PNT體系關(guān)鍵技術(shù)研究

王冬霞，郭 睿，毛 瀟，馬 真，袁運斌

（1.北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094；2.大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077）

1 引言

隨著GNSS系統(tǒng)的不斷發(fā)展和廣泛應用，其信號弱、穿透能力差、易受干擾等缺點日益突出，難以滿足軍民各類用戶的需求[1，2，3]。如何應對GNSS系統(tǒng)的脆弱性，建立不依賴于GNSS的PNT體系逐漸成為國內(nèi)外新型導航技術(shù)研究的重要方向。

美國于2005年開始研究PNT體系，基于不同物理技術(shù)、設(shè)計原理和算法理論研發(fā)了PNT架構(gòu)[4]，并在2008年發(fā)布了美國PNT體系研究報告[5]，2010 年發(fā)布了美國PNT體系實施規(guī)劃[6]。其基本指導思想是“通過面向能力的研究方法，尋求可以滿足用戶需求的綜合導航技術(shù)方向”，主要目標是“制定一個全面的、不依賴于GPS系統(tǒng)的國家PNT體系，2025年左右為美國提供更加高效的PNT能力”[6]。

于我國而言，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)尚在建設(shè)中，各類輔助和增強系統(tǒng)也正在發(fā)展中。楊元喜院士提出“綜合PNT”概念：基于不同原理的多種PNT信息源，經(jīng)過云平臺控制、多傳感器的高度集成和多源數(shù)據(jù)融合，生成時空基準統(tǒng)一的，且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的PNT服務信息[1]。楊院士等專家學者正在積極推進論證中國PNT體系，如何發(fā)展以北斗信息為核心、綜合利用多種數(shù)據(jù)源的PNT技術(shù)，是我國亟待解決的一個研究方向。

本文首先分析了美國PNT體系的范圍、策略要素、構(gòu)建方法和相關(guān)技術(shù)成果，接著介紹了量子導航、脈沖星導航等未來潛在的PNT技術(shù)，在此基礎(chǔ)上分析得出我國PNT體系的發(fā)展方向和研究內(nèi)容。

2 美國PNT體系發(fā)展概況

2.1 范圍

從范圍上來講，美國PNT體系是國家層面上的，信息源包括GNSS、增強系統(tǒng)、自主導航、深空導航、各類通信數(shù)據(jù)等，用戶包括軍、民、商、科研等，管理域包括各級政府機構(gòu)[7]，如圖1所示。為方便各機構(gòu)部門團結(jié)協(xié)作，于2005年專門成立了PNT體系結(jié)構(gòu)研究小組（ADT，Architecture Development Team）。

圖1 美國PNT體系結(jié)構(gòu)范圍

2.2 策略和要素

美國實現(xiàn)PNT體系的策略是“最大公用數(shù)”，提供可以滿足大部分用戶需求的有效標準方案，如圖2所示。該策略能夠促進GPS現(xiàn)代化，采用低負荷自主特征結(jié)構(gòu)，克服電磁等自然環(huán)境干擾。除了標準方案，還提供專用方案，以保證國家安全并提升服務能力，保持美國在全球PNT領(lǐng)域的主導地位[3]。

圖2 PNT體系的策略和要素

在美國“最大公用數(shù)”的策略下，PNT體系包括四個支撐要素：合作型組織結(jié)構(gòu)、通信融合PNT結(jié)構(gòu)、多模集成方案、可互換方案，如圖2所示。

2.3 構(gòu)建方法

美國PNT體系遵循國家空間安全辦公室（NSSO，National Space Security Off ice）的標準，通過提煉功能來構(gòu)建開發(fā)體系，如圖3所示。具體過程分為：數(shù)據(jù)收集、概念設(shè)計、專家指導、結(jié)構(gòu)構(gòu)建、分析評估等[3]。

圖3 累積式的PNT體系結(jié)構(gòu)開發(fā)過程

因此，美國PNT體系的構(gòu)建方法可分為4步：數(shù)據(jù)收集；權(quán)衡空間構(gòu)建；典型PNT結(jié)構(gòu)開發(fā)；混合PNT結(jié)構(gòu)開發(fā)。在體系開發(fā)過程中，權(quán)衡空間、典型PNT結(jié)構(gòu)與混合PNT結(jié)構(gòu)是結(jié)合需求，通過分析評估、反復討論、迭代完善而確定的，最終形成“目標”體系。

2.3.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集是在體系開發(fā)之前，評估PNT體系功能需求、預期目標的關(guān)鍵。ADT涵蓋了軍事、民用、商業(yè)、科研和國家安全等各領(lǐng)域?qū)＜?，可以收集PNT體系的需求、功能、可用技術(shù)等方面的信息。

