前沿 | 彈性PNT體系發(fā)展現(xiàn)狀及分析

自上世紀以來，以美國GPS系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是國防和國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的PNT信息的最主要來源。盡管衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有覆蓋范圍大、導(dǎo)航精度高、全天候、全天時運行等多種優(yōu)勢，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的固有脆弱性也正在不斷顯現(xiàn)。從工作流程上來看，全球主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用了類似的無線電信號體制和定位測距方式，即基本上都是由導(dǎo)航衛(wèi)星在公開無線信道環(huán)境中向用戶廣播直序擴頻（DSSS）信號的模式來實現(xiàn)導(dǎo)航定位，因此普遍存在著信道公開、信息格式公開、信號頻率公開、編碼方式公開、用戶群體開放的特點，這使得這些系統(tǒng)的運行狀態(tài)和服務(wù)性能極大的受到其所在環(huán)境的影響，尤其是在復(fù)雜戰(zhàn)場條件和惡劣電磁環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)易被干擾、切斷和誘騙的問題就顯得非常突出。

從系統(tǒng)組成上來看，由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一般由空間段、地面段和用戶端組成，空間段的各導(dǎo)航衛(wèi)星出現(xiàn)故障的可能性不可避免，此前的歐洲伽利略系統(tǒng)就曾經(jīng)因為衛(wèi)星異常而導(dǎo)致導(dǎo)航服務(wù)出現(xiàn)中斷的情況；由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號的功率較低，電磁空間中的各類干擾、欺騙都有可能使得導(dǎo)航信號出現(xiàn)異常，從而對電力、通信、軍事、金融等核心用戶群的導(dǎo)航定位授時應(yīng)用造成難以估量的影響；同時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運行完全依賴于地面段的運控管理，當?shù)孛娑问艿接绊憰r，整個系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)癱瘓。

因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號固有的脆弱性將使得依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的各類軍用裝備平臺和系統(tǒng)難以獲得有效的PNT信息支撐，從而無法實現(xiàn)預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)。因此，為了確保PNT體系的安全性、可靠性和健壯性，不能僅僅將當前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為唯一的PNT信息來源，而應(yīng)在強化衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健壯性的基礎(chǔ)上，發(fā)展多種相互銜接、有效互補的多種導(dǎo)航定位授時技術(shù)手段，形成具有足夠彈性的PNT體系。

鑒于上述原因，目前國外關(guān)于彈性PNT體系建設(shè)的相關(guān)工作已經(jīng)起步。其中美國對此進行了較為完備的研究工作，2020年4月8日，美國國土安全部發(fā)布了一份名為《GPS的PNT備份和補充能力》的報告。該報告聚焦美國的PNT需求、確定備份或補充能力缺口，并提出增強基礎(chǔ)設(shè)施彈性、應(yīng)對GPS服務(wù)中斷的系列建議。該報告明確指出：PNT服務(wù)中斷將帶來巨大的經(jīng)濟損失、時間延誤和功能失效等后果，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施定位導(dǎo)航需求多樣化，單一系統(tǒng)包括GPS不可能滿足所有用戶需求。

為此，該報告明確指出：聯(lián)邦政府應(yīng)鼓勵采用多源PNT服務(wù)，鼓勵關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所有者和運營商采用多樣化的PNT系統(tǒng)，以分散目前集中在GPS等廣域PNT服務(wù)中的風險，PNT系統(tǒng)、資產(chǎn)和服務(wù)必須具備先天的安全性和彈性特征.使用PNT服務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)必須能夠抗干擾運行，并且能夠識別和響應(yīng)異常的PNT輸入。

在此基礎(chǔ)上，美國提出建設(shè)國家PNT體系，以其GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化為依托，以自主導(dǎo)航和各種可用導(dǎo)航信息源為補充，重點滿足更高精度和完好性需求，增強物理遮蔽、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境下安全、可靠、實時的PNT能力。在國家安全空間辦公室（NSSO）主導(dǎo)下，美國國防部與運輸部聯(lián)合發(fā)布《國家PNT體系執(zhí)行計劃》（2010），制定了2025年前國家PNT體系建設(shè)路線圖，并對國防部相關(guān)下屬機構(gòu)及運輸部、商務(wù)部和內(nèi)政部等共31個聯(lián)邦機構(gòu)進行了任務(wù)分工。

嚴格來說，彈性PNT體系目前在國際上尚無完整權(quán)威的定義。從其應(yīng)用前景來看，彈性PNT體系旨在綜合利用目前可用的多種導(dǎo)航、定位和授時基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)手段，在綜合集成的基礎(chǔ)上，形成相對于單一導(dǎo)航手段（如衛(wèi)星導(dǎo)航）更加可靠、安全、健壯的導(dǎo)航、定位和授時體系。從目前情況來看，國際上關(guān)于發(fā)展彈性PNT體系的主要進展包括：

