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(1.北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京 100094；2.清華大學(xué)電子工程系，北京 100084)

國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀及能力展望

黃才1,趙思浩2

(1.北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京100094；2.清華大學(xué)電子工程系，北京100084)

定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的支撐和促進(jìn)作用。為適應(yīng)未來(lái)用戶數(shù)量、服務(wù)質(zhì)量等方面攀升的需求,有必要提升國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力。全面介紹了國(guó)內(nèi)外定位導(dǎo)航授時(shí)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀,展望了我國(guó)定位導(dǎo)航授時(shí)能力的發(fā)展方向。

定位;導(dǎo)航;授時(shí);能力展望

0 引言

隨著對(duì)各種自然現(xiàn)象、物理規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深入以及對(duì)國(guó)內(nèi)外各種相關(guān)技術(shù)的認(rèn)識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)的吸收,定位、導(dǎo)航與授時(shí)(PNT)也在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的方方面面發(fā)揮著更廣泛的作用和更深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)今,時(shí)間、空間信息已經(jīng)成為信息化社會(huì)的基礎(chǔ)資源，可以為用戶提供PNT信息的系統(tǒng)和技術(shù)數(shù)量眾多,發(fā)展迅速;其中,PNT基礎(chǔ)設(shè)施是指具有一定規(guī)模,可以為一定數(shù)量用戶提供PNT服務(wù)的系統(tǒng)?，F(xiàn)有的PNT基礎(chǔ)設(shè)施,典型的如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、航天測(cè)控網(wǎng)、長(zhǎng)河二號(hào)等具有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),在滿足各類軍民應(yīng)用需求方面發(fā)揮了巨大的作用。隨著國(guó)家利益的全球化拓展,國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都對(duì)PNT能力提出了更高要求。以上所述的PNT基礎(chǔ)設(shè)施的局限性逐步凸顯,如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于用戶接收信號(hào)電平很低[1],在干擾、遮擋等惡劣環(huán)境下無(wú)法提供可靠的PNT服務(wù);僅依靠移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位精度較低,誤差通常在百米至千米量級(jí)[2];航天測(cè)控網(wǎng)已經(jīng)可以支持嫦娥系列月球探測(cè)器的定位導(dǎo)航任務(wù),但現(xiàn)有系統(tǒng)的服務(wù)距離、延時(shí)、精度等能力無(wú)法滿足未來(lái)更遠(yuǎn)的深空任務(wù)如火星探測(cè)等的需求[3]?？梢?jiàn),現(xiàn)有PNT基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)無(wú)法完全滿足各行各業(yè)現(xiàn)有及未來(lái)的應(yīng)用需求,因此,進(jìn)一步提升國(guó)家PNT能力、開(kāi)展頂層設(shè)計(jì)、發(fā)展新興技術(shù)手段已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外PNT基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,闡述了各類系統(tǒng)的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域,分析了現(xiàn)有PNT基礎(chǔ)設(shè)施的局限與差距,對(duì)我國(guó)PNT能力的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 國(guó)外定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

基于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部和外部條件的依賴情況,可以將PNT基礎(chǔ)設(shè)施劃分為獨(dú)立系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)兩大類。其中,獨(dú)立系統(tǒng)不需依靠本系統(tǒng)之外的元素即可提供PNT服務(wù),而增強(qiáng)系統(tǒng)則是針對(duì)某些應(yīng)用和需求為獨(dú)立PNT系統(tǒng)提供增強(qiáng)功能。

1.1 獨(dú)立定位導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)

當(dāng)前具備最廣泛覆蓋范圍和最大用戶數(shù)量的PNT基礎(chǔ)設(shè)施是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)。其中美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)是首個(gè)投入運(yùn)營(yíng)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),包括空間段、控制段和用戶段,空間段星座由24顆衛(wèi)星組成,分別在6個(gè)地心軌道面內(nèi),每個(gè)面內(nèi)有4顆衛(wèi)星工作,其中1顆是備份星?？臻g段衛(wèi)星對(duì)外播發(fā)導(dǎo)航信號(hào),用戶設(shè)備通過(guò)接收和處理這些信號(hào)完成對(duì)自身位置、速度、時(shí)間信息的提取和解算[4]。

