美國PNT 信息源建設進展及啟示

陳汗龍，龔亮，李睿，鄭曉雪

( 北京衛(wèi)星導航中心, 北京 100094 )

0 引言

定位、導航和授時(positioning, navigation and timing, PNT)體系的目標是擺脫對單個信息源的依賴，利用多種PNT 信息源為用戶提供全天候、全覆蓋的服務. 作為最早謀劃PNT 體系架構、規(guī)劃建設的美國，2010 年在國防部和交通部的帶動下，開始研發(fā)不同PNT 信息源的深度融合技術[1]，計劃在2025 年完成建設并提供高精度服務，將它作為維護國家安全、增強軍事實力和發(fā)展國民經(jīng)濟的重要基礎設施[2].PNT 體系優(yōu)勢在于高可靠性、高穩(wěn)健性和高可用性，能滿足不同區(qū)域、多種場景用戶的PNT 需要，它的發(fā)展已成為大國科技、軍事及商業(yè)競爭的重要領域. 本文主要對美國PNT 體系政策、PNT 信息源建設現(xiàn)狀進行梳理和分析，同時對我國PNT 信息源建設發(fā)展提出了具體建議.

1 美國PNT 政策概述

美國及其軍方意識到僅由GPS 提供的天基PNT服務存在極大安全隱患，近年來不僅努力升級和增強GPS，更是致力發(fā)展與低軌通信衛(wèi)星、與陸基無線電系統(tǒng)和自主導航系統(tǒng)深度融合的新技術，構建一個彈性、可靠、開放和模塊化的國家PNT 體系[3-4]，力圖形成新的非對稱PNT 信息優(yōu)勢，以適應復雜電磁環(huán)境下的應用需求.

近20 年來，美國發(fā)布了多個與PNT 體系建設相關的政策：2004 年發(fā)布的《GPS 政策》第一次提出“天基PNT 系統(tǒng)”概念；2008 年提出了維持實時有效的“PNT 能力”19 條建議；2010 年發(fā)布了《PNT 體系實施規(guī)劃》，提出要改進天基PNT 和地基PNT 功能，計劃2025 年構建一個彈性、可靠、互補和穩(wěn)健的國家PNT 新體系作為美國經(jīng)濟和國家安全的基礎；2018 年簽署了《2018 年國家授時彈性和安全法案》，提出建立GPS 補充和備份授時系統(tǒng)；2019 年發(fā)布了《國防部PNT 體系戰(zhàn)略》為各部門制定了統(tǒng)一行動綱領，確保美在PNT 領先優(yōu)勢；2020 年發(fā)布了《通過負責任地使用定位導航與授時服務以增強國家彈性》行政令，讓依賴PNT 信號的關鍵基礎設施免受干擾和操縱，提升PNT 服務的安全性和彈性.

2021 年1 月美國發(fā)布了《航天政策7 號令》(SPD-7)，即2021 版《美國天基定位、導航與授時政策》，它的發(fā)布旨在保持美國在天基PNT 領域的核心領導地位，內容中新增加了“PNT 服務”、“主要PNT 服務”、“備份PNT 服務”和“導航戰(zhàn)”四條術語[5]，前三條的增加是因提供PNT 信息源的增多、建設備份PNT 的需要，此前天基PNT 領域僅有GPS 提供服務，第四條“導航戰(zhàn)”的增加可推斷美軍認識到導航對抗已成為爭奪戰(zhàn)場的時空信息制權和支撐美軍聯(lián)合作戰(zhàn)的重要領域.

上述政策的實施將加速美國PNT 體系的建設、發(fā)展和能力生成，總體目標可概述為三個方面. 一是構建三層級全域體系架構，將PNT 體系服務范圍劃分為全球層、區(qū)域層和局域層，全球層以GPS 或盟友GNSS 作為主要PNT 源[4]；區(qū)域層以天基或陸基系統(tǒng)保障PNT 彈性能力；局域層主要使用陸基射頻PNT 源、集成通信系統(tǒng)和自主PNT 源. 二是保持己方使用：1)建設提升美國PNT 系統(tǒng)、PNT 增強系統(tǒng)及其應用裝備的安全能力. 2)研發(fā)干擾探測技術，具備更強的抗干擾及抗被操縱能力，保證美國和盟國的安全. 3)建立關鍵基礎設施、資源的PNT 備份源.4)保護GPS 及其增強系統(tǒng)當前使用頻譜，研究增加GPS 和PNT 服務彈性的其他無線電頻譜[5]. 三是阻止敵方使用. 有選擇地拒止敵方使用PNT 信息，提升阻止敵方惡意使用其PNT 服務的能力[6].

