張風(fēng)國(guó),張紅波

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

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美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)研究方法

張風(fēng)國(guó),張紅波

(中國(guó)電波傳播研究所,青島 266107)

摘要：在深入研究《美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究報(bào)告》和《美國(guó)聯(lián)邦無(wú)線電轉(zhuǎn)型計(jì)劃》的基礎(chǔ)上,本文分析概括了美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的研究方法,包括體系結(jié)構(gòu)研究范圍、愿景和策略的確定,數(shù)據(jù)收集方法和內(nèi)容、權(quán)衡空間的建立方法、典型和混合PNT體系結(jié)構(gòu)的研究和評(píng)估,在此基礎(chǔ)上,提出了目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu),可為我國(guó)的國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究和建設(shè)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：PNT；體系結(jié)構(gòu)；導(dǎo)航；定位；授時(shí)

0引言

體系結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)的組成及其相互關(guān)系,以及指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)展的原則和指南。國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)是指能夠提供滿足各類用戶對(duì)定位、導(dǎo)航和時(shí)頻信息需求的國(guó)家層面的體系結(jié)構(gòu)。 它是國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施,在軍事、科技、經(jīng)濟(jì)及人們?nèi)粘Ｉ钪?發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

美國(guó)國(guó)家定位導(dǎo)航與授時(shí)(簡(jiǎn)稱PNT)體系研究項(xiàng)目,是由負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)與信息集成的國(guó)防副部長(zhǎng)、負(fù)責(zé)政策制定的運(yùn)輸部部長(zhǎng)及國(guó)家天基PNT執(zhí)行委員會(huì)共同指導(dǎo)實(shí)施的。聯(lián)邦政府組建體系結(jié)構(gòu)研究小組(ADT),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、技術(shù)分析預(yù)測(cè)、評(píng)估和提出建議。遠(yuǎn)景目標(biāo)是:提高PNT能力,消除PNT能力需求和當(dāng)前PNT體系能力之間的差距,確保各種應(yīng)用環(huán)境下PNT信息的可用性,維護(hù)美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

1研究背景

回顧GNSS發(fā)展史,當(dāng)初美國(guó)和蘇聯(lián)出于冷戰(zhàn)對(duì)抗的需求,各自從軍用的角度建設(shè)了GPS和GLONASS系統(tǒng),但星座布控、信號(hào)體制和地面測(cè)控方面存在明顯區(qū)別,未考慮多GNSS系統(tǒng)的兼容與互操作等問(wèn)題。從北斗二號(hào)系統(tǒng)、伽利略系統(tǒng)和GPSIII等系統(tǒng)開(kāi)始,進(jìn)入第二代全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)階段,該階段注重PNT系統(tǒng)體系研究,以實(shí)現(xiàn)全球可用的全空間(天空地水)無(wú)縫隙PNT能力。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,其易受干擾和遮擋等脆弱性問(wèn)題逐漸顯現(xiàn),難以滿足軍民各類用戶的需求[1],為此,各類針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助和增強(qiáng)系統(tǒng)或者區(qū)域替代系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),各自發(fā)展。此外,大量的獨(dú)立于GNSS的PNT新技術(shù)層出不窮。這些PNT系統(tǒng)大多是針對(duì)特定的用戶或者某個(gè)專門(mén)的領(lǐng)域而開(kāi)發(fā)研制的。數(shù)量龐大且種類繁多的PNT技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì),造成了研究工作的重復(fù)、PNT資源的浪費(fèi)以及各種PNT系統(tǒng)和裝備之間無(wú)法兼容等問(wèn)題,且仍然存在某些用戶的PNT信息需求無(wú)法得到滿足的情況。為此,美國(guó)國(guó)防部和運(yùn)輸部于2006年聯(lián)合發(fā)起了一項(xiàng)“國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)研究”項(xiàng)目,目的是“制定一個(gè)全面的國(guó)家PNT系統(tǒng)體系,到2025年左右為美國(guó)提供更加有效和高效的PNT能力,并為政府提供的各種系統(tǒng)和服務(wù)探索一條漸進(jìn)的發(fā)展道路”,作為未來(lái)PNT能力發(fā)展及相關(guān)支持設(shè)施的發(fā)展框架。

