張紅波，張風(fēng)國(guó)，甄衛(wèi)民

（中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107）

0 引 言

美國(guó)國(guó)防部網(wǎng)絡(luò)與信息集成助理國(guó)防部長(zhǎng)（ADS／NII）和運(yùn)輸部政策副部長(zhǎng)（UST／P）發(fā)起一項(xiàng)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究活動(dòng)，目的是到2025年左右提供更加有效和費(fèi)效比的定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）能力，并為政府所提供的各種系統(tǒng)和服務(wù)探索一條漸進(jìn)的發(fā)展道路。于2008年發(fā)布了《國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)研究報(bào)告》，同時(shí)發(fā)布了體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)備忘錄（AGM）?；谠搨渫?，美國(guó)成立了一個(gè)包括PNT管理者在內(nèi)的PNT體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型團(tuán)隊(duì)（ATT），受美國(guó)國(guó)家空間安全辦公室（NSSO）委托制定了《國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》，實(shí)施計(jì)劃是PNT管理者支持國(guó)家PNT結(jié)構(gòu)建議的實(shí)施計(jì)劃，其提供了重要實(shí)施信息和指導(dǎo)。該計(jì)劃給出了一種可行方案，為利益相關(guān)方提供有限的、不同等級(jí)的、劃分財(cái)政和時(shí)間階段的實(shí)施步驟，作為對(duì)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)（ADT）提出的19條建議的支撐，以支持PNT體系結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)景發(fā)展和實(shí)施策略［1－3］。

實(shí)施計(jì)劃是跨機(jī)構(gòu)間的行動(dòng)計(jì)劃，它包含實(shí)現(xiàn)美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)策略和要素的轉(zhuǎn)型任務(wù)。為了將“當(dāng)前”體系結(jié)構(gòu)向功能強(qiáng)大的2025年的“目標(biāo)”體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型任務(wù)是必須執(zhí)行的任務(wù)。近期轉(zhuǎn)型任務(wù)是為組織管理者進(jìn)行更詳細(xì)的規(guī)劃而確立的，中遠(yuǎn)期轉(zhuǎn)型任務(wù)涉及面更廣，其具體實(shí)施細(xì)節(jié)要取決于前期任務(wù)執(zhí)行的最終結(jié)果。計(jì)劃每?jī)赡旮乱淮危员隳軐⑶捌诘耐瓿汕闆r和反饋考慮在內(nèi)，同時(shí)反應(yīng)PNT環(huán)境變化［4－5］。

1 轉(zhuǎn)型任務(wù)選取原則

ATT制定了近350項(xiàng)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型任務(wù)，但選取了一些最需要最緊急的任務(wù)作為中繼，以便改善計(jì)劃的可執(zhí)行性。ATT選擇任務(wù)集的原則如下:

1）必要性——ATT選擇的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)PNT體系結(jié)構(gòu)策略和支撐要素所絕對(duì)需要的元素；

2）緊迫性——ATT選擇的任務(wù)是近兩年需要執(zhí)行的，中長(zhǎng)期任務(wù)的執(zhí)行取決于近期任務(wù)的完成情況。

許多任務(wù)的重點(diǎn)都集中在解決當(dāng)前PNT能力空缺和未來(lái)PNT能力需求上。以下的能力空缺項(xiàng)來(lái)自美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合能力文檔（JCD）、聯(lián)邦無(wú)線電規(guī)劃（FRP）和其它各種文檔:

1）物理障礙環(huán)境下確保的實(shí)時(shí)PNT；

2）電磁拒絕環(huán)境下確保的實(shí)時(shí)PNT，包括在欺騙干擾、人為干擾和自然干擾下的應(yīng)用；

3）具有完好性的高精度需求。當(dāng)PNT性能降低或者錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)的信息通知能力。特別針對(duì)生命安全應(yīng)用或者避免間接損害；

