表4所示。

3.3 地基網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航與通信融合

如今衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已與地面移動通信技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展出基于位置的服務(wù)技術(shù)，誕生了車輛監(jiān)控系統(tǒng)、基于位置的信息查詢系統(tǒng)等，同時(shí)還發(fā)展出GPS輔助技術(shù)，即A-GPS技術(shù)?？梢哉f未來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與移動通信系統(tǒng)的結(jié)合是一個(gè)必然發(fā)展趨勢。

中國正在積極構(gòu)建以古代神話中太陽神羲和命名的廣域室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)“羲和系統(tǒng)”，將解決衛(wèi)星導(dǎo)航全方位服務(wù)到手機(jī)用戶的最后一公里問題，進(jìn)一步提升和延拓衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)能力。

十一五期間，國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域支持的廣域?qū)崟r(shí)精密定位技術(shù)與示范系統(tǒng)重點(diǎn)項(xiàng)目，以廣域差分和精密單點(diǎn)定位技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用中國現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航地面基準(zhǔn)站資源，集成先進(jìn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通信等技術(shù)，已建成中國高精度衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)示范系統(tǒng)。羲和系統(tǒng)就是基于上述協(xié)同實(shí)時(shí)精密定位技術(shù)(CRP)進(jìn)一步研發(fā)和集成室內(nèi)高精度定位技術(shù)，構(gòu)建廣域室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)，形成全方位導(dǎo)航信號服務(wù)技術(shù)。

羲和系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外協(xié)同實(shí)時(shí)精密定位，具備室外亞米級、城市室內(nèi)優(yōu)于3 m的無縫定位導(dǎo)航能力和業(yè)務(wù)可控的億級用戶在線位置服務(wù)能力。羲和向用戶提供全空域、全時(shí)域、無縫的導(dǎo)航定位服務(wù)。未來在羲和系統(tǒng)的引導(dǎo)下，人們將享受到精確位置服務(wù)所帶來的方便、快捷和舒適。比如可以在地下停車場快速找到合適的停車位、在小區(qū)里方便地找到朋友家門口、在會議中心找到該去的會議室、在展覽館找到感興趣的展品等。

3.4 基于數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的綜合導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)PNT與通信融合

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N在多個(gè)傳感器、指揮信息系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等作戰(zhàn)單元之間，采用一種或多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按照規(guī)定的通信協(xié)議和消息標(biāo)準(zhǔn)傳遞格式化戰(zhàn)術(shù)信息的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。它將地理空間上相對分散的作戰(zhàn)單元、探測單元、支援力量緊密地連接在一起，保證戰(zhàn)場情報(bào)、指揮控制、武器協(xié)同等信息實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確地傳輸，實(shí)現(xiàn)信息共享，便于指揮人員實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，縮短決策時(shí)間，提高指揮速度和武器系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)能力，增強(qiáng)聯(lián)合部隊(duì)的整體作戰(zhàn)能力和防護(hù)能力，能夠?qū)撤侥繕?biāo)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、連續(xù)的打擊，對我方目標(biāo)實(shí)施全方位的有效防護(hù)。

集通信、導(dǎo)航、識別于一體的系統(tǒng)通常稱為綜合導(dǎo)航系統(tǒng).目前典型的有美國的陸軍位置報(bào)告系統(tǒng)(PLRS)和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng)(JTIDS)[5].

1) PLRS

PLRS是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)，是陸軍數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)的核心。它能對士兵、地面車輛和飛機(jī)等進(jìn)行自動導(dǎo)航定位與數(shù)據(jù)通信，可連續(xù)、準(zhǔn)確地向指揮和控制中心報(bào)告各用戶(部隊(duì))的實(shí)時(shí)位置，對用戶進(jìn)行指揮和引導(dǎo)，并在各用戶之間進(jìn)行有限的數(shù)據(jù)通信。

AN/TSQ-129系統(tǒng)就是一種定位精度很高的PLRS系統(tǒng)，重點(diǎn)裝備陸軍小分隊(duì)、巡邏車或飛機(jī)與艦艇。主要目的是指揮、控制陸地或艦載火炮的火力，保持與空中支援的聯(lián)絡(luò)，以及便于武裝部隊(duì)在戰(zhàn)場上的快速運(yùn)動和集結(jié)。該系統(tǒng)對低速運(yùn)動用戶的定位精度優(yōu)于10 m，對高速運(yùn)動的空中用戶，其定位精度優(yōu)于100 m.

