美国PNT 信息源建设进展及启示

陈汗龙，龚亮，李睿，郑晓雪

( 北京卫星导航中心, 北京 100094 )

0 引言

定位、导航和授时(positioning, navigation and timing, PNT)体系的目标是摆脱对单个信息源的依赖，利用多种PNT 信息源为用户提供全天候、全覆盖的服务. 作为最早谋划PNT 体系架构、规划建设的美国，2010 年在国防部和交通部的带动下，开始研发不同PNT 信息源的深度融合技术[1]，计划在2025 年完成建设并提供高精度服务，将它作为维护国家安全、增强军事实力和发展国民经济的重要基础设施[2].PNT 体系优势在于高可靠性、高稳健性和高可用性，能满足不同区域、多种场景用户的PNT 需要，它的发展已成为大国科技、军事及商业竞争的重要领域. 本文主要对美国PNT 体系政策、PNT 信息源建设现状进行梳理和分析，同时对我国PNT 信息源建设发展提出了具体建议.

1 美国PNT 政策概述

美国及其军方意识到仅由GPS 提供的天基PNT服务存在极大安全隐患，近年来不仅努力升级和增强GPS，更是致力发展与低轨通信卫星、与陆基无线电系统和自主导航系统深度融合的新技术，构建一个弹性、可靠、开放和模块化的国家PNT 体系[3-4]，力图形成新的非对称PNT 信息优势，以适应复杂电磁环境下的应用需求.

近20 年来，美国发布了多个与PNT 体系建设相关的政策：2004 年发布的《GPS 政策》第一次提出“天基PNT 系统”概念；2008 年提出了维持实时有效的“PNT 能力”19 条建议；2010 年发布了《PNT 体系实施规划》，提出要改进天基PNT 和地基PNT 功能，计划2025 年构建一个弹性、可靠、互补和稳健的国家PNT 新体系作为美国经济和国家安全的基础；2018 年签署了《2018 年国家授时弹性和安全法案》，提出建立GPS 补充和备份授时系统；2019 年发布了《国防部PNT 体系战略》为各部门制定了统一行动纲领，确保美在PNT 领先优势；2020 年发布了《通过负责任地使用定位导航与授时服务以增强国家弹性》行政令，让依赖PNT 信号的关键基础设施免受干扰和操纵，提升PNT 服务的安全性和弹性.

2021 年1 月美国发布了《航天政策7 号令》(SPD-7)，即2021 版《美国天基定位、导航与授时政策》，它的发布旨在保持美国在天基PNT 领域的核心领导地位，内容中新增加了“PNT 服务”、“主要PNT 服务”、“备份PNT 服务”和“导航战”四条术语[5]，前三条的增加是因提供PNT 信息源的增多、建设备份PNT 的需要，此前天基PNT 领域仅有GPS 提供服务，第四条“导航战”的增加可推断美军认识到导航对抗已成为争夺战场的时空信息制权和支撑美军联合作战的重要领域.

上述政策的实施将加速美国PNT 体系的建设、发展和能力生成，总体目标可概述为三个方面. 一是构建三层级全域体系架构，将PNT 体系服务范围划分为全球层、区域层和局域层，全球层以GPS 或盟友GNSS 作为主要PNT 源[4]；区域层以天基或陆基系统保障PNT 弹性能力；局域层主要使用陆基射频PNT 源、集成通信系统和自主PNT 源. 二是保持己方使用：1)建设提升美国PNT 系统、PNT 增强系统及其应用装备的安全能力. 2)研发干扰探测技术，具备更强的抗干扰及抗被操纵能力，保证美国和盟国的安全. 3)建立关键基础设施、资源的PNT 备份源.4)保护GPS 及其增强系统当前使用频谱，研究增加GPS 和PNT 服务弹性的其他无线电频谱[5]. 三是阻止敌方使用. 有选择地拒止敌方使用PNT 信息，提升阻止敌方恶意使用其PNT 服务的能力[6].

美国力图建立并维护在全球PNT 领域的领先性和主导地位，保持技术优势. 其国防部在2018 年指出：PNT 体系已经嵌入到国防部的所有任务系统中，精准的PNT 信息源融合提高了军队指挥和控制的协调性. 美军已开始使用多种PNT 系统和装备，为自身、盟友和联盟企业提供全面的PNT 能力以应对军事斗争的需要，确保战场导航权[7].