一是逐步采用新技術(shù)體制，不斷提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身可靠性和安全性。

主要包括：

1、升級現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施。以GPS現(xiàn)代化為主要代表。

從目前美國已經(jīng)啟動的GPS現(xiàn)代化升級進程來看，其主要手段包括：

1）空間段升級，鑒于很多GPS衛(wèi)星是上世紀發(fā)射，已經(jīng)達到或接近了服役年限，為了更新導(dǎo)航衛(wèi)星，承載更加強大的導(dǎo)航信號與服務(wù)，美軍積極開展相關(guān)導(dǎo)航衛(wèi)星的退役和增補工作。自2005年至今，美軍先后完成了20余次發(fā)射任務(wù)，成功將8顆BlockIIR(M)衛(wèi)星和12顆BlockIIF衛(wèi)星送入軌道，完成了現(xiàn)代化計劃中的第一和第二步，這些衛(wèi)星在原有的下行信號基礎(chǔ)上增發(fā)了軍用碼、第二民用信號（L2C信號）和第三民用信號（L5信號），從而進一步提高了導(dǎo)航信號服務(wù)質(zhì)量。除此之外，美軍正在全力研制生產(chǎn)下一代也就是第三代GPS衛(wèi)星—GPSIII。

作為新一代導(dǎo)航衛(wèi)星，GPSⅢ計劃制造36顆，包括A、B、C三種類型。其中，GPSⅢA衛(wèi)星12顆，GPSⅢB衛(wèi)星8顆，GPSⅢC衛(wèi)星16顆。GPSⅢA 衛(wèi)星:的主要任務(wù)是提高定位精度，擴大信號覆蓋范圍，該類衛(wèi)星搭載播發(fā)在L1頻點的第四民用信號（L1C信號），以實現(xiàn)與未來其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作；GPSⅢB衛(wèi)星的主要任務(wù)是增加星間鏈路載荷，衛(wèi)星安裝四個反射面天線，可以實現(xiàn)衛(wèi)星注入電文和測控數(shù)據(jù)的星間傳遞，從而確保在地面測控和注入部分失效情況下的星座自主運行能力，提高系統(tǒng)抗毀生存能力；GPSⅢC 衛(wèi)星的主要任務(wù)是提升軍用碼的能力，該類衛(wèi)星計劃裝備大功率、點波束發(fā)射系統(tǒng)，可以將局部地區(qū)軍用碼功率提升100倍，實現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)的點波束增強應(yīng)用，從而提升GPS對于重點戰(zhàn)區(qū)的服務(wù)可用性。

2）地面運控段升級，目前美國空軍正在加快新一代GPS地面系統(tǒng)即GPSOCX的開發(fā)和部署工作。新一代GPSOCX是具備更高性能的實時運行系統(tǒng)，能夠為軍事、商業(yè)和民用用戶提供安全、精確、可靠的導(dǎo)航和授時信息。OCX控制段將增加系統(tǒng)容量，支持新型GPSIII衛(wèi)星。與上一代地面運行控制系統(tǒng)相比，新一代的GPSOCX計劃提供了巨大的性能升級，大大提高整個系統(tǒng)的性能和效率，主要包括：

正在建造中的GPSIII衛(wèi)星

此外，新一代的OCX將更加強調(diào)信息安全能力，據(jù)報道，由美國雷神公司負責研制的下一代GPSOCX已經(jīng)于2018年11月完成了嚴格的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞評估，測試了系統(tǒng)抵御內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)威脅的能力，該系統(tǒng)100%實施國防部8500.2“深度防御”信息保障標準，建立了分層防御，將所有信息保障要求均納入了該系統(tǒng)，在所有測試中，該系統(tǒng)都成功阻止了對導(dǎo)航和定時數(shù)據(jù)的惡意攻擊和篡改。

2、不斷提高多衛(wèi)星導(dǎo)航兼容互操作，提升導(dǎo)航定位的魯棒性。

當前，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷增多，可用的衛(wèi)星導(dǎo)航信息來源越來越廣，因此，各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過加強兼容互操作,可有效改善觀測定位幾何分布,提高全球任何地區(qū)的定位精度,提升全球?qū)Ш椒?wù)可用性，在單一系統(tǒng)因為自身原因?qū)е路?wù)性能下降的同時，多系統(tǒng)可以進行有效互補，使得用戶的導(dǎo)航定位服務(wù)質(zhì)量性能得到基本保證。