體系結(jié)構(gòu)框架是體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)應(yīng)遵從的規(guī)范,規(guī)范化的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是需求和技術(shù)推動(dòng)的共同結(jié)果。從C4ISR(指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)、情報(bào)、監(jiān)視和偵察)開(kāi)始,美國(guó)國(guó)防部重視體系結(jié)構(gòu)技術(shù)研究,于1996年和1997年發(fā)布了《C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架》1.0和2.0版本,推出后迅速成為美軍C4ISR系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)制性指導(dǎo)文件。在此基礎(chǔ)上,美國(guó)國(guó)防部擴(kuò)大其涵蓋范圍,先后推出了《國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架DODAF》1.0版本、1.5版本和2.0版本,成為指導(dǎo)國(guó)防部所有系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性文件,使軍隊(duì)的C4ISR系統(tǒng)、武器系統(tǒng)、乃至國(guó)防部業(yè)務(wù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)走上了統(tǒng)一、規(guī)范的發(fā)展道路,實(shí)現(xiàn)有序的資源共享,可更廣泛地為決策者和管理者提供參考和支持,提高關(guān)鍵決策能力。

2美國(guó)PNT體系概述

2.1范圍

從范圍上講,美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)是國(guó)家層面的,包括國(guó)防部、情報(bào)部門(mén)以及支持美國(guó)全球利益的民用、商用和國(guó)際用戶以及相關(guān)PNT系統(tǒng)。具體包括,陸基和天基PNT信息提供者、自主PNT數(shù)據(jù)源、可作為PNT數(shù)據(jù)源的通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、陸基和天基用戶、研發(fā)部門(mén),以及提供或組織協(xié)調(diào)PNT數(shù)據(jù)源的美國(guó)政府機(jī)構(gòu)[2]，如圖1所示。

圖1　美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)范圍

2.2過(guò)程

根據(jù)國(guó)家PNT體系現(xiàn)狀和未來(lái)PNT需求目標(biāo),國(guó)防部多個(gè)部門(mén)和民間機(jī)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)小組(ADT)最終確立了三種PNT體系結(jié)構(gòu),即當(dāng)前PNT體系結(jié)構(gòu)(As-Is)、演化PNT體系結(jié)構(gòu)(EBL)和目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)(Should-Be)。

當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)包含了當(dāng)前的各種PNT能力組合。演變基線體系結(jié)構(gòu)是根據(jù)當(dāng)前的規(guī)劃和預(yù)期的支撐技術(shù)可以達(dá)到的未來(lái)PNT能力。ADT認(rèn)為,演化體系結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足未來(lái)所有的定位導(dǎo)航授時(shí)能力需求。ADT構(gòu)建的目標(biāo)體系結(jié)構(gòu),描述了可滿足未來(lái)PNT能力需求的長(zhǎng)期愿景,可以消除出現(xiàn)的能力缺項(xiàng)，如圖2所示。

圖2　當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)、演化體系結(jié)構(gòu)和目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

2.3愿景

美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的愿景是,通過(guò)開(kāi)發(fā)和部署在全球可用的、有效的PNT能力,保持美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。為此,美國(guó)應(yīng)該采取如下措施:

1) 制定穩(wěn)定的政策并嚴(yán)格遵守,贏得國(guó)內(nèi)國(guó)際雙重信任,使商業(yè)部門(mén)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)PNT領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步;

2) 促進(jìn)不同機(jī)構(gòu)在PNT領(lǐng)域方面的合作,以協(xié)調(diào)的方式提供定位導(dǎo)航授時(shí)能力,實(shí)現(xiàn)信息共享,與國(guó)家目標(biāo)保持一致;

3 )充分合理利用軍用、民用、商用以及國(guó)外系統(tǒng)和技術(shù),集成更多可用信號(hào),形成可靠的最佳定位導(dǎo)航授時(shí)方案;

4) 制定科學(xué)合理全面的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)鼓勵(lì)其他國(guó)家采用或遵守美國(guó)的定位導(dǎo)航授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4策略和要素

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)通過(guò)"最大公用數(shù)"策略實(shí)現(xiàn)PNT體系結(jié)構(gòu)愿景,提供能有效滿足大部分用戶需求的標(biāo)準(zhǔn)方案，如圖3所示。該策略可以促進(jìn)美國(guó)GPS現(xiàn)代化,為全球無(wú)數(shù)用戶提供更多的PNT服務(wù)。該策略還把體系結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)放在廣泛采用低負(fù)荷(尺寸、重量、功率和成本等)的自主特征上,以克服自然干擾和電磁干擾。此外,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)解決方案失效時(shí),該策略可提供專用的解決方案。最后,美國(guó)必須在國(guó)家安全與提供更多共用能力之間制定平衡策略。