另一個(gè)與GPS同時(shí)期開(kāi)始開(kāi)發(fā)的GNSS是蘇聯(lián)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS),該系統(tǒng)標(biāo)稱星座具有24顆衛(wèi)星。GLONASS提供兩種導(dǎo)航信號(hào):標(biāo)準(zhǔn)精密導(dǎo)航信號(hào)(SP)和高精密導(dǎo)航信號(hào)(HP)。它的組成和功能與美國(guó)的GPS相類似,可用于海上、空中、陸地等各類用戶的定位、測(cè)速及精密定時(shí)等[5]。

21世紀(jì)初期,歐洲開(kāi)始研發(fā)伽利略系統(tǒng)(Galileo),該系統(tǒng)可為全球用戶提供高精度時(shí)間和三維位置信息,同時(shí)具備與GPS的兼容和互操作特性。Galileo提供4種服務(wù):公開(kāi)服務(wù)、生命安全服務(wù)、商用服務(wù)和公共特許服務(wù)。Galileo還具備基于國(guó)際搜救系統(tǒng)的全球搜索與救援功能,其每顆衛(wèi)星上裝有轉(zhuǎn)發(fā)器,可將用戶發(fā)出的求救信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到救援合作中心,以便啟動(dòng)救援工作[6]。

根據(jù)其自身的條件和需求,日本也自主開(kāi)發(fā)了區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS),該系統(tǒng)衛(wèi)星運(yùn)行于大橢圓非對(duì)稱“8”字形地球同步軌道,因此對(duì)于地面用戶而言,衛(wèi)星信號(hào)來(lái)自高仰角區(qū)域,可以服務(wù)于鬧市區(qū)和中緯山區(qū)的通信與定位,向日本及附近區(qū)域發(fā)射測(cè)距信號(hào),同時(shí)也發(fā)送其他GNSS的修正信號(hào)。QZSS由3顆分置于相間120°的3個(gè)軌道面上的衛(wèi)星組成,軌道周期為23h56min,傾角45°,偏心率0.1,軌道高度為31500～40000km[7]。

為滿足印度對(duì)可靠PNT服務(wù)的需求,印度開(kāi)展了區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(IRNSS)的研發(fā)工作。系統(tǒng)星座由7顆衛(wèi)星組成,其中包括3顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星和4顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星,可覆蓋全印度及整個(gè)南亞區(qū)域,已于2016年4月發(fā)射完成[8]。

其他具有代表性的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)包括遠(yuǎn)距離無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)(LORAN)、伏爾/測(cè)距裝置(VOR/DME)和戰(zhàn)術(shù)空軍導(dǎo)航系統(tǒng)(TACAN),以及航天器跟蹤測(cè)量系統(tǒng)等等。LORAN是一整套獨(dú)立的系統(tǒng),使用雙曲線定位的原理為海岸附近區(qū)域的用戶提供PNT服務(wù)?，F(xiàn)代化后的系統(tǒng)稱為eLORAN,可以為非精密進(jìn)近的航空應(yīng)用、海港出入、地面移動(dòng)電話、精密時(shí)間和頻率應(yīng)用提供服務(wù)。LORAN可以作為GPS服務(wù)降級(jí)或不可用時(shí)的一種保障手段,因此GPS與LORAN的組合使用可以提高PNT服務(wù)的可靠性,在生命安全導(dǎo)航和精密時(shí)鐘服務(wù)當(dāng)中仍具有重要應(yīng)用[9]。

VOR/DME和TACAN是在民用和軍用航空中使用廣泛的無(wú)線電測(cè)距系統(tǒng),TACAN為軍用航空用戶提供在航期間的方位和測(cè)距導(dǎo)航服務(wù)[10],VOR/DME則為民用航空用戶提供相同服務(wù)[11]。儀表著陸系統(tǒng)(ILS),也稱為盲降系統(tǒng),在飛機(jī)精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)當(dāng)中具有廣泛應(yīng)用,該系統(tǒng)利用甚高頻信號(hào)為飛機(jī)提供著陸路線服務(wù)。