4）高高度／空間定位和定姿，包括實(shí)時(shí)高精度定位和定姿信息；

5）用戶對(duì)地理空間信息的及時(shí)訪問(wèn)能力；

6）遮蔽環(huán)境下PNT建模能力，以確定影響并預(yù)測(cè)城市環(huán)境中的影響。

2 體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型計(jì)劃及2025年路線圖

體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型計(jì)劃是美國(guó)國(guó)家體系結(jié)構(gòu)向目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，PNT管理機(jī)構(gòu)必須實(shí)施的可執(zhí)行任務(wù)。轉(zhuǎn)型計(jì)劃是中間管理機(jī)構(gòu)行為計(jì)劃，大約每?jī)赡旮乱淮?。?jì)劃更新需要考慮前一個(gè)版本的完成和反饋情況，同時(shí)將反應(yīng)PNT環(huán)境的變化，包括技術(shù)革新、國(guó)家策略變更、PNT程序改變和新的或變化的PNT需求。近期開(kāi)始實(shí)施的轉(zhuǎn)型任務(wù)包括詳細(xì)的計(jì)劃，中長(zhǎng)期任務(wù)規(guī)劃更為廣泛，因?yàn)樗鼈兊膱?zhí)行細(xì)節(jié)取決于上一期的結(jié)果。

《國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》給出了2025年前美國(guó)PNT發(fā)展路線圖，內(nèi)容涉及國(guó)家體系結(jié)構(gòu)策略和支撐要素。每一部分的發(fā)展線路圖概括了現(xiàn)在和將來(lái)所需執(zhí)行的任務(wù)，包括基礎(chǔ)條件建設(shè)任務(wù)、能力建設(shè)任務(wù)和新能力實(shí)現(xiàn)任務(wù)等。

2．1 更大公用數(shù)策略實(shí)施計(jì)劃

執(zhí)行策略的總體計(jì)劃如圖1所示，旨在為政府和商業(yè)提供更強(qiáng)的PNT能力，具體任務(wù)包括:GPS現(xiàn)代化，消除冗余全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）增強(qiáng)設(shè)備或服務(wù)，識(shí)別、確定和監(jiān)測(cè)PNT系統(tǒng)服務(wù)水平。此外還包括探索具備完好性的高精度（HAWI）需求、技術(shù)方案和應(yīng)用潛力，PNT用戶設(shè)備現(xiàn)代化，總結(jié)和修正PNT出口管制和導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)與方法，尋求PNT用戶利用新能力的快速方法。

圖1 更大公用數(shù)策略實(shí)施路線圖

圖2 多重現(xiàn)象學(xué)實(shí)施路線圖

執(zhí)行該計(jì)劃將允許PNT用戶和PNT供應(yīng)商采用魯棒的PNT服務(wù)組合，進(jìn)而消除當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)存在的PNT能力空缺和不足。

1）GPS現(xiàn)代化為所有用戶提供公共基礎(chǔ)能力，現(xiàn)代化的GPS信號(hào)有助于克服不利環(huán)境（物理阻礙環(huán)境或電磁拒絕環(huán)境）影響。

2）PNT信號(hào)監(jiān)測(cè)也是同等重要的任務(wù)，如果計(jì)劃利用某個(gè)GNSS信號(hào)，首先要監(jiān)測(cè)其性能并適時(shí)播發(fā)給用戶，此方法有助于解決系統(tǒng)異?；蝈e(cuò)誤信息（DMI）方面的完好性能力空缺。

3）具備完好性的高精度應(yīng)用方案研究是支撐未來(lái)PNT新應(yīng)用所必需的。當(dāng)PNT信息可靠性下降或者出現(xiàn)誤導(dǎo)信息時(shí)，允許用戶接收現(xiàn)代化信號(hào)和采用內(nèi)在完好性監(jiān)測(cè)方法，這種改進(jìn)型用戶設(shè)備的發(fā)展和應(yīng)用有助于用戶在不利環(huán)境下的正常運(yùn)行和接收告警信息。

