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    美國(guó)PTA計(jì)劃分析

    2017-05-09 07:33:36中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所劉鈍吳健甄衛(wèi)民
    衛(wèi)星應(yīng)用 2017年4期
    關(guān)鍵詞:體系結(jié)構(gòu)接收機(jī)衛(wèi)星

    ● 文|中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 劉鈍 吳健 甄衛(wèi)民

    美國(guó)PTA計(jì)劃分析

    ● 文|中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所 劉鈍 吳健 甄衛(wèi)民

    作為國(guó)家基礎(chǔ)信息系統(tǒng),GNSS的重要性不斷凸現(xiàn)。電磁環(huán)境對(duì)GNSS的影響為國(guó)家定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。作為美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)建設(shè)的最新發(fā)展,PTA計(jì)劃進(jìn)一步從法律法規(guī)、技術(shù)、系統(tǒng)建設(shè)等不同角度給出了PNT系統(tǒng)的發(fā)展建議。本文全面分析了美國(guó)PTA計(jì)劃,深入分析了PTA產(chǎn)生的背景,并從PNT體系結(jié)構(gòu)建設(shè)的角度分析了PTA計(jì)劃的優(yōu)勢(shì)與不足。

    2014年11月,在捷克布拉格召開的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)(ICG)第九屆大會(huì)期間,PNT咨詢委員會(huì)的Bradford Parkinson教授作了題為“確保PNT:美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)的一項(xiàng)‘保護(hù)、強(qiáng)化和增強(qiáng)GNSS(PTA)’方案及有關(guān)建議”的主旨演講。其目的是為了減少日益增多的GNSS干擾對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)PNT服務(wù)帶來(lái)的影響,確保GPS作為PNT的核心地位。在2015年11月美國(guó)國(guó)家PNT會(huì)議中,Bradford Parkinson教授進(jìn)一步提出,美國(guó)在2017年前的一項(xiàng)重要工作就是推動(dòng)PTA計(jì)劃的實(shí)施。

    在此之前,美國(guó)曾在2008年發(fā)布了《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究》報(bào)告(以下簡(jiǎn)稱《體系報(bào)告》),并在2010年發(fā)布了《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱《實(shí)施報(bào)告》),更早些時(shí)候,美國(guó)在2004年發(fā)布了新的GPS政策,并提出天基PNT概念。如何認(rèn)識(shí)美國(guó)發(fā)布的這些政策、計(jì)劃?它們之間的有機(jī)聯(lián)系是什么?認(rèn)清這些問(wèn)題對(duì)于我國(guó)目前正在開展的北斗系統(tǒng)建設(shè)及未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

    一、美國(guó)PTA計(jì)劃介紹

    1.PTA計(jì)劃提出的原因

    隨著GNSS在軍民領(lǐng)域的深入應(yīng)用,其安全性也受到了廣泛的關(guān)注,其中日益嚴(yán)重的電磁環(huán)境干擾已成為影響GNSS安全性的主要因素。ICG認(rèn)為電磁環(huán)境已成為制約GNSS實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能和性能的關(guān)鍵因素。為此,ICG還給出了電磁環(huán)境干擾因素的統(tǒng)一定義,如圖1所示。

    圖1 ICG中定義的GNSS環(huán)境干擾影響

    由此可見,影響GNSS安全性的電磁環(huán)境因素可以概括為:電磁干擾因素和空間環(huán)境擾動(dòng)因素。電磁干擾是指引起衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能降低的各種電磁干擾信號(hào),包括非故意干擾與人為故意干擾;空間環(huán)境擾動(dòng)是指影響衛(wèi)星信號(hào)傳播環(huán)境要素的總稱,主要指電離層擾動(dòng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。

    發(fā)生在2010年初的紐瓦克自由國(guó)際機(jī)場(chǎng)事件證明了民用GPS基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)干擾影響的脆弱性。由于未知射頻源的影響,機(jī)場(chǎng)內(nèi)部提供精密進(jìn)近服務(wù)的GPS地基增強(qiáng)系統(tǒng)多次出現(xiàn)故障。通過(guò)數(shù)月調(diào)查,“兇手”為一個(gè)隨處可見的,用車載點(diǎn)煙器即可供電的廉價(jià)GPS干擾器。