改進(jìn)型位置報(bào)告系統(tǒng)(EPLRS)是一個(gè)安全的抗干擾通信系統(tǒng)，是C4ISR系統(tǒng)的重要組成部分，它通過導(dǎo)航和命令傳輸、控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行位置數(shù)據(jù)傳輸。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)水平誤差為12 m，高程差為4～5 m(CEP).

2) JTIDS

聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS/Link-16)是美國應(yīng)用最多、最成熟的數(shù)據(jù)鏈，如圖5所示，它綜合了Link-4、Link-11的功能并進(jìn)行了改進(jìn)，是高速、保密、大容量、抗干擾的數(shù)據(jù)鏈路，能夠傳輸監(jiān)視、武器控制、電子對抗、相對導(dǎo)航等八大類信息。

JTIDS是為C4ISR系統(tǒng)服務(wù)的集成通信、導(dǎo)航與識別系統(tǒng)，它用一套硬件，一種信號，同時(shí)完成C4ISR系統(tǒng)所需要的戰(zhàn)術(shù)通信、導(dǎo)航和識別功能，如圖5所示。它采用無節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)分多址網(wǎng)絡(luò)接入方式，高的碼速率，快速脈間跳頻和直序擴(kuò)頻信號，它的導(dǎo)航功能與通信功能共生。因此JTIDS能夠?yàn)楦飨到y(tǒng)成員提供精確的相對位置、速度、航向姿態(tài)和時(shí)間信息。由于通信和導(dǎo)航功能在系統(tǒng)內(nèi)是共生的，所以不存在由不同的系統(tǒng)完成這些功能時(shí)覆蓋范圍不重合和數(shù)據(jù)交聯(lián)不及時(shí)的問題。

3.5 NASA的通信導(dǎo)航技術(shù)

隨著創(chuàng)新型能力和服務(wù)的發(fā)展，為支持未來更廣范圍的更多的空間探測任務(wù)，NASA提出了2005～2030年空間通信與導(dǎo)航體系(SCaN)建議及相關(guān)六大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，正在研究新型的通信導(dǎo)航集成技術(shù)，改善傳輸鏈路質(zhì)量，從固定的單一鏈路發(fā)展為可靈活多變的鏈路，空間飛行器可以通過自動形成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主導(dǎo)航和與地球通信；提高定時(shí)和分發(fā)精度，提高數(shù)據(jù)傳輸速率和導(dǎo)航精度，可在整個(gè)太陽系范圍內(nèi)甚至是太陽系之外的空間內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航通信[7]，如圖6所示。

NASA未來的空間通信與導(dǎo)航體系包括地基地球(GEE)、近地中繼(NER)、月球中繼(LR)和火星中繼(MR)4個(gè)物理單元，以及疊加在4個(gè)物理單元之上的網(wǎng)絡(luò)體系、安全體系、頻譜體系及導(dǎo)航體系4個(gè)貫穿的公共體系，如圖6所示。導(dǎo)航體系針對所有用戶航天器支持傳統(tǒng)的無線電跟蹤測量業(yè)務(wù),使用與通信相同的鏈路。軟件定義無線電(SDR)利用軟件功能來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的通信與導(dǎo)航功能，在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和升級、自主操作、技術(shù)改進(jìn)方面有巨大優(yōu)勢，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與自主導(dǎo)航、無線電測量數(shù)據(jù)采集和組網(wǎng)業(yè)務(wù)的集成。

圖6 美國SCaN通信導(dǎo)航綜合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NASA的空間通信導(dǎo)航體系使用的導(dǎo)航通信鏈路涵蓋了UHF、S、L、X、Ku和Ka頻段，最終將建立一個(gè)“行星際互聯(lián)網(wǎng)”，為整個(gè)太陽系的范圍內(nèi)的用戶提供端到端的用戶連接，并通過此鏈路提供導(dǎo)航通信服務(wù)。

4 結(jié)束語

PNT與通信技術(shù)融合可為用戶提供更加完備的信息，使用戶不但能夠獲取PNT信息，而且可以與其他用戶或設(shè)備之間進(jìn)行通信，獲取其它用戶的位置信息，將極大推動基于位置的應(yīng)用與服務(wù)的發(fā)展，同時(shí)提高PNT系統(tǒng)的魯棒性，克服某些物理阻礙環(huán)境中的PNT應(yīng)用難題。

正在研制的“羲和”系統(tǒng)具有很高的室內(nèi)外定位精度，這表明我國在利用地基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位導(dǎo)航方面走在世界的前列。此外，北斗和CAPS具有一定通信導(dǎo)航融合能力，但尚未達(dá)到緊密結(jié)合相互增強(qiáng)的通信導(dǎo)航一體化，因此，應(yīng)積極開展通信導(dǎo)航一體化技術(shù)和應(yīng)用研究。

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