美國力圖建立并維護在全球PNT 領域的領先性和主導地位，保持技術優(yōu)勢. 其國防部在2018 年指出：PNT 體系已經(jīng)嵌入到國防部的所有任務系統(tǒng)中，精準的PNT 信息源融合提高了軍隊指揮和控制的協(xié)調性. 美軍已開始使用多種PNT 系統(tǒng)和裝備，為自身、盟友和聯(lián)盟企業(yè)提供全面的PNT 能力以應對軍事斗爭的需要，確保戰(zhàn)場導航權[7].

2 美PNT 信息源建設進展

PNT 體系基于“不同原理”的多種PNT 信息源，在接口層、數(shù)據(jù)層和應用層進行深度融合，保證在某一信息源中斷或受到干擾，其余信息源仍可持續(xù)為各類用戶提供精準的PNT 服務. PNT 體系信息源通常由天基PNT 信息源、地基PNT 信息源和自主式PNT信息源三種類型組成[8]，如圖1 所示[2-3].

圖1 PNT 體系常用信息源

在軍事領域，美軍提出以GPS 為基石，利用一切可用的導航信息源，使用標準化接口融合處理，為各軍種提供不同作戰(zhàn)背景下高精度、高可靠及高實時性的PNT 信息保障能力；在民用領域，美國提出以GPS 為首選方案，利用天基、地基增強系統(tǒng)提升PNT服務性能，并部署eLoran 系統(tǒng)作為GPS 的備份[3-6].當前，美PNT 體系信息源建設的重點有以下幾個方面.

2.1 GPS 現(xiàn)代化改造

GPS 作為美國PNT 體系的基石，它的地位和作用在各類PNT 信息源之上，主要擔負著PNT 體系時間和空間基準的傳遞與維持功能，為其他PNT 源或用戶提供初始信息修正和校正服務[9]. GPS 衛(wèi)星的現(xiàn)代化改造包含兩個型號：GPS-3 和GPS-3F. GPS-3 衛(wèi)星主要能力變化[10]：一是星座采用交叉鏈接的指揮和控制架構，允許從單個地面站同時更新整個GPS星座；二是增加了L1 頻段的互操作信號L1C，擴展了服務用戶范圍；三是定位精度提高3 倍，抗干擾能力提升8 倍. GPS-3F 衛(wèi)星在GPS-3 的基礎上[10]：一是搭載激光后向反射器陣列，用于提高衛(wèi)星軌道測量精度和服務質量；二是具備點波束信號功率增強能力，使用軍用高增益天線實現(xiàn)GPS 軍用信號20 dB的點波束信號功率增強，可在全球任意兩個區(qū)域同時實施，功率增強區(qū)域直徑達1 000 km；三是具備全數(shù)字導航有效載荷，結合新一代數(shù)字波形發(fā)生器，實現(xiàn)靈活的抗干擾、抗欺騙技術. 美軍認為GPS-3F 星座部署完成后將進一步提升區(qū)域軍事保護能力，可在戰(zhàn)區(qū)提供高達60 倍的抗干擾能力，保障美軍和盟軍在戰(zhàn)時復雜電磁環(huán)境下GPS 的可用性. 2019 年，美國空軍的導航技術衛(wèi)星三號(Navigation Technology Satellite-3, NTS-3)項目計劃也開始實施，作為GPS地球靜止軌道補充衛(wèi)星星座，NTS-3 用于驗證如遭遇電子干擾下的衛(wèi)星新信號部署的在軌可再編程等快速恢復能力、相控陣天線波束操控定向增強等關鍵技術[11]，會有效增強美國PNT 能力. 此外，與GPS-3改造相配套的新一代地面運控系統(tǒng)(operational control system, OCX)也在不斷更新升級，目標是全面滿足將來系統(tǒng)空間段的運行、控制與管理要求，增強賽博安全與信息保障能力[12].

