美國國家天基PNT概況①

郭麗紅，李 洲

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094）

0 引 言

2004年，美國公布了名為“美國國家天基定位、導航和定時政策”的文件，用以取代1996年美國“總統關于美國全球定位系統政策的決定的訓令”［1]。采用“天基定位、導航和定時（Space－Based Positioning、Navigation and Timing，PNT）”取代“全球定位系統（GPS）”，在明確文件范疇（PNT中除了包括GPS，還包括利用天基技術提供更好PNT服務的所有系統，如由美國交通部維護的各種增強系統）的同時，還從國家定位、導航和定時戰略的高度賦予GPS系統國家戰略使命，將GPS的重要性提升到了國家基礎設施的高度，并為GPS系統提供了地基的備用系統。簡要介紹PNT相關政策及體系結構，并分析了PNT的安全問題。

1 美國國家天基PNT推出背景

隨著衛星導航系統在軍事、民生各個方面的作用日益顯著，全球導航系統的競爭更加激烈。在20世紀70～80年代，美國的GPS與前蘇聯的GLONASS曾經有過競爭，伴隨前蘇聯的解體、俄羅斯的財力問題，GPS獨霸天下；進入21世紀，歐洲GALILEO計劃出臺，俄羅斯的GLONASS提出了復蘇計劃，引發了新一輪全球導航衛星系統競爭，GPS必須面對這一挑戰。

另一方面，由于GPS在美國經濟生活中的重要性，美國必須將其納入反恐范疇，即美國必須防止恐怖分子擾亂GPS而對美國的經濟和社會生活造成混亂，防止恐怖分子利用GPS對美國造成危害，包括使用基于GPS的精確打擊武器攻擊其要害部門。

為了保持并鞏固其引領全球導航系統的主導地位，為了美國的國家安全，美國在2004年4月發布GPS第三號總統令，成立國家天基PNT執行委員會，強化GPS的管理，并在2005年11月發布了《全球定位系統（GPS）的將來》的專門報告，2006年2月美國聯邦航空局（FAA）又發布了2005聯邦無線電導航計劃［2]，從多個方面促進PNT的建設。

2 美國國家天基PNT執行委員會［3－7]

2.1 天基PNT執行委員會的構成

根據2004年的新政策，美國成立了“國家天基PNT執行委員會”，天基PNT執行委員會由國防部副部長和交通部副部長共同擔任主席，其他參加執行委員會（NASA、商業部、文化部、國土安全部等）的部或機構的代表也有相應的行政級別［1]。

與根據1996年政策而建立的聯席GPS執行局（IGEB）相比，國防部和交通部分別作為GPS軍用和民用的主要負責單位的格局沒有改變，由于IGEB由國防部助理部長和交通部助理副部長共同擔任主席，因此，PNT執行委員會的級別比IGEB的級別有所提高，PNT執行委員會將比IGEB在決策方面發揮更大的作用。

2.2 PNT執行委員會的主要活動

PNT執行委員會自2004年成立以來，其主要工作包括項目協調、頻譜管理、國際合作以及對外聯系。

1）項目協調

主要項目包括：5年的國家計劃；國家PNT體系結構；GPS現代化；資助民用GPS；國家差分GPS（Nationwide Differential GPS）；增強 LORAN；求救信號發送衛星系統（Distress Alerting Satellite System）。

2）頻譜管理：干擾檢測和緩解計劃；頻譜保護計劃。

3）國際合作：雙邊合作，多邊合作。

已經與歐洲、日本、俄羅斯、印度和澳大利亞建立了合作關系。

國際合作的目標是：兼容和互操作；國家安全；全球市場上的標準競爭（Level playing field）。

多邊合作對象包括：全球導航衛星系統國際委員會；國際民航組織（ICAO）；國際海事組織（IMO）；NATO.

美國一直關注世界上其他國家的全球導航衛星系統。目前的全球星座包括：在用的美國GPS和俄羅斯GLONASS，在建的歐盟Galileo，在建的中國“北斗”。地區性星座有：日本的QZSS，印度的IRNSS。天基增強系統有：美國 WAAS（Wide Area Augmentation System），日本的 MSAS，歐盟的EGNOS，印度的GAGAN。地區性星座和天基增強系統除美國的 WAAS、歐盟的EGNOS、日本的MSAS已經建成外，其它基本還都處于建設階段。