    在美國(guó),影響較大的另一個(gè)事件是光平方(LightSquared)系統(tǒng)對(duì)GPS造成影響,原因是LightSquared占用的頻譜和GPS接收機(jī)接收信號(hào)的頻譜發(fā)生了混疊。對(duì)這個(gè)事件的研究結(jié)果直接導(dǎo)致北京時(shí)間2012年2月15日,美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)否決了LightSquared提出建設(shè)全國(guó)性4G-LTE網(wǎng)絡(luò)的提議。

    南美地區(qū)是電離層擾動(dòng)影響高發(fā)區(qū),嚴(yán)重的擾動(dòng)影響一度限制了WAAS系統(tǒng)向南美地區(qū)的擴(kuò)展應(yīng)用。Galileo系統(tǒng)建設(shè)同時(shí),歐洲與巴西等國(guó)家聯(lián)合開展了針對(duì)南美地區(qū)電離層擾動(dòng)影響研究的CIGALA項(xiàng)目,旨在提高Galileo系統(tǒng)的全球性能。

    針對(duì)GNSS系統(tǒng)的電磁環(huán)境干擾問(wèn)題,美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)一方面發(fā)起GPS應(yīng)用價(jià)值研究,對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中的PNT應(yīng)用影響情況進(jìn)行正式的威脅評(píng)估,以提高用戶對(duì)GPS系統(tǒng)重要性及其脆弱性的認(rèn)識(shí)。另一方面,美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)建議實(shí)施PTA計(jì)劃,以滿足用戶對(duì)PNT服務(wù)的需求。

    2.美國(guó)PTA計(jì)劃主要內(nèi)容

    美國(guó)開展PTA計(jì)劃的目的是為了確保GPS PNT的可用性,它的實(shí)施包含三方面的內(nèi)容:保護(hù)(Protect)、強(qiáng)化(Toughen)和增強(qiáng)(Augment)。

    (1)保護(hù)

    保護(hù)是指保護(hù)GPS系統(tǒng)和信號(hào),以便用戶能夠接收到真實(shí)可用的GPS信號(hào)。此外,干擾檢測(cè)與削弱也是保護(hù)的核心內(nèi)容。對(duì)GPS系統(tǒng)和信號(hào)的保護(hù)包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:

    1)加強(qiáng)立法,對(duì)GPS頻譜進(jìn)行保護(hù),打擊非法GPS干擾器

    目前在GPS的頻段內(nèi)有多種業(yè)務(wù)共存,這些同頻業(yè)務(wù)與GPS之間的兼容性就成為影響GPS信號(hào)可靠性的最重要因素之一。此外,隨著新型GNSS信號(hào)的面世,GPS頻段內(nèi)將變得更為擁擠。由于這些新型GNSS信號(hào)的頻譜更寬,它們之間以及它們與鄰近頻段信號(hào)的兼容性也必將成為一個(gè)潛在的問(wèn)題。

    GNSS非法干擾器也是頻譜保護(hù)工作的一個(gè)巨大威脅。這也迫切需要各國(guó)政府嚴(yán)格立法禁止生產(chǎn)、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(guó)國(guó)家天基PNT執(zhí)行委員會(huì)的聯(lián)合主席就曾建議國(guó)家電信和信息管理部門(NTIA)起草新的GPS頻譜干擾標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃了未來(lái)GPS信號(hào)鄰近頻段內(nèi)地面、商業(yè)應(yīng)用的無(wú)線電頻譜,并確保這些應(yīng)用在實(shí)施過(guò)程中不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的,關(guān)系到經(jīng)濟(jì)、公共安全、科研和國(guó)家安全需要的天基PNT服務(wù)造成影響。

    2)建設(shè)干擾檢測(cè)與削弱系統(tǒng)

