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PNT不只是GPS,而是其发展未来

添加时间:2020-01-09 来源:环球新时空信息技术研究院 作者:环球新时空信息技术研究院
  美国在GPS方面是先行者,而在PNT领域也还是先行者。在这方面,其技术发展路线图值得我们关注。PNT的概念是从GPS(天基PNT)脱胎而来的,并且在2004年正式成立国家天基PNT执行委员会(国家级的民事/军事联合机构),对于GPS计划进行关注和指导。所谓的“天基PNT”是指GPS、GPS增强和其他全球导航卫星系统。而2006-2008年间,美国与GPS密切相关的30余个部门,200多人参与了至2025年的GPS规划,正式推出了“PNT的总体架构”这一设想。显然,这是个雄心勃勃的计划,可是这些年来很少付诸进取式的行动。这与美国的经济状态密切有关,致使GPS现代化计划一再延缓。但是,PNT整个发展框架及其推进路线,还是在继续之中。如果我们认真地研究美国的GPS-天基PNT-PNT技术发展路线,会看到其真正的脉络动向,至少显示出三个迹象:
 
  用好GPS,持续不断地推进其系统现代化进程
 
  历年来,美国一直在持续不断地推进GPS的保护、优化、增强(PTA)政策,与此同时也一直在推进其包括空间段、运控段和用户段在内的系统现代化进程。2018年底第一颗GPSIII入轨,标志着GPS现代化进入一个新阶段,第四个民用信号(L1C)正式应用,与其它GNSS系统的兼容互操作(L1C与L5),有了实质性的进步。但是,GPS的L1C信号形成GPS星座整体服务尚待时日,因为GPSIII的10颗卫星,目前在轨卫星只有两颗,估计到2023-24年才能够发射完成,而后续的GPSIIIF的22颗卫星,到2026年从发射第一颗卫星,至2034年才能够发射完毕。GPSIII卫星的特色是:增加精度和功率、实现固有的信号完好性、增强抗干扰能力、增添新的L1C信号,具有更长的设计寿命(15年)。GPSIIIF卫星的特色是:实现统一的S波段遥测、跟踪与指令系统(近实时的指令/星间电路)、增加搜索和救援(SAR)有效载荷更快地检测和定位遇险信号、设置激光后向反射器阵列(LRA)提供更精确的测距数据、提供更高的功率/抗干扰能力的军用信号为战士提供区域军事保护(RMP),以及重新设计核爆探测系统(NDS)。与空间段现代化同步的是运控段和用户段的现代化。值得指出的是,L1C实现与其它GNSS的兼容互操作,L2C使用与多种多样的商业化应用,而L5主要是利用其受到频率保护的优势,重点用于生命安全领域。
 
  有的放矢,坚持融合发展,打造坚强PNT
 
  由于GPS应用服务存在明显的脆弱性威胁,所以很长一段时间以来,美国的卫星导航界一直在千方百计地提高其可靠性,尤其是以GPS完好性为代表的功性能指标。从系统而言,始终没有完好性对策,指导GPSIIIF才有所考虑。所以,一般都是用接收机自主完好性监测来应对。近十年来,又提出了保护、优化和增强(PTA)的政策,旨在保护频谱、优化接收机性能,和采取多模增强措施,以提高GPS的可用性、定位精度、连续性和完好性。还提出了坚强(或者称为弹性)PNT的概念,其最终目标是实现确保的PNT。在美国2008年发布的PNT整体框架文件中,人们不难发现其愿景是在推进2025年的PNT进程中,成为全球领先者,其整体战略是祈求最大公约数,也就是投入最小化,效益最大化。其主体的四大模块组成中,全面体现了融合的概念,因为有GPS(天基PNT)作为依托基础,才能真正地实现有核心主线的融合:一是关键基础物理学科间的整合;二是不同系统间的互补与替换;三是首当其冲的导航与通信(应该说是包括天地基、室内外)的融合;四是管理机构间的进一步合作融通。说实在的,真正的坚强PNT打造,是融合的结果,而不是结果的融合。
 
  突出军用,旨在解决关键核心技术,终极是确保PNT
 
  由于PNT框架概念过于泛在,难于形成工程性项目实施方案,因此必须找到合适的牛鼻子抓手,从关键核心技术着手,从军用之需着手,是个不错的选择。所以,应该以确保的PNT为终极目标,来逐步营建PNT整体架构。所谓的确保PNT,就是在存在干扰、欺骗或其他骚乱的环境下,不会丢失其获得时空参量信息的能力,这是美国国防部在此领域的最高优先事项之一。2019年8月美国国防部公布其PNT战略,强调指出:“为了确保军用PNT的先进性,仅仅用GPS是不够的”。对此国防部将要使用的主要方法之一,是采用多种不同的PNT源。这些源实际上可以处于全球、区域和本地服务的多层体系结构中。该战略设想将GPS与军用级接收机配对,作为主要的全球层的PNT源,同时认为可以使用联军的GNSS。而且,由于“GPS存在很容易受干扰和影响的脆弱性,所以应该有必要考虑使用具有不同特性的PNT信息的其他源”。区域层PNT定义为可以服务于广大地区(例如几个国家或甚至大洲)的系统。该战略报告认识到区域层源可能存在于太空中,因此讨论了两个低频地面系统,这些系统的特性与卫星大不相同的增强罗兰(eLoran)以及竞争环境中的空间、时间和方向信息(STOIC)。其中每个都可以视为对GPS的可能补充”。短距离射频系统、时钟、惯性、多种多样传感器和混合PNT服务,均可与无线网络集成,并且都被认为是国防部PNT体系结构本地层的可能贡献者。
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