美国PTA计划分析

● 文|中国电子科技集团公司第二十二研究所 刘钝 吴健 甄卫民

美国PTA计划分析

● 文|中国电子科技集团公司第二十二研究所 刘钝 吴健 甄卫民

作为国家基础信息系统，GNSS的重要性不断凸现。电磁环境对GNSS的影响为国家定位、导航和授时（PNT）体系结构的实现提出了更高的要求。作为美国PNT体系结构建设的最新发展，PTA计划进一步从法律法规、技术、系统建设等不同角度给出了PNT系统的发展建议。本文全面分析了美国PTA计划，深入分析了PTA产生的背景，并从PNT体系结构建设的角度分析了PTA计划的优势与不足。

2014年11月，在捷克布拉格召开的全球卫星导航系统国际委员会（ICG）第九届大会期间，PNT咨询委员会的Bradford Parkinson教授作了题为“确保PNT：美国PNT咨询委员会的一项‘保护、强化和增强GNSS（PTA）’方案及有关建议”的主旨演讲。其目的是为了减少日益增多的GNSS干扰对卫星导航系统PNT服务带来的影响，确保GPS作为PNT的核心地位。在2015年11月美国国家PNT会议中，Bradford Parkinson教授进一步提出，美国在2017年前的一项重要工作就是推动PTA计划的实施。

在此之前，美国曾在2008年发布了《国家PNT体系结构研究》报告（以下简称《体系报告》），并在2010年发布了《国家PNT体系结构实施计划》（以下简称《实施报告》），更早些时候，美国在2004年发布了新的GPS政策，并提出天基PNT概念。如何认识美国发布的这些政策、计划？它们之间的有机联系是什么？认清这些问题对于我国目前正在开展的北斗系统建设及未来发展具有重要意义。

一、美国PTA计划介绍

1.PTA计划提出的原因

随着GNSS在军民领域的深入应用，其安全性也受到了广泛的关注，其中日益严重的电磁环境干扰已成为影响GNSS安全性的主要因素。ICG认为电磁环境已成为制约GNSS实现其预定功能和性能的关键因素。为此，ICG还给出了电磁环境干扰因素的统一定义，如图1所示。

图1 ICG中定义的GNSS环境干扰影响

由此可见，影响GNSS安全性的电磁环境因素可以概括为：电磁干扰因素和空间环境扰动因素。电磁干扰是指引起卫星导航系统性能降低的各种电磁干扰信号，包括非故意干扰与人为故意干扰；空间环境扰动是指影响卫星信号传播环境要素的总称，主要指电离层扰动对卫星导航系统的影响。

发生在2010年初的纽瓦克自由国际机场事件证明了民用GPS基础设施对干扰影响的脆弱性。由于未知射频源的影响，机场内部提供精密进近服务的GPS地基增强系统多次出现故障。通过数月调查，“凶手”为一个随处可见的，用车载点烟器即可供电的廉价GPS干扰器。

在美国，影响较大的另一个事件是光平方（LightSquared）系统对GPS造成影响，原因是LightSquared占用的频谱和GPS接收机接收信号的频谱发生了混叠。对这个事件的研究结果直接导致北京时间2012年2月15日，美国联邦通讯委员会（FCC）否决了LightSquared提出建设全国性4G-LTE网络的提议。

南美地区是电离层扰动影响高发区，严重的扰动影响一度限制了WAAS系统向南美地区的扩展应用。Galileo系统建设同时，欧洲与巴西等国家联合开展了针对南美地区电离层扰动影响研究的CIGALA项目，旨在提高Galileo系统的全球性能。

针对GNSS系统的电磁环境干扰问题，美国PNT咨询委员会一方面发起GPS应用价值研究，对关键基础设施中的PNT应用影响情况进行正式的威胁评估，以提高用户对GPS系统重要性及其脆弱性的认识。另一方面，美国PNT咨询委员会建议实施PTA计划，以满足用户对PNT服务的需求。

2.美国PTA计划主要内容

美国开展PTA计划的目的是为了确保GPS PNT的可用性，它的实施包含三方面的内容：保护（Protect）、强化（Toughen）和增强（Augment）。

（1）保护

保护是指保护GPS系统和信号，以便用户能够接收到真实可用的GPS信号。此外，干扰检测与削弱也是保护的核心内容。对GPS系统和信号的保护包含两个方面的内容：

1）加强立法，对GPS频谱进行保护，打击非法GPS干扰器

目前在GPS的频段内有多种业务共存，这些同频业务与GPS之间的兼容性就成为影响GPS信号可靠性的最重要因素之一。此外，随着新型GNSS信号的面世，GPS频段内将变得更为拥挤。由于这些新型GNSS信号的频谱更宽，它们之间以及它们与邻近频段信号的兼容性也必将成为一个潜在的问题。