2 美PNT 信息源建设进展

PNT 体系基于“不同原理”的多种PNT 信息源，在接口层、数据层和应用层进行深度融合，保证在某一信息源中断或受到干扰，其余信息源仍可持续为各类用户提供精准的PNT 服务. PNT 体系信息源通常由天基PNT 信息源、地基PNT 信息源和自主式PNT信息源三种类型组成[8]，如图1 所示[2-3].

图1 PNT 体系常用信息源

在军事领域，美军提出以GPS 为基石，利用一切可用的导航信息源，使用标准化接口融合处理，为各军种提供不同作战背景下高精度、高可靠及高实时性的PNT 信息保障能力；在民用领域，美国提出以GPS 为首选方案，利用天基、地基增强系统提升PNT服务性能，并部署eLoran 系统作为GPS 的备份[3-6].当前，美PNT 体系信息源建设的重点有以下几个方面.

2.1 GPS 现代化改造

GPS 作为美国PNT 体系的基石，它的地位和作用在各类PNT 信息源之上，主要担负着PNT 体系时间和空间基准的传递与维持功能，为其他PNT 源或用户提供初始信息修正和校正服务[9]. GPS 卫星的现代化改造包含两个型号：GPS-3 和GPS-3F. GPS-3 卫星主要能力变化[10]：一是星座采用交叉链接的指挥和控制架构，允许从单个地面站同时更新整个GPS星座；二是增加了L1 频段的互操作信号L1C，扩展了服务用户范围；三是定位精度提高3 倍，抗干扰能力提升8 倍. GPS-3F 卫星在GPS-3 的基础上[10]：一是搭载激光后向反射器阵列，用于提高卫星轨道测量精度和服务质量；二是具备点波束信号功率增强能力，使用军用高增益天线实现GPS 军用信号20 dB的点波束信号功率增强，可在全球任意两个区域同时实施，功率增强区域直径达1 000 km；三是具备全数字导航有效载荷，结合新一代数字波形发生器，实现灵活的抗干扰、抗欺骗技术. 美军认为GPS-3F 星座部署完成后将进一步提升区域军事保护能力，可在战区提供高达60 倍的抗干扰能力，保障美军和盟军在战时复杂电磁环境下GPS 的可用性. 2019 年，美国空军的导航技术卫星三号(Navigation Technology Satellite-3, NTS-3)项目计划也开始实施，作为GPS地球静止轨道补充卫星星座，NTS-3 用于验证如遭遇电子干扰下的卫星新信号部署的在轨可再编程等快速恢复能力、相控阵天线波束操控定向增强等关键技术[11]，会有效增强美国PNT 能力. 此外，与GPS-3改造相配套的新一代地面运控系统(operational control system, OCX)也在不断更新升级，目标是全面满足将来系统空间段的运行、控制与管理要求，增强赛博安全与信息保障能力[12].

2.2 与低轨通信卫星融合

2016 年美国铱星公司开展了卫星时间和位置服务(satellite time and location, STL)试验，目的是为军用用户和民用电力、网络和金融等关键基础设施提供GPS 备份定位授时服务. STL 定位精度可达20 m，授时精度1 μs，具有轨道高度低和通信速率高两大特点，较GPS 有四大优势：一是信号功率强，落地信号电平和抗干扰能力较GPS 提升30 dB，能够在高衰减条件和一定干扰条件下提供定位授时服务；二是卫星几何位置变化快，可完成实时、快速的高精度定位；三是信号加密，不易受到干扰和欺骗；四是通信速率高，电文传输快. 2019 年铱星完成了二代75 颗星座的部署，2020 年3 月成功验证了在GPS 信号被干扰、欺骗或不可用情况下，利用铱星系统可提供持续的PNT 服务能力，弥补了GPS 性能缺陷.

当前的“星链”(Starlink)计划也备受关注，2022年有数万台“星链”终端在乌克兰运行，为恢复乌克兰境内网络通信、支援乌武装力量情侦监活动和打击俄军目标等均发挥了作用. 在PNT 服务上，“星链”可搭载GNSS 接收机作为“星基监测站”参与高中低轨卫星联合定轨和精密钟差测定，利用低轨优势实现信号与信息双增强，通过快速变化的几何构型解决精密定位慢的问题[13]，实现天基PNT 服务精度实时性、完好性和连续性的增强. 2022 年12 月SpaceX 推出的基于“星链”技术的“星盾”计划，已明确表明将用于军事用途，为美国防部和情报局主要提供安全数据加密通信、对地遥感观测、安全数据处理和模块化托管各类型军用载荷等服务，可预测全面建成后不仅可提供完备的战场通信能力，也可用于向全球的己方作战单元提供精准的PNT 信息，同时对敌对国卫星信号进行压制干扰甚至欺骗干扰.