4）外部聯系：出版物，網站；教育展示；會議，研討會等；與U.S.message的協作。

PNT項目和政策的重點是：

1）GPS性能的持續改進：增強系統的更高性能，新的GPS信號，現代化提供的空前的新能力；

2）美國政府鼓勵民用GPS和增強系統的全球使用；

3）國際合作具有高優先權（積極鼓勵多邊／雙邊的磋商）；

4）每當新的全球導航衛星系統和應用出現，兼容性和互操作是關鍵；

5）美國的目標是保持GPS成為公認的全球“金標準”。

3 PNT 主要政策［1，3，6]

美國公布的名為“美國國家天基定位、導航和定時政策”文件由幾部分構成：新政策的適用范圍；美國制訂本政策的背景，即美國GPS所面臨的形勢和美國應如何應對；目的和目標；對外國接入美國天基PNT能力的規定，重點是GPS技術和產品出口管制的原則；對美國各政府機構在天基PNT方面的作用與職責規定等。

PNT政策最基本的目的是要使美國維持天基PNT服務、增強系統、備份能力和服務阻止能力。目標是美國政府將如何做，以實現所列目的［1]。

目的有6條：

1）確保服務：提供不間斷的PNT服務；

2）滿足要求：滿足不斷增長的軍民用需要；

3）軍事卓越性：保持卓越的軍用天基PNT服務；

4）保持競爭力：繼續提供超越國外民用天基PNT服務與增強系統的民用服務；

5）全球集成性：保持作為國際已接受的PNT服務的基本組成部分，即促進其他國家全球導航衛星系統與GPS系統的全球兼容和互操作；

6）技術領先性：保持美國在該領域的技術領先地位。

目標有7條：

1）通過GPS為美國和盟國軍隊提供不間斷的天基PNT服務而不依賴外國的PNT服務。

2）通過GPS及增強系統在世界范圍內免費持續提供公開的民用PNT服務，并免費公開提供研制用戶設備所需信息。

3）提高阻止敵對方使用天基PNT服務的能力，提高民用PNT服務的抗干擾能力。

4）改善天基PNT服務的性能，包括更魯捧的抗無意干擾能力。

5）保持GPS繼續作為美國多種關鍵基礎設施的組成部分。

6）鼓勵國外使用GPS。要確保外國天基PNT系統與GPS及增強系統的互操作與兼容。與國外的全球導航衛星系統提供者互通安全信息，防止天基PNT服務被敵意地使用。

7）促進美國國內最大限度地使用美國的PNT服務和能力。

4 PNT體系結構和對GPS系統的主要改進［7，9]

在PNT執行委員會的領導下，美國國家安全太空辦公室（NSSO）聯合美國交通部研究創新技術管理局（DOT／RITA）、國防部負責網絡及信息集成的副部長辦公室（OASD（NII）），與政府其它機構合作，完成了一套國家PNT體系結構的開發。該體系結構確立了美國要在PNT方面占據全球領導地位的愿景、實現這個愿景的戰略、戰略包含的諸多要素、實施這些要素的建議。

2008年，美國國家安全太空辦公室聯合美國交通部研究創新技術管理局、國防部負責網絡及信息集成的副部長辦公室，于9月16日舉辦工業日，向工業界介紹PNT體系結構，并討論結構轉變的規劃。下文簡要介紹PNT體系結構與相關資料。

4.1 PNT體系結構簡介

4.1.1 PNT體系結構研究背景

應網絡和信息集成部副部長（Assistant Secretary of Defense for Networks and Information Integration）、交通部政策部長（Secretary of Transportation for Policy）、國家天基PNT執行委員會之請求而進行。所形成的產品是20年戰略，用以指導近期和中期的PNT能力決策。

4.1.2 PNT體系結構的范圍

PNT體系結構涉及的范圍主要有：用戶（軍事用戶、國土安全用戶、民用、商用、個人），領域（太空、天空、地面、地下），任務，資源，提供者（軍事、民事、商業、國際）。

4.1.3 PNT體系結構

體系結構的開發過程是一個積累的過程：數據收集、概念開發、分析和評估、多個團體的參與等。

與國家PNT體系結構開發相關的研究主要有：聯合規劃和開發辦公室的“下一代航空運輸系統衛星導航備份研究”，蘭德公司的“確保有效的PNT”，美國交通部和聯邦航空局的“航空導航進化路線圖”、“GPS進化體系結構研究”，國家天基PNT協作辦公室的“5年規劃和評估”，國防部的“國防部PNT S＆T路線圖更新”，美國戰略司令部的“PNT聯合能力文件”、“PNT功能解決方案分析”等。

以來自美軍美國戰略司令部（USSTRATCOM）的“PNT聯合能力文件”為主要依據，并根據并行的民間團體文件和討論加以修正，所得到的體系結構現狀與未來愿景之間存在的PNT縫隙主要有：不良物理環境；不良電磁環境；與完整性相伴的更高的精度；高緯度／空間位置和方位；建模能力不足；等。

