美国国家天基PNT概况①

郭丽红，李 洲

（北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

0 引 言

2004年，美国公布了名为“美国国家天基定位、导航和定时政策”的文件，用以取代1996年美国“总统关于美国全球定位系统政策的决定的训令”［1]。采用“天基定位、导航和定时（Space－Based Positioning、Navigation and Timing，PNT）”取代“全球定位系统（GPS）”，在明确文件范畴（PNT中除了包括GPS，还包括利用天基技术提供更好PNT服务的所有系统，如由美国交通部维护的各种增强系统）的同时，还从国家定位、导航和定时战略的高度赋予GPS系统国家战略使命，将GPS的重要性提升到了国家基础设施的高度，并为GPS系统提供了地基的备用系统。简要介绍PNT相关政策及体系结构，并分析了PNT的安全问题。

1 美国国家天基PNT推出背景

随着卫星导航系统在军事、民生各个方面的作用日益显著，全球导航系统的竞争更加激烈。在20世纪70～80年代，美国的GPS与前苏联的GLONASS曾经有过竞争，伴随前苏联的解体、俄罗斯的财力问题，GPS独霸天下；进入21世纪，欧洲GALILEO计划出台，俄罗斯的GLONASS提出了复苏计划，引发了新一轮全球导航卫星系统竞争，GPS必须面对这一挑战。

另一方面，由于GPS在美国经济生活中的重要性，美国必须将其纳入反恐范畴，即美国必须防止恐怖分子扰乱GPS而对美国的经济和社会生活造成混乱，防止恐怖分子利用GPS对美国造成危害，包括使用基于GPS的精确打击武器攻击其要害部门。

为了保持并巩固其引领全球导航系统的主导地位，为了美国的国家安全，美国在2004年4月发布GPS第三号总统令，成立国家天基PNT执行委员会，强化GPS的管理，并在2005年11月发布了《全球定位系统（GPS）的将来》的专门报告，2006年2月美国联邦航空局（FAA）又发布了2005联邦无线电导航计划［2]，从多个方面促进PNT的建设。

2 美国国家天基PNT执行委员会［3－7]

2.1 天基PNT执行委员会的构成

根据2004年的新政策，美国成立了“国家天基PNT执行委员会”，天基PNT执行委员会由国防部副部长和交通部副部长共同担任主席，其他参加执行委员会（NASA、商业部、文化部、国土安全部等）的部或机构的代表也有相应的行政级别［1]。

与根据1996年政策而建立的联席GPS执行局（IGEB）相比，国防部和交通部分别作为GPS军用和民用的主要负责单位的格局没有改变，由于IGEB由国防部助理部长和交通部助理副部长共同担任主席，因此，PNT执行委员会的级别比IGEB的级别有所提高，PNT执行委员会将比IGEB在决策方面发挥更大的作用。

2.2 PNT执行委员会的主要活动

PNT执行委员会自2004年成立以来，其主要工作包括项目协调、频谱管理、国际合作以及对外联系。

1）项目协调

主要项目包括：5年的国家计划；国家PNT体系结构；GPS现代化；资助民用GPS；国家差分GPS（Nationwide Differential GPS）；增强 LORAN；求救信号发送卫星系统（Distress Alerting Satellite System）。

2）频谱管理：干扰检测和缓解计划；频谱保护计划。

3）国际合作：双边合作，多边合作。

已经与欧洲、日本、俄罗斯、印度和澳大利亚建立了合作关系。

国际合作的目标是：兼容和互操作；国家安全；全球市场上的标准竞争（Level playing field）。

多边合作对象包括：全球导航卫星系统国际委员会；国际民航组织（ICAO）；国际海事组织（IMO）；NATO.