2.3 部署地基eLoran 系统

2020 年美国政府申请4 亿美元预算重新部署eLoran 系统作为GPS 的备份，目的在GPS 不可用的情况下提供PNT 服务. eLoran 系统的前身是Loran系统，它的无线电收发基站的作用与卫星功能相同，由19 座地面塔组成，其信号可穿透建筑物、隧道以及地下. eLoran 系统的特点：一是增强了信号强度，系统使用高功率、低频带无线电信号，使得其信号基本不可能被阻断，可靠性高达99.999%；二是加强了安全防范，在Loran 系统的基础上，增加了一个数据传输通道，以承载需要加密的信息传递. 全面建成后eLoran 系统的地面基站数量将增加到25 座，服务范围可超过10 000 km，定位精度(8~20 m)[14]. 2020 年5 月美发布的《GPS 定位导航与授时备份与补充能力报告》中称，eLoran 在授时、位置导航能力方面可满足替代主要PNT 系统的需求. 美军方正研究利用eLoran 作为GPS 有效备份和补充的演示验证和性能评估，以增强导航战中的备份保底能力.

2.4 推动自主导航项目研发

自主导航信息源是PNT 体系的重要补充，它的优势在于解决有遮蔽或干扰情况下PNT 不可用的问题，提升PNT 体系的鲁棒性. 美国军方一方面持续发展其惯性导航技术、匹配导航技术、天文导航技术和多普勒导航技术，例如AN/WSN-7 自主式环形激光陀螺惯性导航系统，它的成本低、体积小，可靠性高，精度可达1 海里/14 天[15]，系统完全自主，可免遭电子攻击，其换代产品AN/WSN-12 也通过了设计评审.另一方面在美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的主导下已启动多个专项计划. 如微PNT 计划：以微机电、微电子技术为基础，发展轻量级、自校准的惯性导航和芯片级原子钟等PNT 核心组件. 自适应导航系统：对PNT 新算法和新体系结构研究，实现多平台PNT传感器的快速集成，满足GPS 拒止条件下PNT 服务的可用性，主要包含精确惯导系统和全源导航系统.量子辅助感知与读出：研发新一代磁场、力学和时间量子传感器，应用在惯性导航和计时守时等领域. 超快激光科学与工程：发展生成与控制超快光脉冲的技术，实现更高精度的远距离时间与频率同步[9,16-17].

上述PNT 信息源的建设和发展，表明美国在整体规划上理清并确定了PNT 能力发展的脉络与途径，已进入PNT 体系建设的实质性阶段. 不断改进和优化GPS，持续发展建强基于不同原理(天基PNT 信息源、地基PNT 信息源和自主PNT 信息源等)的冗余PNT 信息源，全面启动多PNT 信息源融合和关键技术的研发.

3 对我国PNT 信息源建设启示

为统筹利用好各类导航资源，解决仅由北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)提供单一PNT 源的脆弱性，同时解决用户在不同场景下PNT 的需求，我国也在加速研究和建设综合PNT 体系，其概念由杨元喜院士提出：“基于不同原理的多种PNT 信息源，经过云平台控制、多传感器的高度集成和多源数据融合，生成时空基准统一的，且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的PNT服务信息”[1]. PNT 体系的建设和发展必须做好顶层设计和结构规划，从国防、经济和社会发展等长远战略角度出发，以服务效能最大化、资源利用最优化和发展模式最简化理念为指导，重点解决标准不统一、协同不完善、服务效能低、抗毁能力弱等现实问题[17].

我国PNT 信息源应当以BDS 为基础支撑，其他多类型PNT 信息源相互增强、融合、补充和备份[18]，为空间、地表、室内、水下及有遮挡区域用户提供高精度高可靠的PNT 服务，满足各类军事任务、商业活动及科学实验的需求. 如图2 所示[6-7].

图2 我国综合PNT 服务构想

3.1 以BDS 为基石

2020 年8 月北斗三号(BeiDou-3 Navigation Satellite System, BDS-3)正式开通运行，全球定位精度10 m，授时精度20 ns，承担着为国际用户提供PNT、全球短报文通信和国际搜救等任务，是国家信息化基础设施，已成为国防安全、经济安全和公共安全的重要支撑平台. 当前，BDS 是我国天基PNT 信息的主要来源，未来国家PNT 体系一定是基于现有BDS 延拓的全空间覆盖体系[11]，为其他PNT 信息源提供时空基准，为特殊用户提供高精度服务，为多场景用户提供全覆盖服务. BDS 要持续进行升级改造，探索下一代由高低轨组成的北斗混合导航星座，与国内外基准站数据资源互融互通，建立统一、高精度的时空基准，进一步提升系统各项服务性能指标，推动BDS 未来发展.