    建立干擾檢測(cè)與削弱系統(tǒng)是保護(hù)GPS信號(hào)和系統(tǒng)的一個(gè)最重要的舉措。干擾檢測(cè)與削弱系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的建立標(biāo)志著干擾檢測(cè)與削弱系統(tǒng)的初步建成。美國(guó)的干擾檢測(cè)與削弱系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)土安全部(DHS)負(fù)責(zé),其下屬的海岸警衛(wèi)隊(duì)負(fù)責(zé)的民用系統(tǒng)是干擾檢測(cè)與削弱系統(tǒng)的核心系統(tǒng),它能接收來(lái)自全球的GPS異常報(bào)告,并能實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS干擾進(jìn)行快速檢測(cè)、定位、上報(bào)和歸類的能力。

    干擾發(fā)生前開展的三個(gè)行動(dòng)步驟包括頻譜保護(hù)、立法和打擊非法GPS干擾設(shè)備等內(nèi)容。干擾發(fā)生后包含四個(gè)行動(dòng)步驟,總體而言就是:與通信和執(zhí)法部門合作,改善干擾識(shí)別的時(shí)效性和準(zhǔn)確性,同時(shí)在國(guó)家安全基礎(chǔ)設(shè)施的支持下,開發(fā)檢測(cè)、測(cè)量、定位、削弱無(wú)線電干擾的方法。

    (2)強(qiáng)化

    強(qiáng)化是指強(qiáng)化GPS接收機(jī)的能力。

    在PTA計(jì)劃中,強(qiáng)化包含兩個(gè)方面的內(nèi)容:

    1)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)化

    由于GPS衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率較低,載波頻率卻達(dá)到GHz的量級(jí),使得信號(hào)在自由空間傳播時(shí)產(chǎn)生的損耗較大,這種信號(hào)體制造成了GPS信號(hào)易受干擾的事實(shí)。

    新型GPS信號(hào)中采取了最新的信號(hào)設(shè)計(jì),其中包括增加GPS信號(hào)發(fā)射功率、采取引導(dǎo)信號(hào)提高接收機(jī)跟蹤能力、采取前向糾錯(cuò)控制技術(shù)以進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)解調(diào)門限、采用更大帶寬的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密/數(shù)字特征認(rèn)證處理。其中導(dǎo)航信息認(rèn)證(NMA)是數(shù)字特征認(rèn)證的一種,它是美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)最新關(guān)注的焦點(diǎn),有助于接收機(jī)抵抗欺騙式干擾的影響。

    2)強(qiáng)化接收機(jī)的抗干擾能力

    除了對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)化以外,強(qiáng)化的另一個(gè)方面體現(xiàn)在強(qiáng)化接收機(jī)的抗干擾性能,下面列舉了部分強(qiáng)化接收機(jī)抗干擾性能的措施:

    ①對(duì)天線進(jìn)行改造,如采用調(diào)零天線或者自適應(yīng)抗干擾天線;②研制能夠接收多頻段/多系統(tǒng)GNSS信號(hào)的接收機(jī);③在現(xiàn)有接收機(jī)中加入慣導(dǎo)裝置;④接收機(jī)欺騙干擾識(shí)別技術(shù)和信號(hào)認(rèn)證技術(shù);⑤接收機(jī)時(shí)頻干擾剔除技術(shù);⑥接收機(jī)接收信號(hào)的完好性監(jiān)測(cè)和交叉檢測(cè)技術(shù);⑦更強(qiáng)壯(Robust)的接收機(jī)信號(hào)捕獲和跟蹤技術(shù)。

    美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)將強(qiáng)化GPS接收機(jī)抗干擾性能的行動(dòng)分為兩部分:

    1)針對(duì)接收機(jī)抗干擾技術(shù)或措施,開發(fā)相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ICAO/RTCA/RTCM),如:

    ①GNSS與慣導(dǎo)組合標(biāo)準(zhǔn);②數(shù)字波束天線標(biāo)準(zhǔn);③多GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

    2)鼓勵(lì)用戶使用強(qiáng)化的GPS接收機(jī)