美国一直关注世界上其他国家的全球导航卫星系统。目前的全球星座包括：在用的美国GPS和俄罗斯GLONASS，在建的欧盟Galileo，在建的中国“北斗”。地区性星座有：日本的QZSS，印度的IRNSS。天基增强系统有：美国 WAAS（Wide Area Augmentation System），日本的 MSAS，欧盟的EGNOS，印度的GAGAN。地区性星座和天基增强系统除美国的 WAAS、欧盟的EGNOS、日本的MSAS已经建成外，其它基本还都处于建设阶段。

4）外部联系：出版物，网站；教育展示；会议，研讨会等；与U.S.message的协作。

PNT项目和政策的重点是：

1）GPS性能的持续改进：增强系统的更高性能，新的GPS信号，现代化提供的空前的新能力；

2）美国政府鼓励民用GPS和增强系统的全球使用；

3）国际合作具有高优先权（积极鼓励多边／双边的磋商）；

4）每当新的全球导航卫星系统和应用出现，兼容性和互操作是关键；

5）美国的目标是保持GPS成为公认的全球“金标准”。

3 PNT 主要政策［1，3，6]

美国公布的名为“美国国家天基定位、导航和定时政策”文件由几部分构成：新政策的适用范围；美国制订本政策的背景，即美国GPS所面临的形势和美国应如何应对；目的和目标；对外国接入美国天基PNT能力的规定，重点是GPS技术和产品出口管制的原则；对美国各政府机构在天基PNT方面的作用与职责规定等。

PNT政策最基本的目的是要使美国维持天基PNT服务、增强系统、备份能力和服务阻止能力。目标是美国政府将如何做，以实现所列目的［1]。

目的有6条：

1）确保服务：提供不间断的PNT服务；

2）满足要求：满足不断增长的军民用需要；

3）军事卓越性：保持卓越的军用天基PNT服务；

4）保持竞争力：继续提供超越国外民用天基PNT服务与增强系统的民用服务；

5）全球集成性：保持作为国际已接受的PNT服务的基本组成部分，即促进其他国家全球导航卫星系统与GPS系统的全球兼容和互操作；

6）技术领先性：保持美国在该领域的技术领先地位。

目标有7条：

1）通过GPS为美国和盟国军队提供不间断的天基PNT服务而不依赖外国的PNT服务。

2）通过GPS及增强系统在世界范围内免费持续提供公开的民用PNT服务，并免费公开提供研制用户设备所需信息。

3）提高阻止敌对方使用天基PNT服务的能力，提高民用PNT服务的抗干扰能力。

4）改善天基PNT服务的性能，包括更鲁捧的抗无意干扰能力。

5）保持GPS继续作为美国多种关键基础设施的组成部分。

6）鼓励国外使用GPS。要确保外国天基PNT系统与GPS及增强系统的互操作与兼容。与国外的全球导航卫星系统提供者互通安全信息，防止天基PNT服务被敌意地使用。

7）促进美国国内最大限度地使用美国的PNT服务和能力。

4 PNT体系结构和对GPS系统的主要改进［7，9]

在PNT执行委员会的领导下，美国国家安全太空办公室（NSSO）联合美国交通部研究创新技术管理局（DOT／RITA）、国防部负责网络及信息集成的副部长办公室（OASD（NII）），与政府其它机构合作，完成了一套国家PNT体系结构的开发。该体系结构确立了美国要在PNT方面占据全球领导地位的愿景、实现这个愿景的战略、战略包含的诸多要素、实施这些要素的建议。

2008年，美国国家安全太空办公室联合美国交通部研究创新技术管理局、国防部负责网络及信息集成的副部长办公室，于9月16日举办工业日，向工业界介绍PNT体系结构，并讨论结构转变的规划。下文简要介绍PNT体系结构与相关资料。

4.1 PNT体系结构简介

4.1.1 PNT体系结构研究背景

应网络和信息集成部副部长（Assistant Secretary of Defense for Networks and Information Integration）、交通部政策部长（Secretary of Transportation for Policy）、国家天基PNT执行委员会之请求而进行。所形成的产品是20年战略，用以指导近期和中期的PNT能力决策。

4.1.2 PNT体系结构的范围

PNT体系结构涉及的范围主要有：用户（军事用户、国土安全用户、民用、商用、个人），领域（太空、天空、地面、地下），任务，资源，提供者（军事、民事、商业、国际）。

4.1.3 PNT体系结构

体系结构的开发过程是一个积累的过程：数据收集、概念开发、分析和评估、多个团体的参与等。

与国家PNT体系结构开发相关的研究主要有：联合规划和开发办公室的“下一代航空运输系统卫星导航备份研究”，兰德公司的“确保有效的PNT”，美国交通部和联邦航空局的“航空导航进化路线图”、“GPS进化体系结构研究”，国家天基PNT协作办公室的“5年规划和评估”，国防部的“国防部PNT S＆T路线图更新”，美国战略司令部的“PNT联合能力文件”、“PNT功能解决方案分析”等。

