美国国家定位导航授时体系结构转型计划概况＊

张红波，张风国，甄卫民

（中国电波传播研究所，山东 青岛266107）

0 引 言

美国国防部网络与信息集成助理国防部长（ADS／NII）和运输部政策副部长（UST／P）发起一项国家PNT体系结构研究活动，目的是到2025年左右提供更加有效和费效比的定位导航授时（PNT）能力，并为政府所提供的各种系统和服务探索一条渐进的发展道路。于2008年发布了《国家定位导航授时体系结构研究报告》，同时发布了体系结构指导备忘录（AGM）。基于该备忘录，美国成立了一个包括PNT管理者在内的PNT体系结构转型团队（ATT），受美国国家空间安全办公室（NSSO）委托制定了《国家定位导航授时体系结构实施计划》，实施计划是PNT管理者支持国家PNT结构建议的实施计划，其提供了重要实施信息和指导。该计划给出了一种可行方案，为利益相关方提供有限的、不同等级的、划分财政和时间阶段的实施步骤，作为对体系结构开发团队（ADT）提出的19条建议的支撑，以支持PNT体系结构的远景发展和实施策略［1－3］。

实施计划是跨机构间的行动计划，它包含实现美国国家PNT体系结构策略和要素的转型任务。为了将“当前”体系结构向功能强大的2025年的“目标”体系结构转变，国家PNT体系结构转型任务是必须执行的任务。近期转型任务是为组织管理者进行更详细的规划而确立的，中远期转型任务涉及面更广，其具体实施细节要取决于前期任务执行的最终结果。计划每两年更新一次，以便能将前期的完成情况和反馈考虑在内，同时反应PNT环境变化［4－5］。

1 转型任务选取原则

ATT制定了近350项国家PNT体系结构转型任务，但选取了一些最需要最紧急的任务作为中继，以便改善计划的可执行性。ATT选择任务集的原则如下:

1）必要性——ATT选择的任务是实现PNT体系结构策略和支撑要素所绝对需要的元素；

2）紧迫性——ATT选择的任务是近两年需要执行的，中长期任务的执行取决于近期任务的完成情况。

许多任务的重点都集中在解决当前PNT能力空缺和未来PNT能力需求上。以下的能力空缺项来自美国国防部联合能力文档（JCD）、联邦无线电规划（FRP）和其它各种文档:

1）物理障碍环境下确保的实时PNT；

2）电磁拒绝环境下确保的实时PNT，包括在欺骗干扰、人为干扰和自然干扰下的应用；

3）具有完好性的高精度需求。当PNT性能降低或者错误时，及时的信息通知能力。特别针对生命安全应用或者避免间接损害；

4）高高度／空间定位和定姿，包括实时高精度定位和定姿信息；

5）用户对地理空间信息的及时访问能力；

6）遮蔽环境下PNT建模能力，以确定影响并预测城市环境中的影响。

2 体系结构转型计划及2025年路线图

体系结构转型计划是美国国家体系结构向目标体系结构转型过程中，PNT管理机构必须实施的可执行任务。转型计划是中间管理机构行为计划，大约每两年更新一次。计划更新需要考虑前一个版本的完成和反馈情况，同时将反应PNT环境的变化，包括技术革新、国家策略变更、PNT程序改变和新的或变化的PNT需求。近期开始实施的转型任务包括详细的计划，中长期任务规划更为广泛，因为它们的执行细节取决于上一期的结果。

《国家定位导航授时体系结构实施计划》给出了2025年前美国PNT发展路线图，内容涉及国家体系结构策略和支撑要素。每一部分的发展线路图概括了现在和将来所需执行的任务，包括基础条件建设任务、能力建设任务和新能力实现任务等。

2．1 更大公用数策略实施计划

执行策略的总体计划如图1所示，旨在为政府和商业提供更强的PNT能力，具体任务包括:GPS现代化，消除冗余全球导航卫星系统（GNSS）增强设备或服务，识别、确定和监测PNT系统服务水平。此外还包括探索具备完好性的高精度（HAWI）需求、技术方案和应用潜力，PNT用户设备现代化，总结和修正PNT出口管制和导航战技术与方法，寻求PNT用户利用新能力的快速方法。

图1 更大公用数策略实施路线图

图2 多重现象学实施路线图

执行该计划将允许PNT用户和PNT供应商采用鲁棒的PNT服务组合，进而消除当前体系结构存在的PNT能力空缺和不足。

1）GPS现代化为所有用户提供公共基础能力，现代化的GPS信号有助于克服不利环境（物理阻碍环境或电磁拒绝环境）影响。

2）PNT信号监测也是同等重要的任务，如果计划利用某个GNSS信号，首先要监测其性能并适时播发给用户，此方法有助于解决系统异常或错误信息（DMI）方面的完好性能力空缺。

3）具备完好性的高精度应用方案研究是支撑未来PNT新应用所必需的。当PNT信息可靠性下降或者出现误导信息时，允许用户接收现代化信号和采用内在完好性监测方法，这种改进型用户设备的发展和应用有助于用户在不利环境下的正常运行和接收告警信息。

4）建立评估GPS增强系统需求、转变或淘汰计划的准则，以高费效比的执行满足用户需求的体系结构建议。

2．2 多重现象学实施计划

多现象学是指多样化的物理现象，如多种射频和惯性传感器，以及利用这些物理现象的多样化信息源和数据传输路径，为用户提供可互换的解决方案。多重现象学实施计划主要是集成用户装备（IUE）研发，其能够检测和处理多模方案，以从多个PNT源获得可靠PNT信息。同时还包括各种标准和政策的制定等任务。具体实施计划如图2所示。