4）建立評(píng)估GPS增強(qiáng)系統(tǒng)需求、轉(zhuǎn)變或淘汰計(jì)劃的準(zhǔn)則，以高費(fèi)效比的執(zhí)行滿足用戶需求的體系結(jié)構(gòu)建議。

2．2 多重現(xiàn)象學(xué)實(shí)施計(jì)劃

多現(xiàn)象學(xué)是指多樣化的物理現(xiàn)象，如多種射頻和慣性傳感器，以及利用這些物理現(xiàn)象的多樣化信息源和數(shù)據(jù)傳輸路徑，為用戶提供可互換的解決方案。多重現(xiàn)象學(xué)實(shí)施計(jì)劃主要是集成用戶裝備（IUE）研發(fā)，其能夠檢測(cè)和處理多模方案，以從多個(gè)PNT源獲得可靠PNT信息。同時(shí)還包括各種標(biāo)準(zhǔn)和政策的制定等任務(wù)。具體實(shí)施計(jì)劃如圖2所示。

多重現(xiàn)象學(xué)實(shí)施計(jì)劃將賦予用戶利用多個(gè)信息源進(jìn)行定位、測(cè)向和授時(shí)的能力，可解決當(dāng)前基于射頻（RF）的PNT方法無(wú)法滿足受阻環(huán)境下用戶需求的能力空缺。

1）基于RF的專用PNT技術(shù)，例如偽衛(wèi)星和信標(biāo)，在一定條件下可支持有限的PNT應(yīng)用。包括改善城市峽谷地區(qū)的PNT服務(wù)可用性，有利于提高物理障礙條件下PNT的魯棒性。

2）包含自主PNT技術(shù)（慣導(dǎo)和時(shí)鐘）的IUE，其應(yīng)用將有利于外部信號(hào)的鎖定和支持RF信號(hào)中斷期間繼續(xù)提供PNT信息。

3）未來(lái)IUE可將多個(gè)信息源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以檢測(cè)退化或誤導(dǎo)信息，可為用戶提供更魯棒的PNT服務(wù)。

4）IUE的可替代性（AoA）分析可幫助用戶自動(dòng)選擇集成哪些PNT數(shù)據(jù)源。

2．3 可互換的解決方案實(shí)施計(jì)劃

該實(shí)施計(jì)劃目的是確保用戶可以對(duì)多重現(xiàn)象學(xué)中的PNT數(shù)據(jù)源進(jìn)行自主選擇以克服PNT服務(wù)中的現(xiàn)有能力和未來(lái)能力的缺項(xiàng)。此計(jì)劃將進(jìn)一步提升PNT解的可互換性，改善用戶對(duì)互操作能力的接受程度，如圖3所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以得出，采用振動(dòng)壓路機(jī)碾壓后的大粒徑瀝青混合料基層壓實(shí)度平均值為98.6%，滿足規(guī)范中要求，表明采用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)大粒徑瀝青混合料基層進(jìn)行碾壓是可行的。

圖3 可互換的解決方案賦能路線圖

具體轉(zhuǎn)型任務(wù)包括:

1）標(biāo)準(zhǔn)的PNT時(shí)空參考系統(tǒng)有利于商業(yè)部門(mén)的發(fā)展應(yīng)用。不斷出現(xiàn)的新需求將需要更精確參考框架的支持。升級(jí)的天文參考框架將支持高度和太空平臺(tái)測(cè)向需求。

2）信息監(jiān)測(cè)、交換和性能標(biāo)準(zhǔn)的制定有助于IUE實(shí)現(xiàn)多種PNT數(shù)據(jù)源之間的自動(dòng)切換和自由組合。

3）通用的柵格參考系統(tǒng)將提高互操作性、減少操作紊亂、降低因定位誤差導(dǎo)致任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)（例如軍事瞄準(zhǔn)、火力打擊和救援等）