GNSS非法干扰器也是频谱保护工作的一个巨大威胁。这也迫切需要各国政府严格立法禁止生产、销售、使用、出口和拥有GPS干扰器。

为此，早在2012年1月13日，美国国家天基PNT执行委员会的联合主席就曾建议国家电信和信息管理部门（NTIA）起草新的GPS频谱干扰标准。新标准规划了未来GPS信号邻近频段内地面、商业应用的无线电频谱，并确保这些应用在实施过程中不会对现有的，关系到经济、公共安全、科研和国家安全需要的天基PNT服务造成影响。

2）建设干扰检测与削弱系统

建立干扰检测与削弱系统是保护GPS信号和系统的一个最重要的举措。干扰检测与削弱系统数据中心的建立标志着干扰检测与削弱系统的初步建成。美国的干扰检测与削弱系统由美国国土安全部（DHS）负责，其下属的海岸警卫队负责的民用系统是干扰检测与削弱系统的核心系统，它能接收来自全球的GPS异常报告，并能实现对GPS干扰进行快速检测、定位、上报和归类的能力。

干扰发生前开展的三个行动步骤包括频谱保护、立法和打击非法GPS干扰设备等内容。干扰发生后包含四个行动步骤，总体而言就是：与通信和执法部门合作，改善干扰识别的时效性和准确性，同时在国家安全基础设施的支持下，开发检测、测量、定位、削弱无线电干扰的方法。

（2）强化

强化是指强化GPS接收机的能力。

在PTA计划中，强化包含两个方面的内容：

1）对卫星信号的强化

由于GPS卫星信号发射功率较低，载波频率却达到GHz的量级，使得信号在自由空间传播时产生的损耗较大，这种信号体制造成了GPS信号易受干扰的事实。

新型GPS信号中采取了最新的信号设计，其中包括增加GPS信号发射功率、采取引导信号提高接收机跟踪能力、采取前向纠错控制技术以进一步降低数据解调门限、采用更大带宽的扩频调制信号和对信号进行加密/数字特征认证处理。其中导航信息认证（NMA）是数字特征认证的一种，它是美国PNT咨询委员会最新关注的焦点，有助于接收机抵抗欺骗式干扰的影响。

2）强化接收机的抗干扰能力

除了对卫星信号进行强化以外，强化的另一个方面体现在强化接收机的抗干扰性能，下面列举了部分强化接收机抗干扰性能的措施：

①对天线进行改造，如采用调零天线或者自适应抗干扰天线；②研制能够接收多频段/多系统GNSS信号的接收机；③在现有接收机中加入惯导装置；④接收机欺骗干扰识别技术和信号认证技术；⑤接收机时频干扰剔除技术；⑥接收机接收信号的完好性监测和交叉检测技术；⑦更强壮（Robust）的接收机信号捕获和跟踪技术。

美国PNT咨询委员会将强化GPS接收机抗干扰性能的行动分为两部分：

1）针对接收机抗干扰技术或措施，开发相关工业标准（ICAO/RTCA/RTCM），如：

①GNSS与惯导组合标准；②数字波束天线标准；③多GNSS系统导航接收机标准。

2）鼓励用户使用强化的GPS接收机

政府部门应帮助和鼓励生产商加速研发和提供新型GPS抗干扰接收机，特别是针对一些生命安全相关领域（民航和海事）的应用。

（3）增强

PTA计划中的最后一个要素就是增强或者替代现有的PNT源，具体包括以下内容：

1）增强空间可用卫星的密度和多样性

使用多GNSS系统接收机可以通过接收多频段和多系统卫星信号来减少被干扰的可能性，同时还可以通过增加接收卫星的数量来提升服务性能。同时，利用多个星座的卫星可以满足用户对完好性的需求。如果需要接收其他GNSS星座的卫星信号，还需要在不同系统间开展兼容性、互操作性以及互换性三个方面的合作。

2）使用互补的PNT源

在GPS PNT服务中断的时候，可以通过借助其他辅助系统来提升GPS的服务性能。其中伪卫星、测距器和e-Loran都是非常有效的方式。

美国PNT咨询委员会将增强GPS系统的行动分为两部分开展：

第一部分：开展GPS信号的全球完好性监测。

①建设GPS增强系统。目前，美国和欧洲分别利用天基增强系统WAAS和EGNOS来监测GPS L1 C/A信号。建立GPS增强系统的目的是要在广大的范围内使GPS服务的精度、完好性、连续性和可用性达到一定的要求；②开展接收机自主完好性监测。对于接收机而言，如果GPS接收机视线范围内同时存在6颗以上GPS卫星，可以通过接收机自主完好性监测（RAIM）技术来发现有问题的GPS卫星。这对欺骗式干扰检测尤为有效；③借助其他网络进行监测。GPS全球差分网络（GDGPS）是一个独立、实时的观测站网，共有超过200个监测站。该网络的主要任务之一是对GPS系统本身进行完好性监测。