多重现象学实施计划将赋予用户利用多个信息源进行定位、测向和授时的能力，可解决当前基于射频（RF）的PNT方法无法满足受阻环境下用户需求的能力空缺。

1）基于RF的专用PNT技术，例如伪卫星和信标，在一定条件下可支持有限的PNT应用。包括改善城市峡谷地区的PNT服务可用性，有利于提高物理障碍条件下PNT的鲁棒性。

2）包含自主PNT技术（惯导和时钟）的IUE，其应用将有利于外部信号的锁定和支持RF信号中断期间继续提供PNT信息。

3）未来IUE可将多个信息源的数据进行对比以检测退化或误导信息，可为用户提供更鲁棒的PNT服务。

4）IUE的可替代性（AoA）分析可帮助用户自动选择集成哪些PNT数据源。

2．3 可互换的解决方案实施计划

该实施计划目的是确保用户可以对多重现象学中的PNT数据源进行自主选择以克服PNT服务中的现有能力和未来能力的缺项。此计划将进一步提升PNT解的可互换性，改善用户对互操作能力的接受程度，如图3所示。

从表1中数据可以得出，采用振动压路机碾压后的大粒径沥青混合料基层压实度平均值为98.6%，满足规范中要求，表明采用振动压路机对大粒径沥青混合料基层进行碾压是可行的。

图3 可互换的解决方案赋能路线图

具体转型任务包括:

1）标准的PNT时空参考系统有利于商业部门的发展应用。不断出现的新需求将需要更精确参考框架的支持。升级的天文参考框架将支持高度和太空平台测向需求。

2）信息监测、交换和性能标准的制定有助于IUE实现多种PNT数据源之间的自动切换和自由组合。

3）通用的栅格参考系统将提高互操作性、减少操作紊乱、降低因定位误差导致任务失败的风险（例如军事瞄准、火力打击和救援等）

2．4 PNT与通信的协作实施计划

该实施计划主要目的是加强用户与作为PNT源、传输PNT辅助和增强信息的通信网络的链接。这主要取决于对利用通信系统进行定位导航授时的创新性方案的研究认识，以及对修改通信能力，以将其作为PNT源的研究认识，如图4所示。

图4 PNT与通信的协作实施路线图

1）在启动新系统和设备的研发进程之前，必须对详细标准和方案进行深入研究和细致评估。分析工作有助于用户对适合通信和PNT融合的方案做出决定，例如用户可以利用通信网络的能力克服物理障碍和电磁干扰问题提高PNT的鲁棒性。

2）该计划还能挖掘更多潜在的应用领域，包括电视信号、无线电广播信号、移动电话广播塔，为室内和城市峡谷区域提供PNT服务。

3）通信和PNT融合也可以辅助地球轨道之外的导航，提供告警信息播发的通信链路和分发空间信息等。

2．5 合作型组织结构实施计划

该实施计划目的是促进各组织结构之间的协作，提升信息共享水平。建立面向整个社会的行业评估中心将对PNT体系结构及其应用的优点进行讨论和评价。中心将重点关注PNT相关的科学和技术领域所作的努力，确保PNT规划办公室对国家PNT体系结构实现情况和成本有深入的了解，具体任务如图5所示。

图5 合作型组织结构发展路线图

3 执行计划思路

国家PNT体系结构是一项不断演化的框架，它包含许多分散但相关的规划、系统能力、标准和策略。执行国家PNT体系结构实施计划需要一份承诺，可以强有力地约束PNT各行业的利益相关方坚持履行义务并根据需要对各自现有的领域做出适当的改变。协调利益相关方活动的过程将类似于国家PNT体系结构本身不断演化的实现情况，即以迭代方式不断螺旋上升的一个过程。

4 结 论

定位导航授时系统正在改变我们生活的方方面面，其应用仅受“人类想象力”和“PNT系统自身能力”的制约。针对现有PNT系统在满足用户需求方面存在的能力空缺，美国通过建立国家定位导航授时体系方式来解决，以继续维护美国在全球PNT领域占据主导地位的愿景。为此，美国详细制定了《国家PNT体系结构实施计划》，以推进PNT行业走上更强大的未来目标PNT体系结构的发展道路。该计划重点关注数个优先任务并提出了实现体系结构建议的时间进程表。

鉴于定位导航授时能力的重要性，我国应重视并研究建立适合中国国情的国家定位导航授时体系结构，并制定可执行的实施计划。此外，可从美国国家PNT体系结构实施计划的任务中，了解未来PNT技术发展方向与重点，为我国相关PNT系统研发提供借鉴。

［1］ NATIONAL SECUNITY SPACE OFFICE．National positioning，navigation，and timing architecture study［R］．2008．

［2］ 郭丽红，李 洲．美国国家天基PNT概况［J］．全球定位系统．2011，36（5）:85－90．

［3］ KAREN V D．National positioning，navigation，and Timing architecture［C］．／／The Institute of Navigation International Technical Meeting 2009，January 26，2009．

［4］ DOD＆ DOT of USA ．National positioning，navigation，and timing architecture implementation plan and memorandum ［R］．2010．

［5］ DOT of USA．National positioning，navigation，and timing architecture terms of reference［R］．2008．