PNT体系关键技术研究

王冬霞，郭 睿，毛 潇，马 真，袁运斌

（1.北京卫星导航中心，北京 100094；2.大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉 430077）

1 引言

随着GNSS系统的不断发展和广泛应用，其信号弱、穿透能力差、易受干扰等缺点日益突出，难以满足军民各类用户的需求[1，2，3]。如何应对GNSS系统的脆弱性，建立不依赖于GNSS的PNT体系逐渐成为国内外新型导航技术研究的重要方向。

美国于2005年开始研究PNT体系，基于不同物理技术、设计原理和算法理论研发了PNT架构[4]，并在2008年发布了美国PNT体系研究报告[5]，2010 年发布了美国PNT体系实施规划[6]。其基本指导思想是“通过面向能力的研究方法，寻求可以满足用户需求的综合导航技术方向”，主要目标是“制定一个全面的、不依赖于GPS系统的国家PNT体系，2025年左右为美国提供更加高效的PNT能力”[6]。

于我国而言，北斗卫星导航系统尚在建设中，各类辅助和增强系统也正在发展中。杨元喜院士提出“综合PNT”概念：基于不同原理的多种PNT信息源，经过云平台控制、多传感器的高度集成和多源数据融合，生成时空基准统一的，且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的PNT服务信息[1]。杨院士等专家学者正在积极推进论证中国PNT体系，如何发展以北斗信息为核心、综合利用多种数据源的PNT技术，是我国亟待解决的一个研究方向。

本文首先分析了美国PNT体系的范围、策略要素、构建方法和相关技术成果，接着介绍了量子导航、脉冲星导航等未来潜在的PNT技术，在此基础上分析得出我国PNT体系的发展方向和研究内容。

2 美国PNT体系发展概况

2.1 范围

从范围上来讲，美国PNT体系是国家层面上的，信息源包括GNSS、增强系统、自主导航、深空导航、各类通信数据等，用户包括军、民、商、科研等，管理域包括各级政府机构[7]，如图1所示。为方便各机构部门团结协作，于2005年专门成立了PNT体系结构研究小组（ADT，Architecture Development Team）。

图1 美国PNT体系结构范围

2.2 策略和要素

美国实现PNT体系的策略是“最大公用数”，提供可以满足大部分用户需求的有效标准方案，如图2所示。该策略能够促进GPS现代化，采用低负荷自主特征结构，克服电磁等自然环境干扰。除了标准方案，还提供专用方案，以保证国家安全并提升服务能力，保持美国在全球PNT领域的主导地位[3]。

图2 PNT体系的策略和要素

在美国“最大公用数”的策略下，PNT体系包括四个支撑要素：合作型组织结构、通信融合PNT结构、多模集成方案、可互换方案，如图2所示。

2.3 构建方法

美国PNT体系遵循国家空间安全办公室（NSSO，National Space Security Off ice）的标准，通过提炼功能来构建开发体系，如图3所示。具体过程分为：数据收集、概念设计、专家指导、结构构建、分析评估等[3]。

图3 累积式的PNT体系结构开发过程

因此，美国PNT体系的构建方法可分为4步：数据收集；权衡空间构建；典型PNT结构开发；混合PNT结构开发。在体系开发过程中，权衡空间、典型PNT结构与混合PNT结构是结合需求，通过分析评估、反复讨论、迭代完善而确定的，最终形成“目标”体系。

2.3.1 数据收集

数据收集是在体系开发之前，评估PNT体系功能需求、预期目标的关键。ADT涵盖了军事、民用、商业、科研和国家安全等各领域专家，可以收集PNT体系的需求、功能、可用技术等方面的信息。

具体数据包括PNT体系相关的所有信息，ADT 需要分析未来美国的国家安全环境，并预测该环境下PNT服务的威胁和用户需求。为此，ADT划分了4个小组，分别承担未来环境预测、用户需求分析、风险管理、演化要素等数据收集工作。

2.3.2 体系权衡空间构建

综合考虑PNT体系的各种因素，包括体积、功耗、成本、自主性、信息更新速率等，ADT提取了三个权衡轴，以描述PNT技术的差异性，并提出了一种体系权衡空间，如图4所示。在权衡空间内探究全部潜在的PNT解决方案，并设计了相应的体系结构。此外，ADT还开发了50个PNT概念以支撑整个权衡空间，这些PNT概念与权衡空间的不同区域相关联，提供了典型体系结构开发的基本信息。

图4 体系结构权衡空间

2.3.3 典型PNT结构开发

为了分析不同PNT结构的优缺点及其对权衡空间不同区域的贡献，ADT开发了六种典型的PNT 体系结构（RA）。每种RA位于一个固定区域，考虑其满足用户需求应具备的条件，分析该区域可能的PNT解决方案。主要目的是进行深入研究，发现趋势并确定关键特性，以便开发合理折中的混合结构。