圖3　PNT體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)原則

用于支撐國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)愿景和策略得以實(shí)現(xiàn)的四個(gè)要素包括多模集成方案、可互換方案、PNT與通信的融合、合作型組織結(jié)構(gòu)。針對(duì)“最大公用數(shù)”策略和四個(gè)要素,ADT提出了19條實(shí)施建議。

3美國(guó)PNT構(gòu)建方法

美國(guó)PNT體系結(jié)構(gòu)研究遵循從美國(guó)國(guó)家空間安全辦公室(NSSO)的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)方法衍生出的方法,如圖4所示。此方法是利用從系統(tǒng)工程基本功能提煉的信息來(lái)構(gòu)建體系結(jié)構(gòu),具體過(guò)程和內(nèi)容包括:數(shù)據(jù)收集、概念設(shè)計(jì)、分析和評(píng)估等,同時(shí)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覅⑴c整個(gè)過(guò)程以給出解決體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題的方案。

圖4　累積式的PNT體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)過(guò)程

在數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)上,國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法分四步進(jìn)行:

1) 識(shí)別和提取PNT分類標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡空間;

2) 典型PNT體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估,分析權(quán)衡空間的不同區(qū)域;

3) 混合PNT體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估,包含整個(gè)PNT領(lǐng)域的技術(shù)、系統(tǒng)及用戶,為構(gòu)建“目標(biāo)”P(pán)NT體系結(jié)構(gòu)獲取更多知識(shí);

4) 最終形成美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)以及支撐建議。

在體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,權(quán)衡空間、典型PNT體系結(jié)構(gòu)和混合PNT體系結(jié)構(gòu)的分析和評(píng)估是經(jīng)過(guò)反復(fù)討論而確定的。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合應(yīng)用需求,不斷分析評(píng)估和完善,螺旋迭代式上升,最終形成“目標(biāo)”體系結(jié)構(gòu)的策略和相關(guān)建議。

3.1數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集的目的是在開(kāi)始體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)之前,正確評(píng)估PNT體系的功能需求、預(yù)期目標(biāo)和PNT體系核心基石。ADT吸納了軍用、民用、商用和國(guó)家安全等各領(lǐng)域?qū)＜?收集PNT體系結(jié)構(gòu)需求、功能、可用技術(shù)等方面的信息。

數(shù)據(jù)收集工作是收集與“目標(biāo)”體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建任務(wù)有關(guān)的信息。目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)是面向未來(lái)的PNT體系,因此,ADT需要分析未來(lái)美國(guó)國(guó)家安全環(huán)境,并預(yù)測(cè)該環(huán)境下的PNT服務(wù)威脅和用戶需求。為此,ADT劃分四個(gè)小組,分別承擔(dān)了未來(lái)環(huán)境、用戶需求、風(fēng)險(xiǎn)管理、能力缺項(xiàng)、技術(shù)評(píng)估、演化基準(zhǔn)、成本信息、企業(yè)信息等數(shù)據(jù)收集任務(wù)。

1) 未來(lái)環(huán)境預(yù)測(cè)

ADT廣泛收集、評(píng)估和分析了涉及未來(lái)環(huán)境的相關(guān)文檔,包括:PNT服務(wù)愿景、DoD轉(zhuǎn)型文檔等。ADT預(yù)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)包括:PNT能力將更深入地集成到國(guó)防、情報(bào)及民事應(yīng)用系統(tǒng)中;PNT解決方案需要提供惡劣使用環(huán)境下的PNT能力;RF電磁頻譜環(huán)境將日益惡化,需要大力發(fā)展自主PNT能力;全球人口數(shù)量、密度、財(cái)富等因素會(huì)極大地促進(jìn)PNT體系的應(yīng)用發(fā)展。此外,相關(guān)的制約因素還涉及地緣政治、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科學(xué)技術(shù)等方面。

2) 用戶需求分析

ADT小組收集整個(gè)PNT領(lǐng)域用戶的當(dāng)前需求以及可能的未來(lái)需求。顯然,許多用戶擁有相同的需求,同時(shí)大量用戶具有特殊的需求。然而,同時(shí)滿足所有用戶在任何環(huán)境下的全部需求將是極端困難和昂貴的。圖5所示是不同空間和不同領(lǐng)域的PNT用戶數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5　PNT體系用戶數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3) 風(fēng)險(xiǎn)管理

