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      美國(guó)國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)體系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型計(jì)劃概況*

      2013-10-10 09:08:36張紅波張風(fēng)國(guó)甄衛(wèi)民
      全球定位系統(tǒng) 2013年2期
      關(guān)鍵詞:定位導(dǎo)航體系結(jié)構(gòu)計(jì)劃

      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.

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