多系統(tǒng)之間的兼容互操作必須以信號體質(zhì)兼容為基礎(chǔ)，目前,我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)初步實現(xiàn)與GPS的兼容互操作,與俄羅斯GLONASS的兼容,正在與美協(xié)調(diào)北斗B２a信號和GPSL５信號 的 互 操 作。美國新一代GPS衛(wèi)星能夠廣播L1C信號,俄羅斯也計劃在新一代GLONASS衛(wèi)星上增加L1OC、L2OC 等多種信號，增強與其他系統(tǒng)的兼容互操作能力。

二是積極發(fā)展不依賴GPS的多種導(dǎo)航技術(shù)，確保GPS失效條件下關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的導(dǎo)航定位可用性。

2020年2月12日，美國總統(tǒng)特朗普簽署了名為《通過負責任地使用PNT服務(wù)增加國家彈性》的總統(tǒng)行政令，旨在確保美國PNT服務(wù)無法使用時，基礎(chǔ)設(shè)施仍能正常運轉(zhuǎn)。該行政命令開宗明義的指出，當前美國極度依賴GPS提供位置和時間信息的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域有14個。為此，聯(lián)邦政府必須積極開展不依賴于GPS的導(dǎo)航定位授時技術(shù)研究，必須鼓勵關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所有者和運營商負責任地使用PNT服務(wù)，鼓勵在GPS之外擴展PNT基礎(chǔ)設(shè)施。

2020年8月，美政府申請了4億美元的預(yù)算用于重新部署增強型羅蘭系統(tǒng)（eLoran），作為GPS備份，是對GPS之外PNT基礎(chǔ)設(shè)施的一種擴展方案。其基本思路是：一方面發(fā)展不依賴于GPS的技術(shù)和應(yīng)用，另一方面部署以eLoran為代表的備份式導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)最早起源于美國海軍建設(shè)的羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)，由于采用了高功率的低頻信號，使得其對有地形和建筑物遮擋具有較好的穿透能力，eLoran是在此基礎(chǔ)上，對其地面基站等組成部分的進一步擴展，由于其使用高功率、低頻無線電信號，使得其信號基本不可能被阻斷，可用性據(jù)稱可以到達99.999%以上，能夠滿足多數(shù)生命安全攸關(guān)服務(wù)的使用要求。

增強型羅蘭系統(tǒng)框架

與此同時，DARPA等美國預(yù)研單位正積極布局不依賴于GPS的多種前沿探索項目，其主要內(nèi)容包括原子、光學(xué)、慣性、電磁定位等多個領(lǐng)域?qū)ふ夷軌蛟谝欢l件下取代GPS的多種技術(shù)手段。需要說明的是，目前DARPA開展的許多相關(guān)研究還處于初步階段，距離工程化應(yīng)用尚有一定距離，此外，其它導(dǎo)航技術(shù)的精度、覆蓋性、全天候等方面的性能對比GPS還有一定差距。

三是積極開展多種研究，應(yīng)對導(dǎo)航戰(zhàn)帶來的挑戰(zhàn)

1997年，美軍正式提出“導(dǎo)航戰(zhàn)”概念，并將其定義為：阻止敵方使用衛(wèi)星導(dǎo)航信息，保證己方和盟友部隊可以有效地利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息，同時不影響戰(zhàn)區(qū)以外區(qū)域和平利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息。作為導(dǎo)航戰(zhàn)的主要攻擊目標，GPS和其它全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在積極研究多種防御對抗手段，確保自身在未來的導(dǎo)航戰(zhàn)條件下的安全、可靠運行。主要包括：進一步優(yōu)化系統(tǒng)的信號體制設(shè)計，針對軍事用戶的實際需要，提升信號的防篡改、防破譯和防干擾能力；進一步提升各類導(dǎo)航終端的抗干擾能力，采用自適應(yīng)干擾抑制、射頻檢測、組合導(dǎo)航等多種技術(shù)，確保各類終端及時發(fā)現(xiàn)并上報潛在的惡意干擾。當前，主要的GPS抗干擾手段和技術(shù)包括：

另外,軍用M碼接收機也正在研制中，由于采用了先進的加密信號設(shè)計,使得M碼接收機不用先捕獲C/A碼,就可直接獲取M碼。這一點對利用GPS制導(dǎo)的快速反應(yīng)武器尤為重要。此外，先進的數(shù)字波束成形技術(shù)也使得其具有更強的抗干擾能力。2018年。羅克韋爾·柯林斯公司被美國空軍生命周期管理中心（USAFAFLC?）選中，以提供其最新一代數(shù)字式GPS抗干擾接收機（DIGAR）。據(jù)該公司稱，憑借無與倫比的GPS威脅防護等級，DIGAR將為美國空軍國民警衛(wèi)隊和美國空軍后備F-16戰(zhàn)機提供高度可靠的導(dǎo)航，這些飛機在復(fù)雜電磁環(huán)境中提供可靠的GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)。此外，2019年，美國陸軍也選擇該公司以DIGAR為基礎(chǔ)，為美國陸軍的有人地面車輛提供下一代車上可靠的定位、導(dǎo)航和授時分機。