PNT體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)工作包含風(fēng)險(xiǎn)管理過(guò)程,盡量避免潛在不可接受的風(fēng)險(xiǎn),在處理風(fēng)險(xiǎn)時(shí)采用預(yù)定響應(yīng)措施。在RA開(kāi)發(fā)過(guò)程中,ADT識(shí)別出潛在風(fēng)險(xiǎn)并對(duì)其開(kāi)展初步分析,然后為每一個(gè)混合體系結(jié)構(gòu)編制一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)概率表。在設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)過(guò)程中剔除風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高的概念和措施,將分析識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸類,以便在后續(xù)工作中考慮如何進(jìn)一步減緩該風(fēng)險(xiǎn),制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

最終ADT小組確認(rèn)的性能風(fēng)險(xiǎn)包括星圖和參考框架更新、MEMS IMU(INS)研發(fā)、CSAC研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)信息安全、PNT中通信網(wǎng)絡(luò)的使用、網(wǎng)絡(luò)集成和互操作、多傳感器融合、信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)系統(tǒng)輔助的GNSS性能、GPSIII性能水平、非美國(guó)的GNSS性能和可靠性;計(jì)劃風(fēng)險(xiǎn)包括美國(guó)政府領(lǐng)導(dǎo)和組織結(jié)構(gòu)、信標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)(CELL)可用性和集成、網(wǎng)絡(luò)信息安全、UE集成、從研發(fā)到產(chǎn)品和市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化能力;接受能力風(fēng)險(xiǎn)包括:美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)地位、國(guó)家接納程度和協(xié)作政策。

4) 演化基準(zhǔn)組成要素(如表1所示)

5) 能力缺項(xiàng)

ADT總結(jié)出的幾個(gè)主要的能力缺項(xiàng)如下:

物理障礙環(huán)境(包括市區(qū)、山區(qū)、森林、地下、水下等)中的實(shí)時(shí)PNT能力;

電磁拒絕環(huán)境(包括人為干擾和自然干擾等)中的實(shí)時(shí)PNT能力;

具有完好性的高精度PNT能力;

當(dāng)PNT性能降低或者失效時(shí),及時(shí)的信息通知能力;

高高度/深空的實(shí)時(shí)定位和定姿能力;

用戶及時(shí)獲取導(dǎo)航所需的地理空間信息能力。

ADT的技術(shù)評(píng)估小組調(diào)研了潛在的新技術(shù),主要考慮技術(shù)成熟度在三級(jí)以上的新技術(shù)。ADT調(diào)研的新技術(shù)中,大部分集中于實(shí)現(xiàn)高精度定位、定姿、授時(shí)和頻率控制能力的自主PNT方案。因?yàn)楫?dāng)前PNT體系結(jié)構(gòu)主要是基于RF信號(hào)實(shí)現(xiàn)的,而GNSS的多數(shù)能力差距和缺陷是由于環(huán)境的信號(hào)衰減或系統(tǒng)所采用的頻率上的多路徑效應(yīng)造成的。

表1　演化基準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)組成要素

6) 成本和企業(yè)信息

成本信息收集工作的目標(biāo)是建立一個(gè)財(cái)務(wù)信息架構(gòu),因此,成本數(shù)據(jù)是ADT理解和掌握潛在成本和成本驅(qū)動(dòng)所必需的信息。

商業(yè)與企業(yè)被視為創(chuàng)新領(lǐng)域的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力,遠(yuǎn)大于政府所起的作用。企業(yè)信息主要給出了企業(yè)對(duì)PNT領(lǐng)域的觀點(diǎn)。

3.2建立權(quán)衡空間

在綜合考慮了PNT系統(tǒng)的各種因素(體積、功耗、成本、位置、范圍、自主性、信息更新速率等)的基礎(chǔ)上,ADT概括提取了三個(gè)權(quán)衡軸,用于劃分各種PNT技術(shù)與系統(tǒng)并描述它們之間的差異;提出了一個(gè)體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡空間,如圖6所示。在權(quán)衡空間內(nèi)探究全部潛在PNT解決方案,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。此外,ADT開(kāi)發(fā)了50個(gè)PNT概念以支撐整個(gè)權(quán)衡空間。這些PNT概念與權(quán)衡空間的不同區(qū)域相關(guān)聯(lián),作為典型體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)支撐信息。