以来自美军美国战略司令部（USSTRATCOM）的“PNT联合能力文件”为主要依据，并根据并行的民间团体文件和讨论加以修正，所得到的体系结构现状与未来愿景之间存在的PNT缝隙主要有：不良物理环境；不良电磁环境；与完整性相伴的更高的精度；高纬度／空间位置和方位；建模能力不足；等。

PNT体系结构要消除前述由国防部和交通部（DoD、DoT）识别的缝隙，寻求开发和建设一个有效益、有效率的体系结构，该体系结构要足够灵活，能够利用和适应不断变化的环境和机会。主要目标是要以长期愿景为基础，在中、短期内指导相关的决策制定。

国家PNT体系结构的指导性政策包括愿景、战略等，示意图见图1。

图1 国家PNT体系结构的指导性政策示意图

国家PNT体系结构的愿景是：美国在全球PNT的领导地位。具体内容包括：

1）国家PNT体系结构以2004年总统签署的关于天基PNT的政策为基础；

2）有效地（成本、时间进度、可接受的风险、用户影响）开发最佳的技术和系统；

3）发布稳定的政策；

4）通过商业领域内的竞争鼓励创新；

5）确保鲁棒性和持久的局间协作和合作；

6）使军用、民用、商业以及国外系统和技术的实际应用最大化；

7）深思远虑地开发并提供标准和最佳实践。

国家PNT体系结构的战略是：通过一个更通用的标准化的方法，美国可以最好地实现效率和效益。具体内容包括：

1）以通用的解决方案满足通用需求；

2）发布一个主流的“依赖的”体系结构（predominantly“dependent”architecture），在该结构中，用户信赖外部资源；

3）加速正在进行的美国全球导航卫星系统GPS的现代化，确保全球服务和支持国家利益；

4）促进采用低负担的“自主”特色（low－burden“autonomous”features），增强鲁棒性；

5）特殊需求仍要求特殊的解决方法；

6）权衡对军用PNT优势需求的提供或使能能力。

在以上工作的基础上，设想的PNT（2025年）体系结构见图2，PNT体系结构建议见图3。

PNT体系结构将用于：

1）为后续的从GPS向PNT的转换提供信息；

2）是未来联邦无线电导航规划开发的基础；

3）定义一个未来的PNT系统之系统体系结构；

4）指导未来PNT系统的预算／投资决策；

5）评估新需求＆新能力的框架依据；

6）对现有PNT规划、要求、预算、进度、合作伙伴、投资和政策进行建议的依据；

7）是未来5年国家天基PNT规划的关键输入；

8）指导国防部和民用PNT科学＆技术路线图的开发。

4.2 对GPS系统的影响和GPS的主要改进活动［4，6，8]

4.2.1 系统发展

在天基PNT的框架下，未来美国关于GPS的主要政策是：作为美国天基定位、导航和定时（PNT）体系的主要构成系统，继续提供卓越的天基PNT服务，领导未来的全球导航卫星系统之系统。

对GPS系统的改进按区域分为国家增强系统和全球增强系统两部分。

国家增强系统包括：广域增强系统（WAAS），局域增强系统（LAAS），持续操作参考站（Continuously Operating Reference Stations），国家差分GPS（Nationwide Differential GPS）。

全球增强系统包括：天基增强系统，差分GPS网络，国际全球导航卫星系统服务，全球差分GPS系统。

对GPS系统的改进按星、地划分为GPS卫星的改进、地面控制系统的改进和用户部分的改进。

4.2.2 GPS卫星

为了保持美国在卫星导航领域的经济和军事领先地位，美国一直在准备发射GPS系统III型卫星。

GPS系统III型系统有望达到目前GPS系统发射功率的约500倍，以提升其抵抗干扰的能力；并将拥有第二和第三个频率来包含民用信号，更强的信号传输，能够实时为地面物体提供1m以内的精确定位。GPS III卫星将提高精确度、完整性和抗敌方干扰的能力，为军方和民用客户提供更佳的定位、导航和定时服务。这些新能力将在发展的三个GPS系统系列中添加。首个BLOCK IIIA型全球系统卫星计划于2013年末发射升空。美国新GPS系统网络将最终由此32颗卫星组成。