為完成對(duì)航天器的跟蹤與控制,跟蹤系統(tǒng)必不可少,該系統(tǒng)可通過(guò)地面天線跟蹤特定目標(biāo),也可以使用天基設(shè)施如中繼衛(wèi)星完成跟蹤任務(wù),通常使用雙向應(yīng)答的方式獲取目標(biāo)距離,也可結(jié)合目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其軌跡進(jìn)行跟蹤[12]。中繼衛(wèi)星系統(tǒng)由在軌GEO和地面站組成,為航天飛機(jī)、國(guó)際空間站和美國(guó)航空航天局(NASA)用戶提供數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻服務(wù),以及定位和定軌信息。此外,還可以向其他衛(wèi)星播發(fā)全球差分GPS實(shí)時(shí)改正信息以支持自主精密定軌、科學(xué)研究和用于安排飛行計(jì)劃。信號(hào)通過(guò)NASA中繼衛(wèi)星的S頻段播發(fā),其中也包含與GPS同步的測(cè)距信號(hào)[13]。

另外,日常使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)基站與移動(dòng)電話之間的通信提供授時(shí)服務(wù)以及較低精度的定位服務(wù),例如E911服務(wù)可以給出精度在百米量級(jí)的呼叫者位置信息[14]。

1.2 定位導(dǎo)航授時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)

增強(qiáng)系統(tǒng)針對(duì)某些應(yīng)用和需求為獨(dú)立PNT基礎(chǔ)設(shè)施提供增強(qiáng)和輔助,用戶可以獲得比獨(dú)立系統(tǒng)更優(yōu)的性能。增強(qiáng)系統(tǒng)按照信號(hào)源部署的位置可以分為天基和地基增強(qiáng)系統(tǒng),從服務(wù)區(qū)域大小的角度也可分為廣域和局域增強(qiáng)系統(tǒng)。

(1)天基增強(qiáng)系統(tǒng)

天基增強(qiáng)系統(tǒng)中具有代表性的是美國(guó)空軍運(yùn)營(yíng)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS),用于為GPS用戶提供更高的精度、可用性和完好性。該系統(tǒng)由2顆地球同步軌道衛(wèi)星、2個(gè)主控站、3個(gè)上行站、25個(gè)參考站組成,系統(tǒng)對(duì)GPS的誤差參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和廣播,廣播信號(hào)與GPS信號(hào)兼容,可為美國(guó)南部范圍內(nèi)航空用戶的起飛、在途、降落和進(jìn)近提供服務(wù)。與WAAS類似的是日本氣象衛(wèi)星系統(tǒng)(MTSAT)、歐洲地球同步導(dǎo)航重疊服務(wù)(EGNOS)和印度地球同步增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)(GAGAN)[13]。

(2)地基增強(qiáng)系統(tǒng)

全球差分全球定位系統(tǒng)(GDGPS)是美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)發(fā)并運(yùn)營(yíng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng),可以為NASA科學(xué)任務(wù)提供高精度GPS增強(qiáng)信息;連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局管理的地基GPS增強(qiáng)系統(tǒng),負(fù)責(zé)在全球650多個(gè)站點(diǎn)間收集和分發(fā)GPS數(shù)據(jù),用于精密定位和大氣建模[15]。國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS),前身為國(guó)際GPS服務(wù)組織,該網(wǎng)絡(luò)由來(lái)自80個(gè)國(guó)家的350個(gè)地面監(jiān)控站組成,通過(guò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理中心完成精確的衛(wèi)星軌道計(jì)算,并以星歷形式向全世界播發(fā)[16],IGS提供的高質(zhì)量數(shù)據(jù)和產(chǎn)品被用于地球科學(xué)研究等多個(gè)領(lǐng)域[13]。