2.2 與低軌通信衛(wèi)星融合

2016 年美國銥星公司開展了衛(wèi)星時間和位置服務(satellite time and location, STL)試驗，目的是為軍用用戶和民用電力、網(wǎng)絡和金融等關鍵基礎設施提供GPS 備份定位授時服務. STL 定位精度可達20 m，授時精度1 μs，具有軌道高度低和通信速率高兩大特點，較GPS 有四大優(yōu)勢：一是信號功率強，落地信號電平和抗干擾能力較GPS 提升30 dB，能夠在高衰減條件和一定干擾條件下提供定位授時服務；二是衛(wèi)星幾何位置變化快，可完成實時、快速的高精度定位；三是信號加密，不易受到干擾和欺騙；四是通信速率高，電文傳輸快. 2019 年銥星完成了二代75 顆星座的部署，2020 年3 月成功驗證了在GPS 信號被干擾、欺騙或不可用情況下，利用銥星系統(tǒng)可提供持續(xù)的PNT 服務能力，彌補了GPS 性能缺陷.

當前的“星鏈”(Starlink)計劃也備受關注，2022年有數(shù)萬臺“星鏈”終端在烏克蘭運行，為恢復烏克蘭境內網(wǎng)絡通信、支援烏武裝力量情偵監(jiān)活動和打擊俄軍目標等均發(fā)揮了作用. 在PNT 服務上，“星鏈”可搭載GNSS 接收機作為“星基監(jiān)測站”參與高中低軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌和精密鐘差測定，利用低軌優(yōu)勢實現(xiàn)信號與信息雙增強，通過快速變化的幾何構型解決精密定位慢的問題[13]，實現(xiàn)天基PNT 服務精度實時性、完好性和連續(xù)性的增強. 2022 年12 月SpaceX 推出的基于“星鏈”技術的“星盾”計劃，已明確表明將用于軍事用途，為美國防部和情報局主要提供安全數(shù)據(jù)加密通信、對地遙感觀測、安全數(shù)據(jù)處理和模塊化托管各類型軍用載荷等服務，可預測全面建成后不僅可提供完備的戰(zhàn)場通信能力，也可用于向全球的己方作戰(zhàn)單元提供精準的PNT 信息，同時對敵對國衛(wèi)星信號進行壓制干擾甚至欺騙干擾.

2.3 部署地基eLoran 系統(tǒng)

2020 年美國政府申請4 億美元預算重新部署eLoran 系統(tǒng)作為GPS 的備份，目的在GPS 不可用的情況下提供PNT 服務. eLoran 系統(tǒng)的前身是Loran系統(tǒng)，它的無線電收發(fā)基站的作用與衛(wèi)星功能相同，由19 座地面塔組成，其信號可穿透建筑物、隧道以及地下. eLoran 系統(tǒng)的特點：一是增強了信號強度，系統(tǒng)使用高功率、低頻帶無線電信號，使得其信號基本不可能被阻斷，可靠性高達99.999%；二是加強了安全防范，在Loran 系統(tǒng)的基礎上，增加了一個數(shù)據(jù)傳輸通道，以承載需要加密的信息傳遞. 全面建成后eLoran 系統(tǒng)的地面基站數(shù)量將增加到25 座，服務范圍可超過10 000 km，定位精度(8~20 m)[14]. 2020 年5 月美發(fā)布的《GPS 定位導航與授時備份與補充能力報告》中稱，eLoran 在授時、位置導航能力方面可滿足替代主要PNT 系統(tǒng)的需求. 美軍方正研究利用eLoran 作為GPS 有效備份和補充的演示驗證和性能評估，以增強導航戰(zhàn)中的備份保底能力.