圖6　體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡空間

為了分析評(píng)估不同的典型PNT體系結(jié)構(gòu),ADT提出了反映PNT體系結(jié)構(gòu)特性的能力評(píng)估準(zhǔn)則,包括互操作性、一致性、適應(yīng)性、健壯性和可持續(xù)性,并將每種特性劃分為五個(gè)等級(jí),便于采用專家打分制進(jìn)行評(píng)估。

互操作性被定義為系統(tǒng)、單元或者組織向其它系統(tǒng)、單元或組織提供服務(wù)或者接受來(lái)自其它系統(tǒng)單元或者組織服務(wù)的能力;一致性的定義是以前后一致的方式提供信息和數(shù)據(jù)的能力,這種方式在整個(gè)大區(qū)域/國(guó)家/世界范圍內(nèi)對(duì)用戶是透明的;適應(yīng)性是指為了適應(yīng)外部調(diào)整而不必修改底層體系結(jié)構(gòu)的能力,這些變化主要包括任務(wù)、費(fèi)用、需求、能力、政策、敵對(duì)活動(dòng)、技術(shù)、威脅和世界環(huán)境的改變;健壯性是指PNT體系可在任何時(shí)間任何條件下提供連續(xù)的PNT服務(wù)的能力;可持續(xù)性是指維持系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)行的能力。

3.3開(kāi)發(fā)和評(píng)估典型體系結(jié)構(gòu)

為了理解和分析某一類型PNT技術(shù)或系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)以及對(duì)體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡空間不同區(qū)域的貢獻(xiàn)或作用,ADT開(kāi)發(fā)和評(píng)估了六個(gè)典型PNT體系結(jié)構(gòu)(RA),每一個(gè)RA集中于權(quán)衡空間的一個(gè)特定區(qū)域,描述分析該權(quán)衡區(qū)域的PNT解決方案。

ADT開(kāi)發(fā)和評(píng)估RA的主要目的是進(jìn)行深入研究,發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)和確定關(guān)鍵特性,以便開(kāi)發(fā)合理折中的混合結(jié)構(gòu)。ADT考慮了每一個(gè)RA滿足用戶需求而應(yīng)具備的條件,特別是已概括的PNT能力缺項(xiàng)。

ADT對(duì)各典型體系結(jié)構(gòu)解決PNT能力缺項(xiàng)的能力以及互操作、適應(yīng)性、魯棒性和持續(xù)性等特征指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。RA評(píng)估結(jié)果分五個(gè)等級(jí),并通過(guò)打分制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4開(kāi)發(fā)和評(píng)估混合體系結(jié)構(gòu)

在充分考慮PNT的核心要素的基礎(chǔ)上,ADT開(kāi)發(fā)了三種混合體系結(jié)構(gòu)。與RA不同,混合結(jié)構(gòu)并不人為的限制在權(quán)衡空間的某部分內(nèi),相反,每一個(gè)混合架構(gòu)合理而廣泛地集成了跨越整個(gè)權(quán)衡空間的概念和技術(shù)。它注重高效的滿足用戶需求以及克服PNT能力缺項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)?；旌象w系結(jié)構(gòu)是通過(guò)集成涵蓋不同類型的PNT系統(tǒng)概念和技術(shù)來(lái)滿足用戶未來(lái)PNT需求。

混合架構(gòu)的組成要素都是從RA分析和評(píng)估結(jié)論中得出的架構(gòu)“組件”集合中提取的。除演化基準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)之外,三個(gè)混合體系結(jié)構(gòu)如下:

1) 最大公用數(shù)體系結(jié)構(gòu),重點(diǎn)考慮采用具有依賴性的大范圍的播發(fā)式服務(wù),旨在保證PNT用戶端的低負(fù)擔(dān)條件下實(shí)現(xiàn)更多公用能力。

2) 以網(wǎng)絡(luò)為中心的最大公用數(shù)PNT體系結(jié)構(gòu),重點(diǎn)在于利用各種類型的通信網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)PNT體系各要素之間的協(xié)作和融合,以提高PNT能力。

3) 可接受的最小公用數(shù)PNT體系結(jié)構(gòu),其核心思想是通過(guò)增加PNT用戶端負(fù)擔(dān),為用戶提供定制化的多種自主導(dǎo)航方式的集成方案。

充分考慮了評(píng)估組對(duì)混合結(jié)構(gòu)的14 000條評(píng)估意見(jiàn),借鑒了專家組對(duì)各種場(chǎng)景和應(yīng)用案例的打分情況,ADT從中提煉了初步結(jié)論和建議,為構(gòu)建目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

