不斷超越極限——美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)

□ 車(chē)曉玲

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)評(píng)估未來(lái)國(guó)際環(huán)境和長(zhǎng)期用戶需求與目前體系結(jié)構(gòu)存在的能力差距，提出了更能完全滿足未來(lái)需求，且能填補(bǔ)能力差距的“目標(biāo)”P(pán)NT體系結(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的指導(dǎo)原則及其策略和建議。

未來(lái)環(huán)境趨勢(shì)評(píng)估

體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為全球PNT的環(huán)境趨勢(shì)是：

1)PNT與國(guó)防、情報(bào)和民用部門(mén)相互集成和融合的程度將會(huì)比現(xiàn)在更深更廣；

2)必須開(kāi)發(fā)更多、更好的能力和解決方案，解決城市峽谷和建筑物內(nèi)部的應(yīng)用難題；

3)無(wú)線電頻譜資源的增加將會(huì)推動(dòng)更多自主PNT能力的發(fā)展，以確保獲得有保障的PNT能力；

4)人口規(guī)模、分布密度和地點(diǎn)的變化將會(huì)推動(dòng)PNT能力的更大需求，尤其是在城市地區(qū)的大眾需求；

5)隨著PNT系統(tǒng)面臨的威脅(干擾、欺騙、黑客等)越來(lái)越大，且所用威脅技術(shù)日趨成熟，PNT信息完好性對(duì)所有用戶的重要性將會(huì)與日俱增。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)示意圖

未來(lái)需求與能力差距評(píng)估

體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)現(xiàn)存和演變基線PNT體系結(jié)構(gòu)能力評(píng)估，確定了現(xiàn)存的和演變基線體系結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足的7方面未來(lái)用戶需求，從而發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了如下7方面的能力差距。

1) 沒(méi)有能力在任何地點(diǎn)(室內(nèi)、地下、水下和城市峽谷等環(huán)境)提供有保障和實(shí)時(shí)的PNT服務(wù)；

2) 沒(méi)有能力在敵意電磁環(huán)境下，包括在干擾、欺騙和敵意阻塞環(huán)境中提供有保障和實(shí)時(shí)的PNT服務(wù)；

3) 沒(méi)有能力為未來(lái)的高速公路和鐵路應(yīng)用提供所需要的PNT高精度和完好性；

4) 沒(méi)有能力在PNT信息遇到衰減或易被誤解時(shí)提供及時(shí)告警，在某些應(yīng)用中，如生命安全應(yīng)用或是為避免附帶損害時(shí)必須在1秒內(nèi)告警；

5) 沒(méi)有能力提供高高度/恒星際空間定位和定向，乃至包括實(shí)時(shí)高精度定位和定向(小于10毫角秒)信息服務(wù)；

6) 沒(méi)有能力為用戶及時(shí)提供成功導(dǎo)航所必需的地理空間信息；

7) 沒(méi)有能力提供充足的受阻礙環(huán)境影響的PNT建模能力，以及預(yù)測(cè)城市環(huán)境下受這種影響的能力服務(wù)。

從航空母艦上起飛的戰(zhàn)斗機(jī)

實(shí)現(xiàn)“目標(biāo)”的建議

為了有效實(shí)施最大共性需求策略及其4項(xiàng)矢量指導(dǎo)原則，體系結(jié)構(gòu)研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了如下19條建議。

采取“最大共性需求”策略

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)試圖通過(guò)采取“最大共性需求”策略來(lái)實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)愿景目標(biāo)。在這種體系結(jié)構(gòu)中，用戶主要依靠外部來(lái)源的PNT信息，從而使“更多的”能力滿足用戶需求中更大的、更加“共同”的部分。根據(jù)這種思路，美國(guó)GPS的現(xiàn)代化對(duì)全球范圍難以計(jì)數(shù)的用戶而言，是至關(guān)重要的。GPS已經(jīng)實(shí)施了現(xiàn)代化策略，主要通過(guò)為所有用戶提供多個(gè)頻率的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而消除了電離層誤差。當(dāng)新的作戰(zhàn)能力得到演示，并且取消了“選擇可用性”措施后，將減少對(duì)外部增強(qiáng)系統(tǒng)的需求。然而，為了提供特定類(lèi)型的服務(wù)和額外的測(cè)距源，或者服務(wù)專(zhuān)門(mén)的用戶，可能仍然需要其他的增強(qiáng)手段。除了使用戶依靠外部來(lái)源外，該體系結(jié)構(gòu)還強(qiáng)調(diào)了低負(fù)荷（如，尺寸、質(zhì)量、功率和成本）自主系統(tǒng)的大范圍使用，以克服物理和電磁方面的障礙。該體系結(jié)構(gòu)也認(rèn)可專(zhuān)門(mén)的解決方案仍將繼續(xù)存在，一是無(wú)法通過(guò)通用的方法有效提供所需能力，確保特定應(yīng)用的穩(wěn)健性；二是為了滿足機(jī)構(gòu)調(diào)整的職責(zé)需要。最后，美國(guó)必須繼續(xù)在獲取國(guó)家安全優(yōu)勢(shì)的需求與提供更強(qiáng)大能力的需求之間進(jìn)行權(quán)衡。