四是繼續(xù)加強原有陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)

由于陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)時間早，發(fā)展經(jīng)驗足，關(guān)鍵設(shè)施的保護條件相對較好，因此有望成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有益補充。為此，近年來在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)快速發(fā)展的同時，美國等國家始終沒有放棄傳統(tǒng)的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和維護。在美國2015年發(fā)布的《國家PNT彈性與安全法案》(H.R.1678)提出建立陸基PNT備份系統(tǒng)，作為GPS系統(tǒng)的必要補充,確保在GPS信號受到破壞、衰減、不可靠或不可用時，軍民用戶仍然可以獲得安全可用的PNT信息，維護國家安全和利益。除美國外，俄羅斯等國也非常重視陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)。2019年10月，俄羅斯聯(lián)合獨聯(lián)體成員國代表在莫斯科發(fā)布《2019-2024年獨聯(lián)體無線電導(dǎo)航發(fā)展計劃》，重點關(guān)注無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的主要需求、現(xiàn)有各類無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的主要特點、未來發(fā)展方向、技術(shù)發(fā)展以及提升系統(tǒng)性能的主要途徑等問題。

目前，主要的陸基無線電導(dǎo)航手段包括：

（1）偽衛(wèi)星技術(shù)。由于GPS信號可能被友方或敵方的電磁信號或天然障礙降級或拒止,美國陸軍希望通過使用地面或近地面無線電發(fā)射機廣播類GPS信號，以此建立偽衛(wèi)星系統(tǒng)，以支持和增強GPS信號,提高態(tài)勢感知能力,從而提高任務(wù)指揮效率和效果。在GPS信號中度降級環(huán)境下,偽衛(wèi)星系統(tǒng)有助于獲取GPS衛(wèi)星信號;在嚴重降級環(huán)境下,偽衛(wèi)星系統(tǒng)可用作定位和授時源。在GPS可用時,偽衛(wèi)星系統(tǒng)依靠GPS信號將獲得更為精準的位置、速度和時間信息。在GPS信息不可用時，偽衛(wèi)星系統(tǒng)采用自身組成新的定位幾何，對服務(wù)范圍內(nèi)的用戶提供相關(guān)基于偽衛(wèi)星的導(dǎo)航定位授時信號。

（2）歐米伽導(dǎo)航系統(tǒng)。歐米伽系統(tǒng)是遠程雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，上世紀70年底開始投入運營，是第一個完整意義的全球?qū)Ш椒?wù)系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)具有服務(wù)覆蓋范圍大，具備一定水下導(dǎo)航能力等特點，但由于其定位精度相比于GPS精度低、定位體制復(fù)雜，一度曾經(jīng)關(guān)閉。

（3）羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)。二次世界大戰(zhàn)時期，出于軍事需要，美國海軍需要導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋范圍比以往任意一個時期都要廣，羅蘭導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運而生，其工作頻率為1.75～1.95MHz，設(shè)計有效作用距離為1120～2240km，定位精度為800～1600米。由于羅蘭系統(tǒng)采用了當時較為先進的脈沖體制，具有相對較高的定位精度。2010年，美國政府一度停止了羅蘭系統(tǒng)的運行和維護，2013年，在美國海岸警衛(wèi)隊的努力下，美國重啟了羅蘭系統(tǒng)的運行，并在原有臺站的基礎(chǔ)上安裝增強型的羅蘭站點，形成前文提及的增強型羅蘭系統(tǒng)。增強型的羅蘭系統(tǒng)將時間系統(tǒng)完全同步至UTC時間，此外定位精度有了顯著的提升，定位誤差縮減至20米以內(nèi)，能夠滿足部分海上高精度導(dǎo)航定位的要求。

彈性PNT體系是建立更加安全、可靠的導(dǎo)航服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵性手段，從目前的發(fā)展情況來看，尋找多源GPS替代手段，發(fā)展多種新型導(dǎo)航技術(shù)，促進各類導(dǎo)航技術(shù)的綜合集成是建設(shè)彈性PNT體系的關(guān)鍵，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成和應(yīng)用，新的PNT體系的建設(shè)步伐將持續(xù)加快。