一個(gè)典型的局域增強(qiáng)系統(tǒng)是美國(guó)的聯(lián)合精密進(jìn)近著陸系統(tǒng)(JPALS),該系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算GPS差分改正信息并使用加密信息向用戶播發(fā),為軍用飛機(jī)提供高精度位置信息以完成著艦、著陸的精密導(dǎo)引。

2 我國(guó)定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的探索和發(fā)展,我國(guó)也陸續(xù)建成了若干提供PNT服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施,典型的如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、航天測(cè)控網(wǎng)、長(zhǎng)河二號(hào)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線電信標(biāo)-差分系統(tǒng)、連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)、水聲定位系統(tǒng)、地面無(wú)線通信定位系統(tǒng)等。本節(jié)將一一進(jìn)行介紹。

我國(guó)自20世紀(jì)80年代就開(kāi)始探索適合國(guó)情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年建成了北斗一號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),通過(guò)3顆在中國(guó)上方的GEO衛(wèi)星為中國(guó)區(qū)域范圍內(nèi)用戶提供定位、授時(shí)服務(wù)。由于用戶需要與衛(wèi)星、地面站進(jìn)行雙向通信,其用戶容量有限;同時(shí)雙星定位需要使用高程參考信息,定位精度大約在20m量級(jí)[17]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航(區(qū)域)系統(tǒng)已經(jīng)于2012年底投入正式運(yùn)營(yíng),其星座組成包括5顆GEO衛(wèi)星、5顆IGSO衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星組成,如圖1所示。覆蓋區(qū)域包括中國(guó)、澳大利亞及其周邊區(qū)域。2020年將建成覆蓋全球的導(dǎo)航星座,包括5顆GEO衛(wèi)星、27顆MEO衛(wèi)星和3顆IGSO衛(wèi)星。北斗系統(tǒng)的開(kāi)放信號(hào)能夠提供優(yōu)于10m的絕對(duì)定位精度、優(yōu)于0.2m/s的絕對(duì)測(cè)速精度和優(yōu)于20ns的授時(shí)精度[1, 17]。目前北斗系統(tǒng)已經(jīng)為地面、航空、航海、低軌航天器提供PNT服務(wù)[18-19]。

圖1 北斗系統(tǒng)星座Fig.1 Constellation of BeiDou system

為完成對(duì)各類航天器的測(cè)控與跟蹤,我國(guó)自主建立了較為完備的航天測(cè)控網(wǎng),目前用于航天器測(cè)量與通信的地面站與航天器之間通過(guò)雙向通信實(shí)現(xiàn)測(cè)距,地面站經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的定軌[3, 20-21]。航天地面測(cè)控網(wǎng)主要為航天器提供PNT服務(wù),對(duì)于探月等近深空任務(wù)具備一定的測(cè)距定軌能力。地面測(cè)控站分布如圖2所示。

圖2 地面測(cè)控站分布Fig.2 Distribution of ground Telemetry, Track & Command stations

作為航天測(cè)控網(wǎng)的重要組成部分,中繼衛(wèi)星系統(tǒng)為中低軌道的航天器與航天器之間、航天器與地面站之間提供數(shù)據(jù)中繼、連續(xù)跟蹤與測(cè)控服務(wù),我國(guó)目前建成的天鏈1號(hào)系統(tǒng)共計(jì)3顆GEO衛(wèi)星[22],對(duì)中低軌道航天器覆蓋率達(dá)到85%以上[23](圖3)。中繼衛(wèi)星與航天器之間通過(guò)雙向測(cè)距碼實(shí)

現(xiàn)測(cè)距功能,通過(guò)地面站解算得到航天器軌道和位置信息。對(duì)中低軌道航天器的軌道測(cè)量精度約20m量級(jí)[24]。

圖3 天鏈中繼衛(wèi)星系統(tǒng)Fig.3 Tianlian Tracking Data Relay Satellite System

另一種具有廣泛應(yīng)用的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)是長(zhǎng)河二號(hào),這是一種類似美國(guó)羅蘭-C的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng),我國(guó)目前建設(shè)了6個(gè)地面發(fā)射臺(tái)、3個(gè)系統(tǒng)工作局監(jiān)測(cè)站和3個(gè)臺(tái)鏈控制中心。3個(gè)臺(tái)鏈的覆蓋范圍北起日本海,東至西太平洋,南達(dá)南沙群島[25]。系統(tǒng)提供PNT服務(wù),具備發(fā)播軍用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的功能。長(zhǎng)河二號(hào)臺(tái)站系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)河二號(hào)臺(tái)站設(shè)備連接框圖Fig.4 Devices of Changhe 2 Station