2.4 推動自主導航項目研發(fā)

自主導航信息源是PNT 體系的重要補充，它的優(yōu)勢在于解決有遮蔽或干擾情況下PNT 不可用的問題，提升PNT 體系的魯棒性. 美國軍方一方面持續(xù)發(fā)展其慣性導航技術、匹配導航技術、天文導航技術和多普勒導航技術，例如AN/WSN-7 自主式環(huán)形激光陀螺慣性導航系統(tǒng)，它的成本低、體積小，可靠性高，精度可達1 海里/14 天[15]，系統(tǒng)完全自主，可免遭電子攻擊，其換代產(chǎn)品AN/WSN-12 也通過了設計評審.另一方面在美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的主導下已啟動多個專項計劃. 如微PNT 計劃：以微機電、微電子技術為基礎，發(fā)展輕量級、自校準的慣性導航和芯片級原子鐘等PNT 核心組件. 自適應導航系統(tǒng)：對PNT 新算法和新體系結構研究，實現(xiàn)多平臺PNT傳感器的快速集成，滿足GPS 拒止條件下PNT 服務的可用性，主要包含精確慣導系統(tǒng)和全源導航系統(tǒng).量子輔助感知與讀出：研發(fā)新一代磁場、力學和時間量子傳感器，應用在慣性導航和計時守時等領域. 超快激光科學與工程：發(fā)展生成與控制超快光脈沖的技術，實現(xiàn)更高精度的遠距離時間與頻率同步[9,16-17].

上述PNT 信息源的建設和發(fā)展，表明美國在整體規(guī)劃上理清并確定了PNT 能力發(fā)展的脈絡與途徑，已進入PNT 體系建設的實質性階段. 不斷改進和優(yōu)化GPS，持續(xù)發(fā)展建強基于不同原理(天基PNT 信息源、地基PNT 信息源和自主PNT 信息源等)的冗余PNT 信息源，全面啟動多PNT 信息源融合和關鍵技術的研發(fā).

3 對我國PNT 信息源建設啟示

為統(tǒng)籌利用好各類導航資源，解決僅由北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)提供單一PNT 源的脆弱性，同時解決用戶在不同場景下PNT 的需求，我國也在加速研究和建設綜合PNT 體系，其概念由楊元喜院士提出：“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]. PNT 體系的建設和發(fā)展必須做好頂層設計和結構規(guī)劃，從國防、經(jīng)濟和社會發(fā)展等長遠戰(zhàn)略角度出發(fā)，以服務效能最大化、資源利用最優(yōu)化和發(fā)展模式最簡化理念為指導，重點解決標準不統(tǒng)一、協(xié)同不完善、服務效能低、抗毀能力弱等現(xiàn)實問題[17].

我國PNT 信息源應當以BDS 為基礎支撐，其他多類型PNT 信息源相互增強、融合、補充和備份[18]，為空間、地表、室內、水下及有遮擋區(qū)域用戶提供高精度高可靠的PNT 服務，滿足各類軍事任務、商業(yè)活動及科學實驗的需求. 如圖2 所示[6-7].

圖2 我國綜合PNT 服務構想

3.1 以BDS 為基石

2020 年8 月北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System, BDS-3)正式開通運行，全球定位精度10 m，授時精度20 ns，承擔著為國際用戶提供PNT、全球短報文通信和國際搜救等任務，是國家信息化基礎設施，已成為國防安全、經(jīng)濟安全和公共安全的重要支撐平臺. 當前，BDS 是我國天基PNT 信息的主要來源，未來國家PNT 體系一定是基于現(xiàn)有BDS 延拓的全空間覆蓋體系[11]，為其他PNT 信息源提供時空基準，為特殊用戶提供高精度服務，為多場景用戶提供全覆蓋服務. BDS 要持續(xù)進行升級改造，探索下一代由高低軌組成的北斗混合導航星座，與國內外基準站數(shù)據(jù)資源互融互通，建立統(tǒng)一、高精度的時空基準，進一步提升系統(tǒng)各項服務性能指標，推動BDS 未來發(fā)展.