具體數(shù)據(jù)包括PNT體系相關(guān)的所有信息，ADT 需要分析未來美國的國家安全環(huán)境，并預測該環(huán)境下PNT服務的威脅和用戶需求。為此，ADT劃分了4個小組，分別承擔未來環(huán)境預測、用戶需求分析、風險管理、演化要素等數(shù)據(jù)收集工作。

2.3.2 體系權(quán)衡空間構(gòu)建

綜合考慮PNT體系的各種因素，包括體積、功耗、成本、自主性、信息更新速率等，ADT提取了三個權(quán)衡軸，以描述PNT技術(shù)的差異性，并提出了一種體系權(quán)衡空間，如圖4所示。在權(quán)衡空間內(nèi)探究全部潛在的PNT解決方案，并設(shè)計了相應的體系結(jié)構(gòu)。此外，ADT還開發(fā)了50個PNT概念以支撐整個權(quán)衡空間，這些PNT概念與權(quán)衡空間的不同區(qū)域相關(guān)聯(lián)，提供了典型體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的基本信息。

圖4 體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡空間

2.3.3 典型PNT結(jié)構(gòu)開發(fā)

為了分析不同PNT結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及其對權(quán)衡空間不同區(qū)域的貢獻，ADT開發(fā)了六種典型的PNT 體系結(jié)構(gòu)（RA）。每種RA位于一個固定區(qū)域，考慮其滿足用戶需求應具備的條件，分析該區(qū)域可能的PNT解決方案。主要目的是進行深入研究，發(fā)現(xiàn)趨勢并確定關(guān)鍵特性，以便開發(fā)合理折中的混合結(jié)構(gòu)。

ADT對各種典型體系結(jié)構(gòu)解決PNT能力缺項以及互操作、適應性、魯棒性和持續(xù)性等指標進行評估，通過打分制來實現(xiàn)，結(jié)果分五個等級。

2.3.4 混合PNT結(jié)構(gòu)開發(fā)

在充分考慮PNT核心要素的基礎(chǔ)上，ADT開發(fā)了三種混合體系結(jié)構(gòu)：最大公用數(shù)體系結(jié)構(gòu)、以網(wǎng)絡為中心的最大公用數(shù)PNT體系結(jié)構(gòu)、可接受的最小公用數(shù)PNT體系結(jié)構(gòu)。與RA不同，混合結(jié)構(gòu)并不人為的限制在某部分特定權(quán)衡空間內(nèi)，而是廣泛合理地集成了整個權(quán)衡空間。它高效的滿足了用戶需求并克服了PNT能力缺項，通過集成涵蓋不同類型的PNT技術(shù)來滿足用戶未來的PNT需求。

2.4 相關(guān)技術(shù)研究

在PNT體系研究報告及實施計劃完成后，ADT 陸續(xù)組織空軍、海軍等單位開展了不同導航技術(shù)的研究工作[8，9]，主要包括：

（1）多源信息融合技術(shù)，如：激光雷達融合導航技術(shù)；地磁室內(nèi)導航技術(shù)；超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)；隨機信號源（SoOP）導航技術(shù)；多源傳感器融合導航技術(shù)；“即插即用”全源導航技術(shù)。

（2）組合慣性導航技術(shù)，如：精確慣導（PINS）和全源導航（ASPN）相結(jié)合的自適應導航技術(shù)（ANS）；微機電精確組合慣導技術(shù)；冷原子干涉組合慣導技術(shù)；GPS緊耦合組合慣導技術(shù)；慣性地磁場導航技術(shù)；圖像輔助慣導技術(shù)；視覺輔助慣導技術(shù)；光學組合慣導技術(shù)。

（3）小型化PNT技術(shù)，如：微機電輔助PNT技術(shù)（Micro PNT）；量子導航輔助光原子鐘技術(shù)；超快激光導航技術(shù)（PULSE）；惡劣環(huán)境下時空定向信息獲取技術(shù)（STOIC）。

從美國目前的研究成果來看，其PNT技術(shù)方向主要有三類：多源信息融合技術(shù)、組合慣導技術(shù)、小型化PNT技術(shù)。這些技術(shù)研究為PNT體系的順利推進打下了良好的理論基礎(chǔ)。

3 未來潛在的PNT技術(shù)

本文廣泛調(diào)研了量子導航技術(shù)、脈沖星導航技術(shù)、Locata技術(shù)等多種正在研究或具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛯Ш郊夹g(shù)，以指導未來PNT技術(shù)的綜合發(fā)展。

3.1 量子導航技術(shù)

量子導航技術(shù)在精度和安全方面有絕對優(yōu)勢。量子導航的精度主要取決于量子脈沖中的光子數(shù)目，可比GPS定位精度高2-4個數(shù)量級。另外，量子加密技術(shù)的安全性很高，通過加密協(xié)議可以防止敵方破譯[10]，還可以檢測竊聽者。