4.2.3 控制部分

在GPS卫星的操作控制部分，未来的工作重点是加强任务规划和近实时的指挥控制。

5 PNT的安全

5.1 PNT政策对安全的重视［1，3，5，6]

2004年公布的名为“美国国家天基定位、导航和定时政策”是对未来天基PNT发展的全面指导方针，但却作为对天基PNT的国家安全政策训令（National Security Policy Directive，NSPD）发布，其着眼点是GPS系统的安全，文件中给出的PNT政策多处对安全问题给予强调和重视［1]。

政策的适用范围部分特别强调了安全问题，将GPS领域内的安全专门提出，与天基PNT系统并列。

政策背景部分特别说明美国对PNT的严重依赖导致“内在的脆弱性”，表明美国担心恐怖分子扰乱GPS或利用GPS，担心外国的系统妨碍GPS，针对这种形势，美国提出的解决方法是：“不断改善和维护GPS、增强系统和备份能力”；“改善阻止敌对方接入所有天基PNT服务的能力，尤其包括那些公开可用的和敌对方和／或恐怖分子现成可利用以威胁美国安全的服务”；“对GPS及其增强系统的现行管理体制必须加以改变”。

PNT政策关于PNT的7条目标中，涉及安全的有4条（见文章第4部分），由此可见美国对PNT安全的重视程度。目标第1条明确表示美国军事上只用GPS，而不用国外系统，在目的和目标中都用了“不间断（Uninterrupted）”一词，要求系统具有不受外界影响的牢固性，包括高的系统生存能力和用户设备抗干扰能力等；目标第3条进一步明确了PNT的安全要求，既满足导航战的需要，也是反恐的需要，阻止的手段可能仍然主要是“电磁干扰”，包括欺骗和压制干扰；目标第4条明确表示，必须不断改善GPS的军事和民用性能，并把抗无意干扰的能力作为提高性能的重要内容；目标第6条中“与国外全球导航卫星系统提供者互通安全信息，防止天基PNT服务被敌意地使用”也与国家安全有关，为了美国的政治经济利益，鼓励国外使用GPS，鼓励系统的兼容与互操作，是以安全为前提。

5.2 GPS系统的安全

5.2.1 在 GPS性能改进中提高抗干扰能力［4，6]

在PNT政策和项目的战略重点之一“对GPS性能的持续改进”中，为了提高系统抗干扰能力、提高系统鲁棒性而采取的措施也很多，如M码信号、增大发射功率等，以提高GPS军用的保密性、抗干扰能力，以及提高阻止敌意利用民用GPS的能力、抗无意干扰的能力。

5.2.2 为GPS系统设立备份

在PNT政策和项目中，战略重点除了GPS性能的持续改进外，为了确保PNT的安全，2008年2月，美国宣布增强罗兰系统（eLoran）作为PNT体系中GPS的备份。该建议由独立评估组和国家执行委员会（PNT执行委员会）提出，资金由国土安全部（DHS）提供。这一措施进一步表明了美国对于PNT作为国家基础设施的重视程度，美国希望eLoran能在技术性能和系统功能上成为GPS的真正备用系统，在GPS由于人为干扰不能满足民用用户的某些需求的情况下提供技术支持。

6 结 论

全球导航卫星系统作为一种国家基础设施，正在发挥越来越重要的作用，美国希望通过发布PNT政策、推进PNT的建设，确保在该领域的领导地位，并从反对其他国家建设系统到积极推进全球导航卫星系统双边合作，采取合作的方式施加影响，希望在国际合作中居于引领地位。在PNT建设中，美国特别重视安全问题。

回顾美国卫星导航从GPS到PNT的历程，分析解读PNT的政策和项目要点，我们需要关注、深思的课题是：在国际竞争与合作大趋势的引领下，如何借鉴已有成熟系统发展过程中的经验与教训，在技术发展的推动下，从国家基础设施的层面，规划、建设好中国的PNT。

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

［2]曹 冲.全球导航卫星系统（GNSS）竞争格局和发展趋势研究［J].全球定位系统，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.