    政府部門應(yīng)幫助和鼓勵(lì)生產(chǎn)商加速研發(fā)和提供新型GPS抗干擾接收機(jī),特別是針對(duì)一些生命安全相關(guān)領(lǐng)域(民航和海事)的應(yīng)用。

    (3)增強(qiáng)

    PTA計(jì)劃中的最后一個(gè)要素就是增強(qiáng)或者替代現(xiàn)有的PNT源,具體包括以下內(nèi)容:

    1)增強(qiáng)空間可用衛(wèi)星的密度和多樣性

    使用多GNSS系統(tǒng)接收機(jī)可以通過(guò)接收多頻段和多系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)來(lái)減少被干擾的可能性,同時(shí)還可以通過(guò)增加接收衛(wèi)星的數(shù)量來(lái)提升服務(wù)性能。同時(shí),利用多個(gè)星座的衛(wèi)星可以滿足用戶對(duì)完好性的需求。如果需要接收其他GNSS星座的衛(wèi)星信號(hào),還需要在不同系統(tǒng)間開展兼容性、互操作性以及互換性三個(gè)方面的合作。

    2)使用互補(bǔ)的PNT源

    在GPS PNT服務(wù)中斷的時(shí)候,可以通過(guò)借助其他輔助系統(tǒng)來(lái)提升GPS的服務(wù)性能。其中偽衛(wèi)星、測(cè)距器和e-Loran都是非常有效的方式。

    美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)將增強(qiáng)GPS系統(tǒng)的行動(dòng)分為兩部分開展:

    第一部分:開展GPS信號(hào)的全球完好性監(jiān)測(cè)。

    ①建設(shè)GPS增強(qiáng)系統(tǒng)。目前,美國(guó)和歐洲分別利用天基增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS和EGNOS來(lái)監(jiān)測(cè)GPS L1 C/A信號(hào)。建立GPS增強(qiáng)系統(tǒng)的目的是要在廣大的范圍內(nèi)使GPS服務(wù)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性達(dá)到一定的要求;②開展接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)。對(duì)于接收機(jī)而言,如果GPS接收機(jī)視線范圍內(nèi)同時(shí)存在6顆以上GPS衛(wèi)星,可以通過(guò)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(RAIM)技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的GPS衛(wèi)星。這對(duì)欺騙式干擾檢測(cè)尤為有效;③借助其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。GPS全球差分網(wǎng)絡(luò)(GDGPS)是一個(gè)獨(dú)立、實(shí)時(shí)的觀測(cè)站網(wǎng),共有超過(guò)200個(gè)監(jiān)測(cè)站。該網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)之一是對(duì)GPS系統(tǒng)本身進(jìn)行完好性監(jiān)測(cè)。

    第二部分:尋找GPS PNT的備份系統(tǒng)。

    針對(duì)航空用戶而言,偽衛(wèi)星、測(cè)距器和e-Loran系統(tǒng)都是目前較為常用的PNT源:①偽衛(wèi)星通過(guò)播發(fā)與GPS類似的信號(hào)進(jìn)行距離修正,但是它可能形成對(duì)GPS的潛在干擾;②現(xiàn)代化的測(cè)距器對(duì)航空用戶仍具有重要意義,并被FAA作為GPS系統(tǒng)的補(bǔ)充手段;③e-Loran的信號(hào)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(dǎo)航中,該系統(tǒng)尤為重要。

    通過(guò)上述目前使用范圍比較廣泛的PNT輔助手段,可以在GPS服務(wù)中斷時(shí)提供與GPS相當(dāng)?shù)腜NT服務(wù)。

    二、美國(guó)PTA計(jì)劃的深入分析

    1.PTA計(jì)劃與PNT政策的關(guān)系

    無(wú)論是美國(guó)的天基PNT政策還是國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究,以及最新的PTA計(jì)劃,從根本上講,都是美國(guó)PNT政策發(fā)展與完善的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程不僅僅體現(xiàn)了美國(guó)國(guó)家PNT政策的發(fā)展,更體現(xiàn)了美國(guó)對(duì)以GPS系統(tǒng)為主的PNT系統(tǒng)和技術(shù)深入認(rèn)識(shí)的過(guò)程。通過(guò)回顧美國(guó)GPS政策的發(fā)展歷程,可以發(fā)現(xiàn)美國(guó)的GPS政策有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