2．4 PNT與通信的協(xié)作實(shí)施計(jì)劃

該實(shí)施計(jì)劃主要目的是加強(qiáng)用戶與作為PNT源、傳輸PNT輔助和增強(qiáng)信息的通信網(wǎng)絡(luò)的鏈接。這主要取決于對(duì)利用通信系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航授時(shí)的創(chuàng)新性方案的研究認(rèn)識(shí)，以及對(duì)修改通信能力，以將其作為PNT源的研究認(rèn)識(shí)，如圖4所示。

圖4 PNT與通信的協(xié)作實(shí)施路線圖

1）在啟動(dòng)新系統(tǒng)和設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程之前，必須對(duì)詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)和方案進(jìn)行深入研究和細(xì)致評(píng)估。分析工作有助于用戶對(duì)適合通信和PNT融合的方案做出決定，例如用戶可以利用通信網(wǎng)絡(luò)的能力克服物理障礙和電磁干擾問(wèn)題提高PNT的魯棒性。

2）該計(jì)劃還能挖掘更多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域，包括電視信號(hào)、無(wú)線電廣播信號(hào)、移動(dòng)電話廣播塔，為室內(nèi)和城市峽谷區(qū)域提供PNT服務(wù)。

3）通信和PNT融合也可以輔助地球軌道之外的導(dǎo)航，提供告警信息播發(fā)的通信鏈路和分發(fā)空間信息等。

2．5 合作型組織結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃

該實(shí)施計(jì)劃目的是促進(jìn)各組織結(jié)構(gòu)之間的協(xié)作，提升信息共享水平。建立面向整個(gè)社會(huì)的行業(yè)評(píng)估中心將對(duì)PNT體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行討論和評(píng)價(jià)。中心將重點(diǎn)關(guān)注PNT相關(guān)的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域所作的努力，確保PNT規(guī)劃辦公室對(duì)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)情況和成本有深入的了解，具體任務(wù)如圖5所示。

圖5 合作型組織結(jié)構(gòu)發(fā)展路線圖

3 執(zhí)行計(jì)劃思路

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)不斷演化的框架，它包含許多分散但相關(guān)的規(guī)劃、系統(tǒng)能力、標(biāo)準(zhǔn)和策略。執(zhí)行國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃需要一份承諾，可以強(qiáng)有力地約束PNT各行業(yè)的利益相關(guān)方堅(jiān)持履行義務(wù)并根據(jù)需要對(duì)各自現(xiàn)有的領(lǐng)域做出適當(dāng)?shù)母淖?。協(xié)調(diào)利益相關(guān)方活動(dòng)的過(guò)程將類似于國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)本身不斷演化的實(shí)現(xiàn)情況，即以迭代方式不斷螺旋上升的一個(gè)過(guò)程。

4 結(jié) 論

定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)正在改變我們生活的方方面面，其應(yīng)用僅受“人類想象力”和“PNT系統(tǒng)自身能力”的制約。針對(duì)現(xiàn)有PNT系統(tǒng)在滿足用戶需求方面存在的能力空缺，美國(guó)通過(guò)建立國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系方式來(lái)解決，以繼續(xù)維護(hù)美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的愿景。為此，美國(guó)詳細(xì)制定了《國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》，以推進(jìn)PNT行業(yè)走上更強(qiáng)大的未來(lái)目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展道路。該計(jì)劃重點(diǎn)關(guān)注數(shù)個(gè)優(yōu)先任務(wù)并提出了實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)建議的時(shí)間進(jìn)程表。

鑒于定位導(dǎo)航授時(shí)能力的重要性，我國(guó)應(yīng)重視并研究建立適合中國(guó)國(guó)情的國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)，并制定可執(zhí)行的實(shí)施計(jì)劃。此外，可從美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃的任務(wù)中，了解未來(lái)PNT技術(shù)發(fā)展方向與重點(diǎn)，為我國(guó)相關(guān)PNT系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒。

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

［2］ 郭麗紅，李 洲．美國(guó)國(guó)家天基PNT概況［J］．全球定位系統(tǒng)．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．