該系統(tǒng)用戶設(shè)備接收發(fā)射臺(tái)站信號(hào),測(cè)量不同臺(tái)站信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差,利用多組測(cè)量值完成雙曲線二維定位,或通過(guò)測(cè)定信號(hào)到達(dá)時(shí)間完成三維定位。

長(zhǎng)河二號(hào)主要為地面、海面和低空飛行器提供PNT服務(wù),定位精度在千米量級(jí)。在星基導(dǎo)航系統(tǒng)受限等情況下,長(zhǎng)河二號(hào)可以作為補(bǔ)充和備份手段獨(dú)立提供PNT服務(wù),并且其發(fā)射功率大,干擾比較困難,具有一定的安全性優(yōu)勢(shì)。

民用的移動(dòng)通信網(wǎng)設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮用于PNT。在1996年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)公布E-911定位需求后,才逐步開(kāi)展移動(dòng)定位方面的研究與應(yīng)用。依賴移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)自身可以完成用戶的定位功能,但定位精度、可用性等較低,僅能提供較為粗略的位置估計(jì)[26]。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)的范圍受限于基站的布設(shè),僅能為地面、淺表(有基站覆蓋)及低空飛行器提供服務(wù)。

作為一種GPS的增強(qiáng)系統(tǒng),無(wú)線電信標(biāo)-差分GPS(RBN-DGPS)利用航海無(wú)線電信標(biāo)播發(fā)臺(tái)播發(fā)DGPS修正信息,向用戶提供較高精度的導(dǎo)航服務(wù),在選擇可用性(SA)政策執(zhí)行期間起到一定作用(圖5)。該系統(tǒng)使用偽距差分技術(shù),差分定位精度在10m量級(jí),覆蓋我國(guó)鴨綠江口至西沙群島的沿海區(qū)域[27-28]。

圖5 無(wú)線電信標(biāo)-差分全球定位系統(tǒng)原理Fig.5 Principle of RBN-DGPS

我國(guó)也開(kāi)展了連續(xù)運(yùn)行參考站的建設(shè),該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)GPS等GNSS衛(wèi)星信號(hào)的不間斷觀測(cè)獲取該地區(qū)和該時(shí)段的局域精密星歷以及其他改正參數(shù),并將這些信息按格式存儲(chǔ)和播發(fā)給用戶。用戶設(shè)備接收參考站信息,利用RTK技術(shù)獲得高精度位置信息。連續(xù)運(yùn)行參考站單站服務(wù)范圍在100km以內(nèi),可以提供RTK實(shí)時(shí)定位、靜態(tài)事后差分定位等服務(wù)。本質(zhì)上而言,是一種GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)[29-30]。

水聲定位是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的水下定位技術(shù),通常分為超短基線(<10m)、短基線(50m),長(zhǎng)基線(6000m)系統(tǒng),定位精度為基線的1%左右。以長(zhǎng)基線系統(tǒng)為例,需要在水底安裝3個(gè)以上位置精確已知的應(yīng)答器,基線長(zhǎng)度不超過(guò)幾千米,同時(shí)用戶設(shè)備需要配置收發(fā)信機(jī)接收和應(yīng)答水底應(yīng)答器的信號(hào)[31-33]。

近年來(lái),也出現(xiàn)了基于GNSS的水下定位系統(tǒng),通過(guò)測(cè)定水面浮標(biāo)位置并與水下用戶、工作站通信獲取水下用戶位置[32]。示意圖如圖6所示。