英國正在研發(fā)“量子羅盤”技術(shù)，該技術(shù)不會受到數(shù)據(jù)篡改和信號干擾的影響，通過地球磁場和重力場得到精確的位置信息。其發(fā)展對于核潛艇有著至關(guān)重要的作用，與衛(wèi)星導航技術(shù)相比，能夠更精確定位潛艇的位置，并為發(fā)射導彈提供服務。

3.2 脈沖星導航技術(shù)

脈沖星是一種強輻射、強磁場、高溫度、高密度的快速自轉(zhuǎn)中子星，不易受電磁場影響，在時間基準建立和深空導航研究方面有良好的發(fā)展前景[11]。它能夠為中遠程導彈等近地軌道飛行器提供精確的導航信息，也能夠為深空探測器、星際旅行器提供精確的導航定位和時空基準信息。此外，該技術(shù)可為GNSS提供備份，避免GNSS系統(tǒng)被干擾或被摧毀，具有重要的軍事戰(zhàn)略意義[12]。

國外脈沖星導航技術(shù)正處在全面研究發(fā)展的階段，國內(nèi)相關(guān)研究也取得了顯著成績，研究成果包括脈沖星輻射原理、觀測方法、測量理論模型等。此外，我國500m口徑球面射電望遠鏡（FAST）已于2016年9月25日正式投入使用，大大提高了我國巡天觀測脈沖星的能力。

3.3 偏振光導航技術(shù)

偏振光導航技術(shù)利用大氣或水等傳播介質(zhì)對太陽光的偏振特性，形成包含太陽、地球和用戶位置的偏振信息，用于導航。偏振光導航技術(shù)不需要地球場數(shù)據(jù)支持，同時又有天文導航可靠性好的優(yōu)點，但定位精度是影響該技術(shù)的關(guān)鍵。影響偏振光導航技術(shù)精度的主要因素有：傳感器靈敏度、天空光偏振敏感性。由于其只能描述二維運動，通常需要組合其他的導航技術(shù)實現(xiàn)導航[13，14]。

從傳播介質(zhì)上分類，偏振光導航主要包括大氣偏振光和水下偏振光。例如，大氣偏振光導航技術(shù)通過測量天空光的方向，利用慣導技術(shù)提供艦船姿態(tài)和航向信息，進而實現(xiàn)艦船自動定位導航。當偏振光探測傳感器精度為角分級時，艦船定位誤差理論上優(yōu)于1海里。

3.4 地磁導航技術(shù)

地磁導航技術(shù)的原理是通過地磁傳感器測得實時地磁數(shù)據(jù)，與標準的地磁基準圖進行匹配來定位。其關(guān)鍵技術(shù)包括建立高精度地磁庫、研制高精度磁力儀和研究高效算法[15，16]。

2003年，美國成功研制了純地磁導航系統(tǒng)，其地面/空中精度優(yōu)于30m、水下精度優(yōu)于500m，并逐步用于巡航魚雷和飛航導彈；俄羅斯的研究也遙遙領(lǐng)先，其中SS-19導彈成功應用了地磁等高線制導技術(shù)；芬蘭也成功研制了移動地圖系統(tǒng)（InDooRatlas），通過探測不同點的地磁場強度，為用戶提供室內(nèi)導航服務，在沒有信號的地方也能實現(xiàn)導航服務。

3.5 Locata技術(shù)

通過地基無線電測距進行定位，Locata技術(shù)可以在廣闊環(huán)境中為單點動態(tài)定位提供厘米級實時精度，在物理障礙環(huán)境中可提供連續(xù)信號覆蓋的高精度定位。

Locata網(wǎng)絡由多個地基收發(fā)器組成，采用時間序列擴頻分析技術(shù)，在覆蓋區(qū)內(nèi)發(fā)送同步測距信號，不依賴其他導航技術(shù)即可得到高精度定位結(jié)果，既能單獨使用，也能與其他導航技術(shù)組合使用[17]。美國于2014年公開發(fā)布了《Locata接口控制文件》，詳細介紹了信號結(jié)構(gòu)、傳輸協(xié)議等，并分析了與GPS的異同點[18]。目前Locata的時間精度可達2ns。

4 對我國PNT體系發(fā)展展望

PNT體系逐漸成為國家信息建設(shè)的基石。中國PNT體系需要從國家戰(zhàn)略角度統(tǒng)籌規(guī)劃，指導各種PNT技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建科學合理的PNT體系，滿足軍民商等各方面的PNT服務需求。

綜合分析美國PNT體系概況和未來潛在的PNT技術(shù)，中國PNT體系應以北斗信息為核心，以北斗時空基準為基礎(chǔ)，綜合利用各種潛在的PNT 技術(shù)，提高容錯能力和誤差補償能力[1，19]。因此，天基PNT技術(shù)、地基PNT技術(shù)、組合慣導PNT技術(shù)、多元信息融合PNT技術(shù)等將成為我國PNT體系急需研究的發(fā)展方向。