第二部分：寻找GPS PNT的备份系统。

针对航空用户而言，伪卫星、测距器和e-Loran系统都是目前较为常用的PNT源：①伪卫星通过播发与GPS类似的信号进行距离修正，但是它可能形成对GPS的潜在干扰；②现代化的测距器对航空用户仍具有重要意义，并被FAA作为GPS系统的补充手段；③e-Loran的信号体制与GNSS完全不同，相较于GNSS而言，它更难受到干扰，因此在组合导航中，该系统尤为重要。

通过上述目前使用范围比较广泛的PNT辅助手段，可以在GPS服务中断时提供与GPS相当的PNT服务。

二、美国PTA计划的深入分析

1.PTA计划与PNT政策的关系

无论是美国的天基PNT政策还是国家PNT体系结构研究，以及最新的PTA计划，从根本上讲，都是美国PNT政策发展与完善的过程，这个过程不仅仅体现了美国国家PNT政策的发展，更体现了美国对以GPS系统为主的PNT系统和技术深入认识的过程。通过回顾美国GPS政策的发展历程，可以发现美国的GPS政策有如下几个特点。

（1）美国的GPS政策制订是一个不断发展与完善的过程，也是对GPS系统应用不断深入认识的过程

早在1996年，随着GPS系统的建成和运行，美国成立GPS协调委员会推进GPS系统的应用发展，并规定由国防部和交通运输部分别负责GPS系统的军、民用开发。随着俄罗斯GLONASS系统的建设，以及欧洲开始自主的Galileo系统论证，美国为了提高GPS系统在全球的地位，发布了多项旨在提高GPS系统在全球应用的总统令，如2000年的取消SA政策的总统令等。随着欧洲Galileo系统的发展，以及我国北斗系统的建设，全球多个GNSS系统竞争的局面不可避免，美国为此在2004年发布了更新的GPS政策，其中提出了天基PNT系统概念，并进一步提出应对干扰与多GNSS系统兼容互操作等发展内容。为了更全面地规划GPS系统的发展，应对应用中出现的问题，2006年1月美国进一步启动了国家PNT体系结构研究，并于2008年9月发布《国家PNT体系结构研究》报告，其中明确提出了建设以GPS系统为基石的国家PNT体系，并提出了国家PNT体系建设应遵循的发展策略和发展方向，以及为实现国家PNT体系而从19个方面提出的建设建议。2010年发布的《国家PNT体系结构实施计划》提出每两年对国家PNT体系结构的实施情况进行评估。

由此可见，美国GPS政策的发展经历了一个从单一GPS系统到PNT体系的发展过程，这个过程体现出美国对GPS系统应用认识不断深入的过程。

（2）PNT体系结构研究是美国GPS政策深入发展的里程碑标志

PNT体系结构研究是美国GPS政策发展中的一个里程碑。它首次将体系结构的概念及其研究方法用于国家PNT系统的规划建设。体系结构是“在不确定性环境下，为了完成特定使命或任务，由大量功能上相互独立、操作上具有较强交互性的系统，在一定约束条件下，按照某种模式或方式组合而成的全新系统”。而PNT体系结构则是在GNSS系统为主的PNT技术及其应用迅速发展背景下，应用体系结构研究方法对PNT系统进行的设计分析和规划工作，其目的是从国家层面上提出不同PNT技术领域协同发展的指导原则和发展建议，为国家政策制定、组织管理实施提供支持依据。

具体到GPS系统而言，美国首次将GPS系统提高到PNT的高度，即美国对GPS的需求本质上是一种PNT的能力需求，而GPS系统是满足PNT能力需求的一种手段。进一步的，从PNT能力需求而言，美国需要解决在复杂电磁环境干扰、物理遮蔽环境等条件下的高精度、高可靠性（包括系统服务的可靠性，即系统的完好性）等PNT能力的实现问题。

基于上述能力需求，以及可能的解决措施（如卫星导航系统、基于地球物理参量的导航手段等），美国利用体系结构研究方法，开展了PNT体系结构研究，其目的在于规划未来PNT能力实现所可能依赖的方法或手段，具体表现为PNT系统建设所应遵循的策略和发展方向，以及具体的发展建议。这也就是《体系报告》中提出了最佳准则，多手段PNT实现、PNT系统与通信系统的融合、具有互交换能力的解决方法等可能的发展方向，以及在此基础上提出了19项发展建议。在这些建议中，明确提出了GPS作为PNT体系结构的基石，并强调了干扰应对、多GNSS系统兼容互操作、GNSS性能监测等多个技术问题，以及统一的PNT管理机构、PNT相关的法律法规、标准、国际合作以及基础技术等相关内容。