1）將GPS作為國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的基石來(lái)維護(hù)，確保長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全可靠運(yùn)行；

2）監(jiān)測(cè)各種PNT信號(hào)，確認(rèn)服務(wù)等級(jí)、觀測(cè)環(huán)境影響、探測(cè)異常，并確定信號(hào)對(duì)近實(shí)時(shí)分發(fā)的干擾；

3）隨著GPS現(xiàn)代化的實(shí)施，各政府機(jī)構(gòu)應(yīng)該逐步轉(zhuǎn)移或去除對(duì)于美國(guó)GNSS需求而言不必要、或是冗余的增強(qiáng)系統(tǒng)；

4）繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)各種分米級(jí)精度的導(dǎo)航定位技術(shù)及其解決方案，為生命安全應(yīng)用提供具有完好性保障的高精度服務(wù)；

5）尋找一種國(guó)家層面的途徑，保護(hù)軍用定位導(dǎo)航授時(shí)優(yōu)勢(shì)。

鼓勵(lì)利用多現(xiàn)象學(xué)

“多現(xiàn)象學(xué)”是指多種不同的現(xiàn)象，如射頻傳感器、慣性傳感器，以及利用那些物理現(xiàn)象（如多種射頻）的多種數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)傳輸路徑。美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)利用多現(xiàn)象學(xué)，確保更強(qiáng)的可用性，解決在物理和電磁受阻環(huán)境中工作的能力不足。

6）鼓勵(lì)適當(dāng)開(kāi)發(fā)和部署能夠?qū)Χ喾N信息源和信息路徑進(jìn)行整合的設(shè)備；

7）評(píng)估國(guó)外PNT系統(tǒng)用于生命安全應(yīng)用和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，適時(shí)制定明確的使用標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則；

8）繼續(xù)執(zhí)行軍用PNT專(zhuān)用政策，同時(shí)研究開(kāi)發(fā)能使其他信號(hào)用于軍事的能力；

9） 促進(jìn)PNT偽衛(wèi)星及信標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，促進(jìn)不同系統(tǒng)間的互換能力，避免干擾；

10） 研究天基及地基PNT能力的演進(jìn)和發(fā)展，支持PNT信息源及信息路徑的多樣性；

11）確保關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的精密時(shí)間和時(shí)間間隔用戶能夠接收并充分利用多種可用信號(hào)源。

可互換方案

美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)不同方案之間的互換，以提高效率，充分利用信息源的多樣性。各種可互換方案具有一定程度的兼容性和互操作性，從而允許組合利用多種信息源，以獲得一種更有優(yōu)勢(shì)的PNT方案。

12）積極參與國(guó)際PNT有關(guān)活動(dòng)，以此促進(jìn)多種PNT信號(hào)源之間的互換能力，同時(shí)確保兼容性；

13）修定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)技術(shù)和參考框架，支持未來(lái)的精度和完好性需求；

14）確定并制定能滿足用戶對(duì)PNT信息進(jìn)行交換、保障和保護(hù)等需求的通用標(biāo)準(zhǔn)；

15）制定能夠滿足用戶描述位置信息，用于本地和區(qū)域運(yùn)行需求的通用標(biāo)準(zhǔn)。

定位導(dǎo)航授時(shí)與通信的配合

美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)用戶提高與通信網(wǎng)絡(luò)之間的連通性，將其作為PNT的信息源，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。該矢量積極促進(jìn)PNT特征與新出現(xiàn)的通信能力之間的融合，通過(guò)提供傳統(tǒng)無(wú)線電導(dǎo)航頻譜以外的服務(wù)而增強(qiáng)穩(wěn)定性。

16) 確定并評(píng)估將定位導(dǎo)航授時(shí)與通信進(jìn)行融合的方法、標(biāo)準(zhǔn)和潛在能力；

合作型組織結(jié)構(gòu)

美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)將在現(xiàn)有組織基礎(chǔ)上，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，促進(jìn)建立協(xié)調(diào)過(guò)程，以促進(jìn)合作和信息共享。

17）制定國(guó)家級(jí)的PNT協(xié)調(diào)程序；

18） 確定并促進(jìn)建立研究PNT現(xiàn)象學(xué)和應(yīng)用的卓越中心；

19）確定、制定、保持并管理一個(gè)PNT建模與仿真核心分析框架。

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)工作示意圖

日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星