    (1)美國(guó)的GPS政策制訂是一個(gè)不斷發(fā)展與完善的過(guò)程,也是對(duì)GPS系統(tǒng)應(yīng)用不斷深入認(rèn)識(shí)的過(guò)程

    早在1996年,隨著GPS系統(tǒng)的建成和運(yùn)行,美國(guó)成立GPS協(xié)調(diào)委員會(huì)推進(jìn)GPS系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展,并規(guī)定由國(guó)防部和交通運(yùn)輸部分別負(fù)責(zé)GPS系統(tǒng)的軍、民用開發(fā)。隨著俄羅斯GLONASS系統(tǒng)的建設(shè),以及歐洲開始自主的Galileo系統(tǒng)論證,美國(guó)為了提高GPS系統(tǒng)在全球的地位,發(fā)布了多項(xiàng)旨在提高GPS系統(tǒng)在全球應(yīng)用的總統(tǒng)令,如2000年的取消SA政策的總統(tǒng)令等。隨著歐洲Galileo系統(tǒng)的發(fā)展,以及我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè),全球多個(gè)GNSS系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)的局面不可避免,美國(guó)為此在2004年發(fā)布了更新的GPS政策,其中提出了天基PNT系統(tǒng)概念,并進(jìn)一步提出應(yīng)對(duì)干擾與多GNSS系統(tǒng)兼容互操作等發(fā)展內(nèi)容。為了更全面地規(guī)劃GPS系統(tǒng)的發(fā)展,應(yīng)對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題,2006年1月美國(guó)進(jìn)一步啟動(dòng)了國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究,并于2008年9月發(fā)布《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究》報(bào)告,其中明確提出了建設(shè)以GPS系統(tǒng)為基石的國(guó)家PNT體系,并提出了國(guó)家PNT體系建設(shè)應(yīng)遵循的發(fā)展策略和發(fā)展方向,以及為實(shí)現(xiàn)國(guó)家PNT體系而從19個(gè)方面提出的建設(shè)建議。2010年發(fā)布的《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》提出每?jī)赡陮?duì)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)估。

    由此可見,美國(guó)GPS政策的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從單一GPS系統(tǒng)到PNT體系的發(fā)展過(guò)程,這個(gè)過(guò)程體現(xiàn)出美國(guó)對(duì)GPS系統(tǒng)應(yīng)用認(rèn)識(shí)不斷深入的過(guò)程。

    (2)PNT體系結(jié)構(gòu)研究是美國(guó)GPS政策深入發(fā)展的里程碑標(biāo)志

    PNT體系結(jié)構(gòu)研究是美國(guó)GPS政策發(fā)展中的一個(gè)里程碑。它首次將體系結(jié)構(gòu)的概念及其研究方法用于國(guó)家PNT系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)。體系結(jié)構(gòu)是“在不確定性環(huán)境下,為了完成特定使命或任務(wù),由大量功能上相互獨(dú)立、操作上具有較強(qiáng)交互性的系統(tǒng),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(tǒng)”。而PNT體系結(jié)構(gòu)則是在GNSS系統(tǒng)為主的PNT技術(shù)及其應(yīng)用迅速發(fā)展背景下,應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)研究方法對(duì)PNT系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)分析和規(guī)劃工作,其目的是從國(guó)家層面上提出不同PNT技術(shù)領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)原則和發(fā)展建議,為國(guó)家政策制定、組織管理實(shí)施提供支持依據(jù)。