3.2 以多種PNT 信息源為依托

我國PNT 體系應由多種不同原理且各自可獨立運行的PNT 信息源組成，各信息源之間相互補充、備份，以確保空、天、地、海及有遮擋區(qū)域PNT 服務的連續(xù)性，避免因單一信息源受到干擾或遭毀情況下導致PNT 服務中斷. 國家PNT 信息源可分為三大類：一是天基PNT 信息源，以BDS 為主，兼容GPS、GLONASS和Galileo，建強并升級現(xiàn)有星基增強系統(tǒng)，與低軌通信衛(wèi)星融合，充分挖掘低軌星座的高功率、高速率和抗干擾優(yōu)勢，作為BDS 信號的補充和增強；二是地基PNT 信息源，構建由“長河”二號、長波授時系統(tǒng)(BPL)、短波授時系統(tǒng)(BPM)、移動通信和無線網(wǎng)絡系統(tǒng)等組成的地基廣域系統(tǒng)，為我國及周邊用戶提供區(qū)域級PNT 服務，并作為BDS 的備份. 三是自主導航信息源，推動慣性導航信息源、匹配導航信息源和自適應導航信息源的研發(fā)，充分利用它們自主性強，可獨立運行的特點，完成用戶在水下、地表、遮擋區(qū)域以及近地空間等特殊場景時PNT 信息的自主推算，作為PNT 體系的重要補充.

3.3 以信息融合技術為關鍵

不同類型的PNT 信息源要相互補充、協(xié)同、集成，解決因單一信息源中斷導致的PNT 服務不可用問題，否則再多的信息源也無法增強PNT 體系的可用性和魯棒性，要建立精確、高效、統(tǒng)一的觀測信息數(shù)學模型和數(shù)據(jù)融合算法，規(guī)范PNT 信息源的接口標準，推進不同PNT 信息源原始觀測數(shù)據(jù)的深度融合和互聯(lián)互通[2,17]：一是空間基準的歸一，可采用中國2000 坐標基準；二是時間基準的統(tǒng)一，可以以中國北斗時間(BDT)為時間基準，為其他PNT 源提供精密授時及時間比對業(yè)務，完成系統(tǒng)的時間歸算、時間同步和時間修正等任務，讓系統(tǒng)內部和用戶端都對應同一時標；三是觀測信息的統(tǒng)一，基于不同背景、不同原理構建的PNT 體系服務系統(tǒng)，其數(shù)學函數(shù)模型是不同的，各類PNT 觀測信息的數(shù)學模型必須表示成相同的位置、速度和時間參數(shù)等信息，才能融合輸出可用、連續(xù)和穩(wěn)健的PNT 應用信息[16].

3.4 以協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展為驅動

一方面瞄準國內外前沿領域研究方向，根據(jù)PNT 體系對多信息源的實際需求，加快開展脈沖星信號、匹配導航信息、激光導航信息、量子導航信息和水下聲吶信標等PNT 信息源的工程實踐及市場應用研發(fā)，融入國家PNT 體系，滿足特殊區(qū)域用戶需求的同時，實現(xiàn)真正的多信息源補充、組合. 另一方面要加強關鍵技術攻關，發(fā)揮軍地間協(xié)同創(chuàng)新優(yōu)勢，各部門深度參與核心集成電路、電子元器件、基礎芯片、微型陀螺技術、芯片原子鐘和芯片級組合原子導航儀等領域的研發(fā)，具備核心器部件的研制和生產(chǎn)能力，進一步突破導航與遙感、通信、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等領域的融合應用，實現(xiàn)PNT 服務的智能化，使其具備較強的容錯能力、備份能力、故障處置能力及安全防護能力. 此外，還要注重人才隊伍建設，增強PNT 人才和政策法規(guī)建設，作為PNT 信息源建設的保障，并引入民營資本，發(fā)展相關產(chǎn)業(yè)，規(guī)范市場行為，提高治理水平. 目前PNT 技術領域人才培養(yǎng)嚴重短缺將不利于我國PNT 體系和信息源建立完善以及PNT 技術水平的提高.

4 結束語

在PNT 體系發(fā)展的大背景下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其他PNT 信息源已從單一軍事應用、軍事需求的競爭轉變?yōu)閲覒?zhàn)略、綜合國力的競爭，直接影響除國防外的金融、電力、交通、通信等系統(tǒng)的安全，要掌握PNT 領域的核心技術，推動我國天基、地基和自主PNT 信息源的研發(fā)和升級改造，不斷向集成化、智能化和微型化的方向發(fā)展延伸. 我們要以BDS 作為支撐平臺，整合軍地優(yōu)質資源，協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)多PNT信息源的數(shù)據(jù)融合、應用集成，完善備份補充和保底手段，確保非常時期己方PNT 體系的安全性、可靠性和可用性.