圖6 基于GPS的水下定位系統(tǒng)Fig.6 GPS-based underwater positioning system

羲和系統(tǒng)關(guān)注于解決室內(nèi)外高精度無(wú)縫定位問(wèn)題,該系統(tǒng)整合北斗系統(tǒng)、通信衛(wèi)星、移動(dòng)通信基站、WiFi接入點(diǎn)等多種導(dǎo)航信息源,目前系統(tǒng)正在實(shí)施部署當(dāng)中,具備室外亞米級(jí),室內(nèi)優(yōu)于3m的定位精度[34-35]。

除以上PNT基礎(chǔ)設(shè)施之外,用戶還可以通過(guò)一些自主配置的設(shè)備和技術(shù)手段獲取定位導(dǎo)航和時(shí)間信息,例如使用慣性傳感器、時(shí)鐘、雷達(dá)、重力傳感器、視覺(jué)傳感器、磁力傳感器、氣壓計(jì)、天文導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航、地圖匹配等。

3 現(xiàn)有定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施能力差距

(1)單系統(tǒng)服務(wù)范圍受限

目前在地表和低高度空間內(nèi),北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋區(qū)域僅在中國(guó)和西太平洋部分區(qū)域,覆蓋范圍較小,對(duì)于地表附近大范圍內(nèi)使用的武器和飛行器、海外人員和設(shè)備無(wú)法提供可靠的PNT服務(wù)。在地表北斗系統(tǒng)服務(wù)范圍外,只能依靠GPS、GLONASS等他國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或依靠用戶配置的自主手段如慣導(dǎo)完成PNT任務(wù)。在中高軌道航天器飛行區(qū)域內(nèi)(如1000km以上、月球軌道、深空等),北斗區(qū)域系統(tǒng)或正在部署中的北斗全球系統(tǒng)、中繼衛(wèi)星系統(tǒng)都無(wú)法對(duì)用戶提供良好的覆蓋能力。

其他基于無(wú)線電的PNT基礎(chǔ)設(shè)施同樣受到空間范圍的限制,如長(zhǎng)河二號(hào)目前服務(wù)范圍主要在我國(guó)沿海區(qū)域,且高度范圍有限;航天地面測(cè)控網(wǎng)站點(diǎn)數(shù)量較少,分布稀疏,僅能對(duì)航天器部分弧段提供跟蹤服務(wù);中繼衛(wèi)星天線波束較窄,且用戶數(shù)量有限;移動(dòng)通信網(wǎng)、連續(xù)運(yùn)行參考站、羲和系統(tǒng)需要依靠大量基站覆蓋地面區(qū)域,但地下、水下、空間的服務(wù)能力不足;水下聲學(xué)定位系統(tǒng)對(duì)于標(biāo)校和部署要求較高,且受限于基線長(zhǎng)度,工作范圍有限。

(2)復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾能力不足

射頻信號(hào)受到電磁干擾導(dǎo)致工作能力下降是所有基于無(wú)線電的PNT基礎(chǔ)設(shè)施共同面臨的問(wèn)題,而這個(gè)問(wèn)題在GNSS領(lǐng)域尤為突出。以北斗系統(tǒng)為例,接收機(jī)在區(qū)域覆蓋范圍內(nèi)接收到的信號(hào)最低為-161dBW左右,信號(hào)電平低,容易受到有意/無(wú)意的電磁干擾,同時(shí)抗欺騙能力有限;在遮擋、地下、水下等無(wú)線電信號(hào)嚴(yán)重衰減的環(huán)境下無(wú)法獲取可靠的基于GNSS的PNT信息。另外對(duì)于有完好性/安全性要求的用戶,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)告警速度有限,如北斗系統(tǒng)衛(wèi)星載荷異常的告警時(shí)間可能在分鐘量級(jí),無(wú)法滿足某些應(yīng)用如生命安全服務(wù)的需求。

(3)各基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通不足

各個(gè)PNT基礎(chǔ)設(shè)施相互之間缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和部署,溝通協(xié)調(diào)有限。由于面向的應(yīng)用場(chǎng)景、用戶群體和使用需求的不同,設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線存在差異,也為各基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)互通造成了障礙,重復(fù)建設(shè)和個(gè)體能力不足的現(xiàn)象并存。