    具體到GPS系統(tǒng)而言,美國(guó)首次將GPS系統(tǒng)提高到PNT的高度,即美國(guó)對(duì)GPS的需求本質(zhì)上是一種PNT的能力需求,而GPS系統(tǒng)是滿足PNT能力需求的一種手段。進(jìn)一步的,從PNT能力需求而言,美國(guó)需要解決在復(fù)雜電磁環(huán)境干擾、物理遮蔽環(huán)境等條件下的高精度、高可靠性(包括系統(tǒng)服務(wù)的可靠性,即系統(tǒng)的完好性)等PNT能力的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。

    基于上述能力需求,以及可能的解決措施(如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、基于地球物理參量的導(dǎo)航手段等),美國(guó)利用體系結(jié)構(gòu)研究方法,開展了PNT體系結(jié)構(gòu)研究,其目的在于規(guī)劃未來(lái)PNT能力實(shí)現(xiàn)所可能依賴的方法或手段,具體表現(xiàn)為PNT系統(tǒng)建設(shè)所應(yīng)遵循的策略和發(fā)展方向,以及具體的發(fā)展建議。這也就是《體系報(bào)告》中提出了最佳準(zhǔn)則,多手段PNT實(shí)現(xiàn)、PNT系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的融合、具有互交換能力的解決方法等可能的發(fā)展方向,以及在此基礎(chǔ)上提出了19項(xiàng)發(fā)展建議。在這些建議中,明確提出了GPS作為PNT體系結(jié)構(gòu)的基石,并強(qiáng)調(diào)了干擾應(yīng)對(duì)、多GNSS系統(tǒng)兼容互操作、GNSS性能監(jiān)測(cè)等多個(gè)技術(shù)問(wèn)題,以及統(tǒng)一的PNT管理機(jī)構(gòu)、PNT相關(guān)的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際合作以及基礎(chǔ)技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。

    (3)PTA計(jì)劃可以看作是美國(guó)PNT體系實(shí)施計(jì)劃中的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程

    美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)研究中提出PNT能力需求所面臨的問(wèn)題,尤其是復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)PNT能力實(shí)現(xiàn)的影響問(wèn)題,以及在GPS實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的干擾問(wèn)題(如紐瓦克機(jī)場(chǎng)的干擾問(wèn)題,以及“光平方”事件),使得美國(guó)在2010年左右開始出現(xiàn)了一種尋求可替代PNT(APNT)的思潮。如美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DARPA)提出的微PNT(Micro PNT)等概念并開展相關(guān)的研究工作;美國(guó)空軍計(jì)劃在Locata系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立不依賴于GPS系統(tǒng)的下一代超高精度參考系統(tǒng)(UHARS);2011年,國(guó)際民航組織(ICAO)導(dǎo)航系統(tǒng)工作組提出,考慮到GNSS系統(tǒng)的易受干擾性,應(yīng)重新審視將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為唯一導(dǎo)航手段的可能性,并提出利用Locata系統(tǒng)、eLoran系統(tǒng)等建立可替代PNT系統(tǒng)的可能性。

    正是為了回應(yīng)大眾對(duì)GPS作為PNT基石的質(zhì)疑,美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)提出了PTA計(jì)劃,旨在通過(guò)保護(hù)、強(qiáng)化和增強(qiáng)GPS來(lái)滿足用戶的PNT需求。

    由此可以看出,無(wú)論是美國(guó)早些時(shí)候的天基PNT政策,還是國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究,以及最新提出的PTA計(jì)劃,其最終目的是實(shí)現(xiàn)美國(guó)國(guó)家層面上更為合理的PNT能力實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。其中, GPS系統(tǒng)(廣而言之是國(guó)家PNT系統(tǒng))發(fā)展政策的制訂與實(shí)施是最終目的;為了達(dá)到這一目的,美國(guó)將體系結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用于PNT系統(tǒng)體系研究,使得對(duì)國(guó)家PNT政策的制訂、規(guī)劃建立在更為合理可行的基礎(chǔ)上;PTA的提出,則是在PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的階段性實(shí)施計(jì)劃。

    2.PTA計(jì)劃的優(yōu)點(diǎn)與不足

    從美國(guó)國(guó)家PNT政策的發(fā)展角度分析,PTA計(jì)劃具有明顯的優(yōu)點(diǎn),可以說(shuō)PTA是國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃中更具有可行性的一個(gè)前進(jìn)步驟。