PNT體系結構要消除前述由國防部和交通部（DoD、DoT）識別的縫隙，尋求開發和建設一個有效益、有效率的體系結構，該體系結構要足夠靈活，能夠利用和適應不斷變化的環境和機會。主要目標是要以長期愿景為基礎，在中、短期內指導相關的決策制定。

國家PNT體系結構的指導性政策包括愿景、戰略等，示意圖見圖1。

圖1 國家PNT體系結構的指導性政策示意圖

國家PNT體系結構的愿景是：美國在全球PNT的領導地位。具體內容包括：

1）國家PNT體系結構以2004年總統簽署的關于天基PNT的政策為基礎；

2）有效地（成本、時間進度、可接受的風險、用戶影響）開發最佳的技術和系統；

3）發布穩定的政策；

4）通過商業領域內的競爭鼓勵創新；

5）確保魯棒性和持久的局間協作和合作；

6）使軍用、民用、商業以及國外系統和技術的實際應用最大化；

7）深思遠慮地開發并提供標準和最佳實踐。

國家PNT體系結構的戰略是：通過一個更通用的標準化的方法，美國可以最好地實現效率和效益。具體內容包括：

1）以通用的解決方案滿足通用需求；

2）發布一個主流的“依賴的”體系結構（predominantly“dependent”architecture），在該結構中，用戶信賴外部資源；

3）加速正在進行的美國全球導航衛星系統GPS的現代化，確保全球服務和支持國家利益；

4）促進采用低負擔的“自主”特色（low－burden“autonomous”features），增強魯棒性；

5）特殊需求仍要求特殊的解決方法；

6）權衡對軍用PNT優勢需求的提供或使能能力。

在以上工作的基礎上，設想的PNT（2025年）體系結構見圖2，PNT體系結構建議見圖3。

PNT體系結構將用于：

1）為后續的從GPS向PNT的轉換提供信息；

2）是未來聯邦無線電導航規劃開發的基礎；

3）定義一個未來的PNT系統之系統體系結構；

4）指導未來PNT系統的預算／投資決策；

5）評估新需求＆新能力的框架依據；

6）對現有PNT規劃、要求、預算、進度、合作伙伴、投資和政策進行建議的依據；

7）是未來5年國家天基PNT規劃的關鍵輸入；

8）指導國防部和民用PNT科學＆技術路線圖的開發。

4.2 對GPS系統的影響和GPS的主要改進活動［4，6，8]

4.2.1 系統發展

在天基PNT的框架下，未來美國關于GPS的主要政策是：作為美國天基定位、導航和定時（PNT）體系的主要構成系統，繼續提供卓越的天基PNT服務，領導未來的全球導航衛星系統之系統。

對GPS系統的改進按區域分為國家增強系統和全球增強系統兩部分。

國家增強系統包括：廣域增強系統（WAAS），局域增強系統（LAAS），持續操作參考站（Continuously Operating Reference Stations），國家差分GPS（Nationwide Differential GPS）。

全球增強系統包括：天基增強系統，差分GPS網絡，國際全球導航衛星系統服務，全球差分GPS系統。

對GPS系統的改進按星、地劃分為GPS衛星的改進、地面控制系統的改進和用戶部分的改進。

4.2.2 GPS衛星

為了保持美國在衛星導航領域的經濟和軍事領先地位，美國一直在準備發射GPS系統III型衛星。

GPS系統III型系統有望達到目前GPS系統發射功率的約500倍，以提升其抵抗干擾的能力；并將擁有第二和第三個頻率來包含民用信號，更強的信號傳輸，能夠實時為地面物體提供1m以內的精確定位。GPS III衛星將提高精確度、完整性和抗敵方干擾的能力，為軍方和民用客戶提供更佳的定位、導航和定時服務。這些新能力將在發展的三個GPS系統系列中添加。首個BLOCK IIIA型全球系統衛星計劃于2013年末發射升空。美國新GPS系統網絡將最終由此32顆衛星組成。

4.2.3 控制部分

在GPS衛星的操作控制部分，未來的工作重點是加強任務規劃和近實時的指揮控制。

5 PNT的安全

5.1 PNT政策對安全的重視［1，3，5，6]

2004年公布的名為“美國國家天基定位、導航和定時政策”是對未來天基PNT發展的全面指導方針，但卻作為對天基PNT的國家安全政策訓令（National Security Policy Directive，NSPD）發布，其著眼點是GPS系統的安全，文件中給出的PNT政策多處對安全問題給予強調和重視［1]。