4 定位導(dǎo)航授時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展趨勢(shì)

PNT系統(tǒng)的體系化發(fā)展成為未來(lái)的主要方向。隨著GPS的成熟和廣泛應(yīng)用,美國(guó)獲得全球持續(xù)有效導(dǎo)航能力的需求日益迫切,并明確提出2025年建成由GPS、地面無(wú)線電、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、偽衛(wèi)星、天文導(dǎo)航等眾多系統(tǒng)和技術(shù)組成的國(guó)家PNT體系。

同時(shí)也可以看到,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將是未來(lái)國(guó)家PNT體系中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。美、俄正在重點(diǎn)推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)代化。GPS現(xiàn)代化提出了軍民頻譜分離、更新軍碼、增加發(fā)射功率、區(qū)域功率增強(qiáng)等措施將進(jìn)一步提高抗干擾和反利用能力。俄羅斯GLONASS-K、GLONASS-KM衛(wèi)星將采用激光星間鏈路等多種先進(jìn)技術(shù),設(shè)計(jì)壽命延長(zhǎng)至15年。原子鐘、抗干擾、星間鏈路等技術(shù)的發(fā)展將使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)向更高精度、抗毀頑存、功能多樣、持續(xù)自主導(dǎo)航的方向發(fā)展。

隨著各類行業(yè)應(yīng)用對(duì)PNT需求的多樣性和細(xì)分特點(diǎn),單一PNT基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)疑無(wú)法滿足所有需求,因此多系統(tǒng)深度融合的特征更加明顯。例如,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互操作成為大勢(shì)所趨;衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航、重力導(dǎo)航、磁力導(dǎo)航、地形匹配導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、脈沖星導(dǎo)航等多手段組合運(yùn)用將成為未來(lái)PNT體系化發(fā)展的重要趨勢(shì)。

5 國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)能力展望

借鑒國(guó)外PNT基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展情況,結(jié)合現(xiàn)有國(guó)家主要的PNT基礎(chǔ)設(shè)施與相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì),本章對(duì)我國(guó)未來(lái)PNT能力發(fā)展進(jìn)行展望。

5.1 更廣的服務(wù)范圍

未來(lái),在地表以上的區(qū)域內(nèi)PNT應(yīng)用規(guī)模繼續(xù)快速增加,同時(shí)各種用戶需求也在向地下/水下[31, 36]和太空、深空擴(kuò)展[37-38],為提供更廣范圍的服務(wù),PNT基礎(chǔ)設(shè)施的部署需要更多兼顧不同的環(huán)境,如地下、水下、高空、太空、深空(月球軌道、火星軌道)等。為此,需要將以地面、航空、近地空間為主要覆蓋區(qū)域的PNT服務(wù)拓展到地下、水下、高空、深空等,同時(shí)需要具備在各種惡劣環(huán)境下(如信號(hào)阻礙環(huán)境、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境等)提供PNT服務(wù)的能力。對(duì)于可能出現(xiàn)的大范圍、多場(chǎng)景應(yīng)用,需要支持在不同應(yīng)用場(chǎng)景當(dāng)中的無(wú)縫切換,保證PNT服務(wù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。為此,在現(xiàn)有PNT基礎(chǔ)設(shè)施的能力基礎(chǔ)上,需要進(jìn)一步擴(kuò)展各自的服務(wù)范圍,同時(shí)開(kāi)發(fā)新型PNT基礎(chǔ)設(shè)施以覆蓋現(xiàn)有服務(wù)能力較弱或不能到達(dá)的區(qū)域,例如地下、水下、深空等。