ADT对各种典型体系结构解决PNT能力缺项以及互操作、适应性、鲁棒性和持续性等指标进行评估，通过打分制来实现，结果分五个等级。

2.3.4 混合PNT结构开发

在充分考虑PNT核心要素的基础上，ADT开发了三种混合体系结构：最大公用数体系结构、以网络为中心的最大公用数PNT体系结构、可接受的最小公用数PNT体系结构。与RA不同，混合结构并不人为的限制在某部分特定权衡空间内，而是广泛合理地集成了整个权衡空间。它高效的满足了用户需求并克服了PNT能力缺项，通过集成涵盖不同类型的PNT技术来满足用户未来的PNT需求。

2.4 相关技术研究

在PNT体系研究报告及实施计划完成后，ADT 陆续组织空军、海军等单位开展了不同导航技术的研究工作[8，9]，主要包括：

（1）多源信息融合技术，如：激光雷达融合导航技术；地磁室内导航技术；超宽带室内定位技术；随机信号源（SoOP）导航技术；多源传感器融合导航技术；“即插即用”全源导航技术。

（2）组合惯性导航技术，如：精确惯导（PINS）和全源导航（ASPN）相结合的自适应导航技术（ANS）；微机电精确组合惯导技术；冷原子干涉组合惯导技术；GPS紧耦合组合惯导技术；惯性地磁场导航技术；图像辅助惯导技术；视觉辅助惯导技术；光学组合惯导技术。

（3）小型化PNT技术，如：微机电辅助PNT技术（Micro PNT）；量子导航辅助光原子钟技术；超快激光导航技术（PULSE）；恶劣环境下时空定向信息获取技术（STOIC）。

从美国目前的研究成果来看，其PNT技术方向主要有三类：多源信息融合技术、组合惯导技术、小型化PNT技术。这些技术研究为PNT体系的顺利推进打下了良好的理论基础。

3 未来潜在的PNT技术

本文广泛调研了量子导航技术、脉冲星导航技术、Locata技术等多种正在研究或具有发展潜力的新型导航技术，以指导未来PNT技术的综合发展。

3.1 量子导航技术

量子导航技术在精度和安全方面有绝对优势。量子导航的精度主要取决于量子脉冲中的光子数目，可比GPS定位精度高2-4个数量级。另外，量子加密技术的安全性很高，通过加密协议可以防止敌方破译[10]，还可以检测窃听者。

英国正在研发“量子罗盘”技术，该技术不会受到数据篡改和信号干扰的影响，通过地球磁场和重力场得到精确的位置信息。其发展对于核潜艇有着至关重要的作用，与卫星导航技术相比，能够更精确定位潜艇的位置，并为发射导弹提供服务。

3.2 脉冲星导航技术

脉冲星是一种强辐射、强磁场、高温度、高密度的快速自转中子星，不易受电磁场影响，在时间基准建立和深空导航研究方面有良好的发展前景[11]。它能够为中远程导弹等近地轨道飞行器提供精确的导航信息，也能够为深空探测器、星际旅行器提供精确的导航定位和时空基准信息。此外，该技术可为GNSS提供备份，避免GNSS系统被干扰或被摧毁，具有重要的军事战略意义[12]。

国外脉冲星导航技术正处在全面研究发展的阶段，国内相关研究也取得了显著成绩，研究成果包括脉冲星辐射原理、观测方法、测量理论模型等。此外，我国500m口径球面射电望远镜（FAST）已于2016年9月25日正式投入使用，大大提高了我国巡天观测脉冲星的能力。

3.3 偏振光导航技术

偏振光导航技术利用大气或水等传播介质对太阳光的偏振特性，形成包含太阳、地球和用户位置的偏振信息，用于导航。偏振光导航技术不需要地球场数据支持，同时又有天文导航可靠性好的优点，但定位精度是影响该技术的关键。影响偏振光导航技术精度的主要因素有：传感器灵敏度、天空光偏振敏感性。由于其只能描述二维运动，通常需要组合其他的导航技术实现导航[13，14]。

从传播介质上分类，偏振光导航主要包括大气偏振光和水下偏振光。例如，大气偏振光导航技术通过测量天空光的方向，利用惯导技术提供舰船姿态和航向信息，进而实现舰船自动定位导航。当偏振光探测传感器精度为角分级时，舰船定位误差理论上优于1海里。

3.4 地磁导航技术

地磁导航技术的原理是通过地磁传感器测得实时地磁数据，与标准的地磁基准图进行匹配来定位。其关键技术包括建立高精度地磁库、研制高精度磁力仪和研究高效算法[15，16]。

2003年，美国成功研制了纯地磁导航系统，其地面/空中精度优于30m、水下精度优于500m，并逐步用于巡航鱼雷和飞航导弹；俄罗斯的研究也遥遥领先，其中SS-19导弹成功应用了地磁等高线制导技术；芬兰也成功研制了移动地图系统（InDooRatlas），通过探测不同点的地磁场强度，为用户提供室内导航服务，在没有信号的地方也能实现导航服务。