4未來(lái)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)通過(guò)“最大公用數(shù)”策略來(lái)實(shí)現(xiàn)美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的主導(dǎo)地位,即通過(guò)提供外部公共方案有效滿足大多數(shù)用戶的核心需求。該策略還把體系結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)放在廣泛采用低負(fù)荷(尺寸、重量、功率和成本等)的自主特征上,克服自然干擾和電磁干擾。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)解決方案失效時(shí),該策略可提供專用解決方案。此外,美國(guó)必須繼續(xù)平衡國(guó)家安全與提供PNT能力之間的關(guān)系。

美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)愿景和策略由四個(gè)體系結(jié)構(gòu)向量支撐,它們一起形成國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的完整指導(dǎo)原則:

1) 多模集成方案——最大程度上使用多模集成方法以確保魯棒的可用性。

2) 可互換方案——尋求可互換方案以增強(qiáng)PNT服務(wù)的有效性并探索PNT源的多樣性。

3) PNT和通信的融合——尋求PNT與新的或現(xiàn)有的通信能力的融合。

4) 合作型組織結(jié)構(gòu)——促進(jìn)機(jī)構(gòu)間的協(xié)作,確保必要的信息共享。

4.1美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)愿景

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的愿景是保持美國(guó)在全球PNT領(lǐng)域的主導(dǎo)地位,這源自美國(guó)國(guó)家空基PNT政策。為滿足政府機(jī)構(gòu)的PNT服務(wù)信息需求,美國(guó)將高效地發(fā)展PNT能力,避免冗余服務(wù);在國(guó)內(nèi)外保持穩(wěn)定的政策,提高可信度,促使商業(yè)部門(mén)能夠通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行創(chuàng)新和提高PNT能力。美國(guó)政府機(jī)構(gòu)將以和諧的方式促進(jìn)PNT體系所涉及的機(jī)構(gòu)間的合作,來(lái)提供PNT服務(wù),實(shí)現(xiàn)信息共享,展現(xiàn)美國(guó)的統(tǒng)一策略。美國(guó)還應(yīng)充分利用軍事、民間、商業(yè)和國(guó)外系統(tǒng)技術(shù),集成更多的可用信號(hào)以獲得有效可靠的PNT解決方案。最后,美國(guó)應(yīng)開(kāi)放式地制定PNT標(biāo)準(zhǔn)并鼓勵(lì)其它國(guó)家與美國(guó)保持一致。

4.2“最大公用數(shù)”策略及支持建議

美國(guó)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)采用"最大公用數(shù)"策略來(lái)實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)愿景。在這種體系結(jié)構(gòu)中,用戶主要依靠外部信號(hào)源的定位導(dǎo)航授時(shí)信息,使"更多"能力滿足更多用戶的相同需求。GPS已經(jīng)實(shí)施了現(xiàn)代化策略,為所有用戶提供多個(gè)頻率的信號(hào),消除了電離層誤差。此外,該體系結(jié)構(gòu)還建議采用低負(fù)載的自主系統(tǒng),提供物理遮蔽環(huán)境和電磁拒絕環(huán)境下的PNT能力。該體系結(jié)構(gòu)允許專用解決方案的繼續(xù)存在,具體建議如下:

1) 將GPS作為國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)的基石。

2) 監(jiān)測(cè)各種PNT信號(hào),確認(rèn)服務(wù)等級(jí),觀測(cè)環(huán)境效應(yīng),探測(cè)異常,識(shí)別干擾信號(hào)并近實(shí)時(shí)分發(fā)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3) 隨著GPS現(xiàn)代化和其它導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,PNT機(jī)構(gòu)應(yīng)轉(zhuǎn)變或者廢止冗余的GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)。

4) 繼續(xù)研究可提供具備高完好性的高精度解決方案,保障生命安全領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

5) 研究一種國(guó)家層面的可保護(hù)軍用PNT優(yōu)勢(shì)的方法。

4.3多模集成方案

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)采用多模集成方案,以確保具備更高的可用性和可靠性,克服自然干擾和電磁干擾問(wèn)題。多模集成是指利用多樣化的物理現(xiàn)象,如多種射頻、慣性傳感器以及多樣化信息源和數(shù)據(jù)傳輸路徑,為用戶提供可互換的解決方案。多模集成方案包括相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn),以及混合利用地基、空基以及天基和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)源等有關(guān)問(wèn)題,相關(guān)建議如下:

6) 鼓勵(lì)合理開(kāi)發(fā)和部署能夠整合多種信息源和傳輸途徑的設(shè)備。

7) 評(píng)估國(guó)外PNT系統(tǒng)用于生命安全領(lǐng)域和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的潛能,適時(shí)制定明確的使用標(biāo)準(zhǔn)和策略。

8) 繼續(xù)執(zhí)行軍用PNT的專用政策,同時(shí)研發(fā)保障其他信號(hào)用于軍事領(lǐng)域的能力。

9) 制定PNT偽衛(wèi)星和信標(biāo)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)不同系統(tǒng)間的可互換能力,避免相互干擾。

10) 研究天基及陸基PNT能力的發(fā)展,支持PNT信息源及信息傳輸方式的多樣性。

11) 確保關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的精密授時(shí)和守時(shí)用戶能夠接收并充分利用多種可用信號(hào)源。

4.4可互換方案

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)應(yīng)靈活地提供及時(shí)、準(zhǔn)確而可靠的PNT方案以滿足用戶需求。它包含組合使用多種數(shù)據(jù)源的能力以及利用備用方案獲取PNT信息的能力。為實(shí)現(xiàn)對(duì)多樣化PNT數(shù)據(jù)源的有效利用,美國(guó)應(yīng)利用占據(jù)的國(guó)際主導(dǎo)地位,建立明確合理的標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)措施如下:

12) 積極參與PNT相關(guān)的國(guó)際活動(dòng),促進(jìn)多種PNT信號(hào)源之間的互換能力和兼容性。

13) 研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)技術(shù)和參考框架,支持對(duì)未來(lái)的精度和完好性需求。

14) 制定能夠滿足用戶對(duì)PNT信息進(jìn)行交換、保障和保護(hù)等需求的通用標(biāo)準(zhǔn)。

15) 制定滿足用戶描述局部和區(qū)域應(yīng)用中的位置信息需求的通用標(biāo)準(zhǔn)。

4.5PNT與通信的融合

目前,通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)PNT能力的支持,主要通過(guò)傳輸PNT輔助信息和增強(qiáng)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等實(shí)現(xiàn)。國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)用戶增加與更多通信網(wǎng)的連接并將其作為PNT源。此支撐向量通過(guò)傳統(tǒng)無(wú)線電導(dǎo)航頻譜以外的服務(wù)增強(qiáng)PNT的魯棒性,有利于促進(jìn)PNT能力與通信能力的融合。

16) 探索評(píng)估PNT與通信融合的方法、標(biāo)準(zhǔn)和潛在能力。

4.6合作型組織結(jié)構(gòu)

國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)要求各組織機(jī)構(gòu)間協(xié)調(diào)合作,確保在整個(gè)PNT領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)必要的信息共享。此向量包括建立協(xié)調(diào)過(guò)程,保障運(yùn)行效率和采辦效率以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展。此外,還將整合企業(yè)級(jí)的PNT建模仿真能力,為任務(wù)規(guī)劃人員和用戶設(shè)備決策人員服務(wù)。

17) 制定國(guó)家層面的PNT協(xié)調(diào)過(guò)程。

18) 分析并建立PNT多模集成方案和應(yīng)用的高級(jí)研究中心。

19) 定義、建立、保持并管理一個(gè)PNT建模與仿真核心分析框架。

4.7目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)描述了定位導(dǎo)航授時(shí)的未來(lái)狀態(tài),是根據(jù)上述指導(dǎo)原則和建議確定的。定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)將繼續(xù)由空基、陸基和自主信號(hào)源提供,但必須符合體系結(jié)構(gòu)向量的要求。

PNT體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)原則及相關(guān)建議描述了通往未來(lái)PNT體系狀態(tài)的途徑,PNT體系的目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。與自然演變體系結(jié)構(gòu)相比,目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)將更有效地滿足更多的用戶需求。

圖7　目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)——系統(tǒng)視圖

與自然演變基線體系結(jié)構(gòu)一樣,GPS也是目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)的基石之一。GPS現(xiàn)代化的措施包含使用多個(gè)頻率、提高精度和完好性、采用檢錯(cuò)算法等,可轉(zhuǎn)化或者消除某些GNSS增強(qiáng)系統(tǒng),也可滿足用戶對(duì)GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)的需求。高功率的點(diǎn)波束技術(shù)可以提高電磁拒絕環(huán)境下的抗干擾能力,增加民用頻點(diǎn)可降低非故意干擾的影響,同時(shí)可以減小電離層誤差,提高定位精度。