5.2 更高的精度

對(duì)更高的定位精度、更小的授時(shí)誤差的需求是PNT技術(shù)進(jìn)步的最大驅(qū)動(dòng)力。歷史表明，人類對(duì)于PNT服務(wù)性能的要求不會(huì)停滯不前,隨著目前可預(yù)期的和無(wú)法預(yù)期的應(yīng)用的出現(xiàn),用戶可能提出優(yōu)于毫米級(jí)的位置精度需求和優(yōu)于納秒級(jí)的授時(shí)精度需求，且在許多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi),PNT服務(wù)所能提供的精度水平已經(jīng)顯現(xiàn)出與當(dāng)前用戶需求的差距,為彌補(bǔ)這樣的差距,緊跟甚至引領(lǐng)用戶在精度方面的需求,PNT基礎(chǔ)設(shè)施有必要將其性能提升到更高的精度水平。以北斗系統(tǒng)為例,探索具有更高測(cè)距精度的信號(hào)體制是一種提高精度的可行手段。

5.3 更強(qiáng)的安全性

為應(yīng)對(duì)故意和非故意干擾、欺騙以及各種環(huán)境因素導(dǎo)致的PNT信息錯(cuò)誤或降級(jí),PNT基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中需要配置提高安全性的技術(shù)手段,如無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備、信息比對(duì)與校驗(yàn)設(shè)備等;由于用戶對(duì)于PNT信息的安全性要求進(jìn)一步提升,因此需要在系統(tǒng)層面和/或用戶設(shè)備層面配置故障監(jiān)測(cè)和隔離設(shè)施。一種可能的技術(shù)是采用多種PNT信息源進(jìn)行相互校驗(yàn),利用系統(tǒng)各自的特性和來(lái)自不同信源的先驗(yàn)知識(shí)提高抗干擾和反欺騙能力。

5.4 更好的協(xié)調(diào)性

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和用戶數(shù)量的快速增長(zhǎng),當(dāng)前各PNT基礎(chǔ)設(shè)施獨(dú)立發(fā)展的態(tài)勢(shì)不能滿足用戶對(duì)快速部署、靈活配置、簡(jiǎn)便可靠、成本低廉等方面的需求。為此,需要各PNT基礎(chǔ)設(shè)施加強(qiáng)互聯(lián)互通,綜合利用豐富的信息為用戶提供可靠的服務(wù)。具體而言,各PNT基礎(chǔ)設(shè)施間可以設(shè)計(jì)具有一致性和通用性的信息接口和協(xié)議,以便各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施之間的數(shù)據(jù)交換,提高系統(tǒng)間信息傳輸效率。

5.5 更低的代價(jià)

隨著PNT服務(wù)范圍的擴(kuò)展,對(duì)PNT基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提出更高要求,需要考慮到系統(tǒng)和設(shè)備的可維護(hù)性,例如采取模塊化生產(chǎn)等手段降低維護(hù)代價(jià)。在提升服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)需要減輕用戶負(fù)擔(dān),降低用戶設(shè)備的功耗、體積、成本。信息技術(shù)的快速發(fā)展也推動(dòng)著PNT基礎(chǔ)設(shè)施各組件和設(shè)備的小型化和低成本化,隨著PNT服務(wù)的普及,大規(guī)模批量生產(chǎn)可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、部署和維護(hù)代價(jià)。

6 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外PNT基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧,分析了現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的幾方面能力差距和發(fā)展趨勢(shì),在此基礎(chǔ)上,對(duì)未來(lái)我國(guó)PNT的能力與發(fā)展做了初步展望。

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PresentSituationandOutlookofNationalPositioning,NavigationandTimingInfrastructures

HUANGCai1,ZHAOSi-hao2

(1.BeijingSpaceTechnologyDevelopmentandExperimentCenter，Beijing100094,China;2.DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity，Beijing100084,China)

The capability of positioning, navigation and timing infrastructures is essential to support national security and to promote economic development.It is a necessity to upgrade the service capability of positioning, navigation and timing infrastructures to satisfy the rising demand from the quantity of users and the quality of services.The current situation of the development of positioning, navigation and timing infrastructures globally and domestically is reviewed comprehensively.The development directions of China’s positioning, navigation and timing capability are presented.

Positioning; Navigation; Timing; Capability outlook

2017-03-12；

：2017-04-23

：國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1333203)

：黃才(1986- ),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航定位技術(shù)、航天器測(cè)控技術(shù)。

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.05.003

TN967

：A

：2095-8110(2017)05-0019-08