4.1 天基PNT技術(shù)

天基信息是PNT不可或缺的首要信息源。我國天基PNT技術(shù)應以北斗系統(tǒng)為核心，兼容美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和其他區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)[20]。另外，天基PNT技術(shù)還應考慮各國的星基增強系統(tǒng)（SBAS，Satellite-Based Augmentation System），包括美國WASS、俄羅斯SDCM、歐盟EGNOS、日本MSAS、印度GAGAN 等。除此之外，低成本低軌衛(wèi)星和通信衛(wèi)星可以作為天基PNT信息的來源，其信號強度有利于提升天基PNT的服務能力。

綜上所述，天基PNT體系的技術(shù)優(yōu)勢是信息多源化，但其技術(shù)難點包括：各系統(tǒng)信號不一致、坐標基準不一致、時間基準不一致。因此，如何利用天基PNT信息，設(shè)計信息兼容性強、互操作性強的天基PNT網(wǎng)是我國PNT體系亟待解決且必須解決的關(guān)鍵科學問題。另外，考慮到天基PNT信息容易被干擾，如何將各系統(tǒng)信息與抗差估計理論等方法相結(jié)合，研究天基PNT體系的完好性，最大限度的減少信號異常對系統(tǒng)的影響，是有待研究的問題。另外，在重視天基PNT空間段信息兼容的同時，應同步發(fā)展天基增強基礎(chǔ)設(shè)施，同步開發(fā)各種軍民商科用戶終端及其應用產(chǎn)業(yè)，同步構(gòu)建軍民商科結(jié)合的天基PNT管理機構(gòu)，及時發(fā)布國家PNT政策，有效地推動天基PNT體系的發(fā)展。

4.2 地基PNT技術(shù)

為了確保國家安全，滿足用戶在任何環(huán)境下的PNT需求，中國PNT體系必須研究天基PNT技術(shù)的備份、并采用綜合PNT來解決天基PNT能力不足的問題。

地基PNT信息包括地基增強GNSS、偽衛(wèi)星與其他地基無線電PNT服務信息。目前可利用的地基PNT 系統(tǒng)包括：多普勒導航雷達系統(tǒng)（Doppler navigation radar）、羅蘭系統(tǒng)（ROLAN）、塔康系統(tǒng)（TACAN）、奧米伽系統(tǒng)（Omega）、伏爾系統(tǒng)（VOR）、阿爾法系統(tǒng)（Alpha）等[21]。但是，這些地基信息的利用范圍小，只能作為區(qū)域PNT服務的補充。

對于我國地基PNT體系而言，移動通信網(wǎng)絡、PNT云可以作為重要的信息源。如何統(tǒng)籌地基PNT 信息，發(fā)展兼容天基PNT體系、覆蓋面廣的全球無縫地基PNT服務是相當重要的一個研究課題。

4.3 組合慣導PNT技術(shù)

慣導技術(shù)自主性強，適用于地下、水下、深空等無線電信號不易達到的區(qū)域。鑒于其低成本、易集成的優(yōu)點，以及誤差積累明顯、精度不高的缺點，近年來，我國慣導技術(shù)在組合導航領(lǐng)域取得了顯著發(fā)展。

因此，慣導PNT技術(shù)與天基PNT技術(shù)相結(jié)合，利用天基信息的高精度時間源對慣導信息進行累積誤差糾正，利用慣導數(shù)據(jù)彌補天基導航在物理障礙環(huán)境中信號弱的缺陷，發(fā)展天基慣導組合PNT技術(shù)，為我國軍民商科用戶提供高精度導航，是很有意義的一個研究方向。

4.4 多元信息融合PNT技術(shù)

利用未來潛在的PNT技術(shù)，量子導航、脈沖星導航、偏振光導航、地磁導航等信息，作為天基、地基等PNT技術(shù)的補充和備份，發(fā)展以北斗數(shù)據(jù)為中心、多元信息融合的PNT技術(shù)，以適應各種產(chǎn)業(yè)的導航需求，構(gòu)建一體化全方位的PNT架構(gòu)，是我國PNT體系建設(shè)的終極目。

5 結(jié)束語

本文分層次詳細介紹了美國PNT體系概況，包括范圍、策略和要素、構(gòu)建方法及相關(guān)技術(shù)研究。隨后綜述了未來潛在的PNT技術(shù)，包括量子導航、脈沖星導航、偏振光導航、地磁導航、Locata技術(shù)等。最后總結(jié)得出我國PNT體系的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在天基、地基、組合慣導、多源信息融合的PNT技術(shù)等方面。

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