“可互換的解決方案”提倡在集成PNT接收機(jī)中更廣泛地使用其它PNT源,如,利用國(guó)外的GNSS系統(tǒng)以及區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng),來(lái)提高可用性、完好性和魯棒性。

“多模集成方案”鼓勵(lì)組合利用多種“物理現(xiàn)象”,如GNSS、地基射頻系統(tǒng)以及自主方案(如慣性系統(tǒng)、用戶時(shí)鐘、傳感器輔助)的PNT用戶集成設(shè)備。此解決方案可以解決用戶能力不足的問(wèn)題,在物理遮蔽環(huán)境(城市峽谷、室內(nèi)等)中向用戶提供PNT信息。

“PNT與通信的融合”將更多地利用通信網(wǎng)絡(luò)提供并增強(qiáng)PNT能力。進(jìn)一步研究確定專門(mén)的實(shí)施方案,如利用通信衛(wèi)星傳輸輔助和測(cè)距信號(hào)、通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相對(duì)測(cè)距以及在PNT用戶之間進(jìn)行相對(duì)導(dǎo)航等。

“合作型組織結(jié)構(gòu)”將該體系結(jié)構(gòu)的范圍界定為國(guó)家級(jí),因此,在PNT機(jī)構(gòu)間開(kāi)展廣泛合作是整合天基與非天基方案的關(guān)鍵。為了確保充分安全利用國(guó)外的PNT信息源,還需要開(kāi)展企業(yè)間的合作。

大量的使能要素和基礎(chǔ)能力形成了PNT目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。這些能力尚需要進(jìn)一步發(fā)展,特別是組合利用多模集成技術(shù),以消除PNT能力缺項(xiàng)。

除了從系統(tǒng)角度描述目標(biāo)體系結(jié)構(gòu),ADT還開(kāi)發(fā)了從用戶角度描述的目標(biāo)體系結(jié)構(gòu),如圖8所示。在用戶設(shè)備中,集成和融合可互換方案和多模集成方案的PNT信息將提高PNT服務(wù)的可用性和魯棒性,充分利用實(shí)現(xiàn)PNT能力的通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)無(wú)線電導(dǎo)航頻譜以外的PNT服務(wù)。合作型組織結(jié)構(gòu)促進(jìn)制定并推廣信息共享的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),支持可互換方案的實(shí)施。

圖8　目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)-用戶中心視圖

5美國(guó)PNT體系轉(zhuǎn)型規(guī)劃

2008年美國(guó)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)。在該備忘錄制導(dǎo)下,美國(guó)成立了一個(gè)包括PNT管理機(jī)構(gòu)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PNT體系結(jié)構(gòu)實(shí)施計(jì)劃》,支持國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)建議并提供重要指導(dǎo)。

實(shí)施計(jì)劃需要多個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合,它包含了實(shí)現(xiàn)國(guó)家PNT體系結(jié)構(gòu)策略和要素的轉(zhuǎn)型任務(wù)。為將“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。聯(lián)邦無(wú)線電規(guī)劃每?jī)赡旮乱淮?以便能將前期的完成情況和反饋考慮在內(nèi),同時(shí)反應(yīng)PNT環(huán)境變化。目前,美國(guó)正按照實(shí)施計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)當(dāng)前PNT體系結(jié)構(gòu)向目標(biāo)PNT體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

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張風(fēng)國(guó)(1985-),男,工程師,主要從事導(dǎo)航定位授時(shí)(PNT)研究和GNSS電磁干擾檢測(cè)應(yīng)用研究方面的工作。

張紅波(1979-),男,山東青島人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境應(yīng)用。

Study Method of US PNT Architecture

ZHANG Fengguo,ZHANG Hongbo

(ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

Abstract:On the basis of deep study on “National Positioning, Navigation, and Timing Architecture Study final report” and “FEDERAL RADIONAVIGATION PLAN”, this paper concludes the study method of US national PNT architecture,including the background, scope, process, vision, strategy and recommendations, and analyzes the method of data collecting and trade space building, then discusses six different representative architectures, four hybrid architectures and ADT’s recommended architecture.It is useful reference for Chinese PNT architecture study and development.

Key words:PNT; architecture; navigation; position; timing

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)：TN910.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)01-0024-08

收稿日期：2015-08-02

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.005

聯(lián)系人： 張風(fēng)國(guó) E-mail: zhfg1985@163.com