（3）PTA计划可以看作是美国PNT体系实施计划中的一个具体实现过程

美国PNT体系结构研究中提出PNT能力需求所面临的问题，尤其是复杂电磁环境对PNT能力实现的影响问题，以及在GPS实际应用中出现的干扰问题（如纽瓦克机场的干扰问题，以及“光平方”事件），使得美国在2010年左右开始出现了一种寻求可替代PNT（APNT）的思潮。如美国国防先进研究项目局（DARPA）提出的微PNT（Micro PNT）等概念并开展相关的研究工作；美国空军计划在Locata系统基础上建立不依赖于GPS系统的下一代超高精度参考系统（UHARS）；2011年，国际民航组织（ICAO）导航系统工作组提出，考虑到GNSS系统的易受干扰性，应重新审视将卫星导航系统作为唯一导航手段的可能性，并提出利用Locata系统、eLoran系统等建立可替代PNT系统的可能性。

正是为了回应大众对GPS作为PNT基石的质疑，美国PNT咨询委员会提出了PTA计划，旨在通过保护、强化和增强GPS来满足用户的PNT需求。

由此可以看出，无论是美国早些时候的天基PNT政策，还是国家PNT体系结构研究，以及最新提出的PTA计划，其最终目的是实现美国国家层面上更为合理的PNT能力实现结构。其中， GPS系统（广而言之是国家PNT系统）发展政策的制订与实施是最终目的；为了达到这一目的，美国将体系结构方法应用于PNT系统体系研究，使得对国家PNT政策的制订、规划建立在更为合理可行的基础上；PTA的提出，则是在PNT体系结构实施计划基础上更进一步的阶段性实施计划。

2.PTA计划的优点与不足

从美国国家PNT政策的发展角度分析，PTA计划具有明显的优点，可以说PTA是国家PNT体系结构实施计划中更具有可行性的一个前进步骤。

美国在2008年发布的《体系报告》仅给出了PNT系统的发展建议，而在2010年发布的《实施报告》也只是针对不同系统的发展建议，“每两年进行一次PNT系统能力实现的分析，以保证国家PNT系统建设沿着既定的方向前进”。但PNT体系结构的发展建议如何具体实施并没有给出确定性的形式。此外，《体系报告》中还指出，PNT体系结构的建设，还需要政策、法律法规、国际合作等方面的工作。这些“软”方面的工作如何具体实现，也没有明确的结论。

最新的PTA计划的提出，则给出了国家PNT体系结构建设在最近一个时期内发展的具体措施。其中包括了政策、法律法规方面的考虑，如对GPS干扰的法律定义、从无线电频谱上对GPS信号的保护等；从技术上，体现了国家PNT体系发展建议中的多项内容，如对GNSS干扰的监测与减缓、GPS系统的增强系统建设、GPS系统性能监测、多GNSS系统的兼容互操作，以及随之而来的国际合作，等等。

但同时也需看出，与美国规划的国家PNT体系结构相比，PTA计划更多的集中在围绕GPS系统开展国家PNT系统建设上。尽管PTA中也强调进行GPS系统与其他系统的组合（增强方面），但与PNT体系结构规划中要求的“满足复杂电磁环境、物理遮蔽环境下”的PNT能力实现而言仍具有差距。如对于水下导航等特殊应用需求，以及越来越广泛关注的室内导航定位，就PTA规划的技术实现途径而言，显然不能满足实际应用需求。

因此，可以认为，PTA计划是美国国家PNT体系结构实施计划在近一个时期内的具体实现形式，它从频谱保护、干扰检测与应用等政策、法律法规层面和GPS强化、增强等技术层面上，提出更为细致可行的国家PNT体系结构实现途径。但是，由于PTA计划更多的是从GPS为基石的天基PNT体系结构实现出发考虑问题，反映了美国对于以GPS为国家PNT系统基石的争论，因此，没有全面反映出美国国家PNT体系结构研究中所期望的多导航手段的全面发展要求。

三、结论

PTA计划是美国PNT咨询委员会提出的一项保障用户PNT需求的最新举措。PTA计划可以看作是美国PNT体系结构实施计划的一个阶段性实现形式。

随着我国北斗系统的建设深入，我国应从PNT系统的高度，从体系结构的角度，开展我国的PNT体系结构研究与规划工作，并根据我国北斗系统的建设进展，进一步提出具有可行性的阶段性实施计划。

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