    美國(guó)在2008年發(fā)布的《體系報(bào)告》僅給出了PNT系統(tǒng)的發(fā)展建議,而在2010年發(fā)布的《實(shí)施報(bào)告》也只是針對(duì)不同系統(tǒng)的發(fā)展建議,“每?jī)赡赀M(jìn)行一次PNT系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)的分析,以保證國(guó)家PNT系統(tǒng)建設(shè)沿著既定的方向前進(jìn)”。但PNT體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展建議如何具體實(shí)施并沒(méi)有給出確定性的形式。此外,《體系報(bào)告》中還指出,PNT體系結(jié)構(gòu)的建設(shè),還需要政策、法律法規(guī)、國(guó)際合作等方面的工作。這些“軟”方面的工作如何具體實(shí)現(xiàn),也沒(méi)有明確的結(jié)論。

    最新的PTA計(jì)劃的提出,則給出了國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)建設(shè)在最近一個(gè)時(shí)期內(nèi)發(fā)展的具體措施。其中包括了政策、法律法規(guī)方面的考慮,如對(duì)GPS干擾的法律定義、從無(wú)線電頻譜上對(duì)GPS信號(hào)的保護(hù)等;從技術(shù)上,體現(xiàn)了國(guó)家PNT體系發(fā)展建議中的多項(xiàng)內(nèi)容,如對(duì)GNSS干擾的監(jiān)測(cè)與減緩、GPS系統(tǒng)的增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)、GPS系統(tǒng)性能監(jiān)測(cè)、多GNSS系統(tǒng)的兼容互操作,以及隨之而來(lái)的國(guó)際合作,等等。

    但同時(shí)也需看出,與美國(guó)規(guī)劃的國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)相比,PTA計(jì)劃更多的集中在圍繞GPS系統(tǒng)開展國(guó)家PNT系統(tǒng)建設(shè)上。盡管PTA中也強(qiáng)調(diào)進(jìn)行GPS系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的組合(增強(qiáng)方面),但與PNT體系結(jié)構(gòu)規(guī)劃中要求的“滿足復(fù)雜電磁環(huán)境、物理遮蔽環(huán)境下”的PNT能力實(shí)現(xiàn)而言仍具有差距。如對(duì)于水下導(dǎo)航等特殊應(yīng)用需求,以及越來(lái)越廣泛關(guān)注的室內(nèi)導(dǎo)航定位,就PTA規(guī)劃的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑而言,顯然不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

    因此,可以認(rèn)為,PTA計(jì)劃是美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃在近一個(gè)時(shí)期內(nèi)的具體實(shí)現(xiàn)形式,它從頻譜保護(hù)、干擾檢測(cè)與應(yīng)用等政策、法律法規(guī)層面和GPS強(qiáng)化、增強(qiáng)等技術(shù)層面上,提出更為細(xì)致可行的國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)途徑。但是,由于PTA計(jì)劃更多的是從GPS為基石的天基PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)出發(fā)考慮問(wèn)題,反映了美國(guó)對(duì)于以GPS為國(guó)家PNT系統(tǒng)基石的爭(zhēng)論,因此,沒(méi)有全面反映出美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究中所期望的多導(dǎo)航手段的全面發(fā)展要求。

    三、結(jié)論

    PTA計(jì)劃是美國(guó)PNT咨詢委員會(huì)提出的一項(xiàng)保障用戶PNT需求的最新舉措。PTA計(jì)劃可以看作是美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃的一個(gè)階段性實(shí)現(xiàn)形式。

    隨著我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè)深入,我國(guó)應(yīng)從PNT系統(tǒng)的高度,從體系結(jié)構(gòu)的角度,開展我國(guó)的PNT體系結(jié)構(gòu)研究與規(guī)劃工作,并根據(jù)我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)展,進(jìn)一步提出具有可行性的階段性實(shí)施計(jì)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.

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