政策的適用范圍部分特別強調了安全問題，將GPS領域內的安全專門提出，與天基PNT系統并列。

政策背景部分特別說明美國對PNT的嚴重依賴導致“內在的脆弱性”，表明美國擔心恐怖分子擾亂GPS或利用GPS，擔心外國的系統妨礙GPS，針對這種形勢，美國提出的解決方法是：“不斷改善和維護GPS、增強系統和備份能力”；“改善阻止敵對方接入所有天基PNT服務的能力，尤其包括那些公開可用的和敵對方和／或恐怖分子現成可利用以威脅美國安全的服務”；“對GPS及其增強系統的現行管理體制必須加以改變”。

PNT政策關于PNT的7條目標中，涉及安全的有4條（見文章第4部分），由此可見美國對PNT安全的重視程度。目標第1條明確表示美國軍事上只用GPS，而不用國外系統，在目的和目標中都用了“不間斷（Uninterrupted）”一詞，要求系統具有不受外界影響的牢固性，包括高的系統生存能力和用戶設備抗干擾能力等；目標第3條進一步明確了PNT的安全要求，既滿足導航戰的需要，也是反恐的需要，阻止的手段可能仍然主要是“電磁干擾”，包括欺騙和壓制干擾；目標第4條明確表示，必須不斷改善GPS的軍事和民用性能，并把抗無意干擾的能力作為提高性能的重要內容；目標第6條中“與國外全球導航衛星系統提供者互通安全信息，防止天基PNT服務被敵意地使用”也與國家安全有關，為了美國的政治經濟利益，鼓勵國外使用GPS，鼓勵系統的兼容與互操作，是以安全為前提。

5.2 GPS系統的安全

5.2.1 在 GPS性能改進中提高抗干擾能力［4，6]

在PNT政策和項目的戰略重點之一“對GPS性能的持續改進”中，為了提高系統抗干擾能力、提高系統魯棒性而采取的措施也很多，如M碼信號、增大發射功率等，以提高GPS軍用的保密性、抗干擾能力，以及提高阻止敵意利用民用GPS的能力、抗無意干擾的能力。

5.2.2 為GPS系統設立備份

在PNT政策和項目中，戰略重點除了GPS性能的持續改進外，為了確保PNT的安全，2008年2月，美國宣布增強羅蘭系統（eLoran）作為PNT體系中GPS的備份。該建議由獨立評估組和國家執行委員會（PNT執行委員會）提出，資金由國土安全部（DHS）提供。這一措施進一步表明了美國對于PNT作為國家基礎設施的重視程度，美國希望eLoran能在技術性能和系統功能上成為GPS的真正備用系統，在GPS由于人為干擾不能滿足民用用戶的某些需求的情況下提供技術支持。

6 結 論

全球導航衛星系統作為一種國家基礎設施，正在發揮越來越重要的作用，美國希望通過發布PNT政策、推進PNT的建設，確保在該領域的領導地位，并從反對其他國家建設系統到積極推進全球導航衛星系統雙邊合作，采取合作的方式施加影響，希望在國際合作中居于引領地位。在PNT建設中，美國特別重視安全問題。

回顧美國衛星導航從GPS到PNT的歷程，分析解讀PNT的政策和項目要點，我們需要關注、深思的課題是：在國際競爭與合作大趨勢的引領下，如何借鑒已有成熟系統發展過程中的經驗與教訓，在技術發展的推動下，從國家基礎設施的層面，規劃、建設好中國的PNT。

［1]邱致和.對美國2004年GPS新政策的初步看法［J].全球定位系統，2005，31（3）：36－42.

［2]曹 沖.全球導航衛星系統（GNSS）競爭格局和發展趨勢研究［J].全球定位系統，2006，30（3）：1－3.

［3]Ken A.U.S.Programs ＆policy［C]／／2008Communication，Navigation，Surveillance／Air Traffic Management（CNS／ATM）Conference，June 26，2008.

［4]Anthony J R.GPS Constellation，Modernization plans and policy［C]／／USTTI Seminar：M8－229，August 8，2008.

［5]Jason Y K.U.S.Programs ＆policy［C]／／U.N.／Colombia／U.S.A.Workshop on the Applications of GNSS，June 23，2008.

［6]Anthony R.The U.S.space－based PNT current pro－gram and future trends［C]／／European Navigation Conference，April 23，2008.

［7]Karen V D.National position navigation and timing architecture［C]／／APEC GNSS Innovation Summit，May 26，2008.

［8]Karen V D.GNSS innovations and implementayions in aviation［R].Federal Aviation Administration，2008.

［9]Karen V D.National positioning，navigation，and timing architecture［C]／／The Institute of Navigation International Technical Meeting 2009，January 26，2009.