3.2 以多种PNT 信息源为依托

我国PNT 体系应由多种不同原理且各自可独立运行的PNT 信息源组成，各信息源之间相互补充、备份，以确保空、天、地、海及有遮挡区域PNT 服务的连续性，避免因单一信息源受到干扰或遭毁情况下导致PNT 服务中断. 国家PNT 信息源可分为三大类：一是天基PNT 信息源，以BDS 为主，兼容GPS、GLONASS和Galileo，建强并升级现有星基增强系统，与低轨通信卫星融合，充分挖掘低轨星座的高功率、高速率和抗干扰优势，作为BDS 信号的补充和增强；二是地基PNT 信息源，构建由“长河”二号、长波授时系统(BPL)、短波授时系统(BPM)、移动通信和无线网络系统等组成的地基广域系统，为我国及周边用户提供区域级PNT 服务，并作为BDS 的备份. 三是自主导航信息源，推动惯性导航信息源、匹配导航信息源和自适应导航信息源的研发，充分利用它们自主性强，可独立运行的特点，完成用户在水下、地表、遮挡区域以及近地空间等特殊场景时PNT 信息的自主推算，作为PNT 体系的重要补充.

3.3 以信息融合技术为关键

不同类型的PNT 信息源要相互补充、协同、集成，解决因单一信息源中断导致的PNT 服务不可用问题，否则再多的信息源也无法增强PNT 体系的可用性和鲁棒性，要建立精确、高效、统一的观测信息数学模型和数据融合算法，规范PNT 信息源的接口标准，推进不同PNT 信息源原始观测数据的深度融合和互联互通[2,17]：一是空间基准的归一，可采用中国2000 坐标基准；二是时间基准的统一，可以以中国北斗时间(BDT)为时间基准，为其他PNT 源提供精密授时及时间比对业务，完成系统的时间归算、时间同步和时间修正等任务，让系统内部和用户端都对应同一时标；三是观测信息的统一，基于不同背景、不同原理构建的PNT 体系服务系统，其数学函数模型是不同的，各类PNT 观测信息的数学模型必须表示成相同的位置、速度和时间参数等信息，才能融合输出可用、连续和稳健的PNT 应用信息[16].

3.4 以协同创新发展为驱动

一方面瞄准国内外前沿领域研究方向，根据PNT 体系对多信息源的实际需求，加快开展脉冲星信号、匹配导航信息、激光导航信息、量子导航信息和水下声呐信标等PNT 信息源的工程实践及市场应用研发，融入国家PNT 体系，满足特殊区域用户需求的同时，实现真正的多信息源补充、组合. 另一方面要加强关键技术攻关，发挥军地间协同创新优势，各部门深度参与核心集成电路、电子元器件、基础芯片、微型陀螺技术、芯片原子钟和芯片级组合原子导航仪等领域的研发，具备核心器部件的研制和生产能力，进一步突破导航与遥感、通信、互联网、云计算、大数据等领域的融合应用，实现PNT 服务的智能化，使其具备较强的容错能力、备份能力、故障处置能力及安全防护能力. 此外，还要注重人才队伍建设，增强PNT 人才和政策法规建设，作为PNT 信息源建设的保障，并引入民营资本，发展相关产业，规范市场行为，提高治理水平. 目前PNT 技术领域人才培养严重短缺将不利于我国PNT 体系和信息源建立完善以及PNT 技术水平的提高.

4 结束语

在PNT 体系发展的大背景下，卫星导航系统及其他PNT 信息源已从单一军事应用、军事需求的竞争转变为国家战略、综合国力的竞争，直接影响除国防外的金融、电力、交通、通信等系统的安全，要掌握PNT 领域的核心技术，推动我国天基、地基和自主PNT 信息源的研发和升级改造，不断向集成化、智能化和微型化的方向发展延伸. 我们要以BDS 作为支撑平台，整合军地优质资源，协同发展，实现多PNT信息源的数据融合、应用集成，完善备份补充和保底手段，确保非常时期己方PNT 体系的安全性、可靠性和可用性.