3.5 Locata技术

通过地基无线电测距进行定位，Locata技术可以在广阔环境中为单点动态定位提供厘米级实时精度，在物理障碍环境中可提供连续信号覆盖的高精度定位。

Locata网络由多个地基收发器组成，采用时间序列扩频分析技术，在覆盖区内发送同步测距信号，不依赖其他导航技术即可得到高精度定位结果，既能单独使用，也能与其他导航技术组合使用[17]。美国于2014年公开发布了《Locata接口控制文件》，详细介绍了信号结构、传输协议等，并分析了与GPS的异同点[18]。目前Locata的时间精度可达2ns。

4 对我国PNT体系发展展望

PNT体系逐渐成为国家信息建设的基石。中国PNT体系需要从国家战略角度统筹规划，指导各种PNT技术的发展，构建科学合理的PNT体系，满足军民商等各方面的PNT服务需求。

综合分析美国PNT体系概况和未来潜在的PNT技术，中国PNT体系应以北斗信息为核心，以北斗时空基准为基础，综合利用各种潜在的PNT 技术，提高容错能力和误差补偿能力[1，19]。因此，天基PNT技术、地基PNT技术、组合惯导PNT技术、多元信息融合PNT技术等将成为我国PNT体系急需研究的发展方向。

4.1 天基PNT技术

天基信息是PNT不可或缺的首要信息源。我国天基PNT技术应以北斗系统为核心，兼容美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和其他区域卫星导航系统[20]。另外，天基PNT技术还应考虑各国的星基增强系统（SBAS，Satellite-Based Augmentation System），包括美国WASS、俄罗斯SDCM、欧盟EGNOS、日本MSAS、印度GAGAN 等。除此之外，低成本低轨卫星和通信卫星可以作为天基PNT信息的来源，其信号强度有利于提升天基PNT的服务能力。

综上所述，天基PNT体系的技术优势是信息多源化，但其技术难点包括：各系统信号不一致、坐标基准不一致、时间基准不一致。因此，如何利用天基PNT信息，设计信息兼容性强、互操作性强的天基PNT网是我国PNT体系亟待解决且必须解决的关键科学问题。另外，考虑到天基PNT信息容易被干扰，如何将各系统信息与抗差估计理论等方法相结合，研究天基PNT体系的完好性，最大限度的减少信号异常对系统的影响，是有待研究的问题。另外，在重视天基PNT空间段信息兼容的同时，应同步发展天基增强基础设施，同步开发各种军民商科用户终端及其应用产业，同步构建军民商科结合的天基PNT管理机构，及时发布国家PNT政策，有效地推动天基PNT体系的发展。

4.2 地基PNT技术

为了确保国家安全，满足用户在任何环境下的PNT需求，中国PNT体系必须研究天基PNT技术的备份、并采用综合PNT来解决天基PNT能力不足的问题。

地基PNT信息包括地基增强GNSS、伪卫星与其他地基无线电PNT服务信息。目前可利用的地基PNT 系统包括：多普勒导航雷达系统（Doppler navigation radar）、罗兰系统（ROLAN）、塔康系统（TACAN）、奥米伽系统（Omega）、伏尔系统（VOR）、阿尔法系统（Alpha）等[21]。但是，这些地基信息的利用范围小，只能作为区域PNT服务的补充。

对于我国地基PNT体系而言，移动通信网络、PNT云可以作为重要的信息源。如何统筹地基PNT 信息，发展兼容天基PNT体系、覆盖面广的全球无缝地基PNT服务是相当重要的一个研究课题。

4.3 组合惯导PNT技术

惯导技术自主性强，适用于地下、水下、深空等无线电信号不易达到的区域。鉴于其低成本、易集成的优点，以及误差积累明显、精度不高的缺点，近年来，我国惯导技术在组合导航领域取得了显著发展。

因此，惯导PNT技术与天基PNT技术相结合，利用天基信息的高精度时间源对惯导信息进行累积误差纠正，利用惯导数据弥补天基导航在物理障碍环境中信号弱的缺陷，发展天基惯导组合PNT技术，为我国军民商科用户提供高精度导航，是很有意义的一个研究方向。

4.4 多元信息融合PNT技术

利用未来潜在的PNT技术，量子导航、脉冲星导航、偏振光导航、地磁导航等信息，作为天基、地基等PNT技术的补充和备份，发展以北斗数据为中心、多元信息融合的PNT技术，以适应各种产业的导航需求，构建一体化全方位的PNT架构，是我国PNT体系建设的终极目。

5 结束语

本文分层次详细介绍了美国PNT体系概况，包括范围、策略和要素、构建方法及相关技术研究。随后综述了未来潜在的PNT技术，包括量子导航、脉冲星导航、偏振光导航、地磁导航、Locata技术等。最后总结得出我国PNT体系的发展趋势体现在天基、地基、组合惯导、多源信息融合的PNT技术等方面。

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