美国PNT整体规划和体系结构研究

刘栋梁，陆 静，林海波，高 洋，王亚龙

美国PNT整体规划和体系结构研究

刘栋梁，陆 静，林海波，高 洋，王亚龙

（中国航天标准化研究所，北京 100071）

在梳理美国PNT整体规划文件成果的基础上，分析概括了美国PNT体系结构的研究背景、愿景和战略，描述了演化体系结构、原样体系结构和目标体系结构三种PNT体系结构，重点阐述了目标PNT体系结构视图、策略和指导原则，可为我国的国家PNT体系结构研究和建设提供重要参考。

PNT；体系结构；导航；定位；授时

0 引言

当前，作为各国军事作战力量获取定位和授时信息的核心装备，卫星导航为作战单元提供定位授时信息，保障其具备有效导航、精确制导和联合作战的能力。而当前全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的干扰手段呈现大功率、密集化、欺骗化的发展特点，因此完全依赖天基导航系统难以保证在未来军事斗争中取得战场定位、导航、授时（Positioning，Navigation and Timing，PNT）优势。如何增强GNSS系统的PNT服务能力，甚至提供完全不依赖于GNSS系统实现的PNT服务能力成为未来发展的重点。

PNT是美国经济和国家安全所依赖的基础设施的组成部分，缺乏协调的国家PNT体系结构可能会导致更大的运营风险、不协调的研究工作和潜在的浪费性采购，并可能影响依赖PNT体系结构的其他系统。美国通过分析不同PNT体系结构的PNT能力，确定未来的美国PNT体系结构及其策略、指导原则，从而确保各种应用环境下PNT信息的可用性，实现维护美国在全球PNT领域主导地位的美好愿景。

1 美国PTN整体规划

美国于2006年起正式开展国家PNT体系研究与规划，这项历时数年的研究规划在军事领域的核心目的是：构建完整的军用PNT信息保障体系，促进新一代PNT能力技术发展，形成可靠的系统之系统（System of System，PNT-SoS）；保障美军各级作战部队与装备在未来协同作战环境中通过最适用的技术方式，包括全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、自主导航、战术通信网络及其他无线设施来获取连续、可靠、可用的定位授时能力。其最终目的是保持2025年期间内美军的全球兵力投送与作战能力优势。

目前美国PNT体系研究规划已形成至少六个阶段性文件成果，六份报告文件逻辑递进关系如图1所示。

图1 美军PNT体系规划文件逻辑递进关系

六份报告文件主要包括：

（1）2008年美国发布《国家定位导航授时体系结构研究报告》。报告基于PNT信息保障需求与发展规律，分析当前技术能力与未来能力需求之间的差距，给出技术能力发展建议，并提出了对定位授时自主性、抗扰性、时空基准网络广域覆盖性能力的宏观技术需求；

（2）2010年美国国防部与运输部联合发布《国家定位导航与授时体系执行计划》。全面接受了PNT体系规划建议，提出了宏观发展路线图，提出了基于共性需求和可互换解决方案的发展思路[1-4]；

（3）2013年美国陆军发布《GPS战术区域能力替代方案分析报告》。作为对《执行计划》的具体描述，报告开展了陆军在战术GPS失效环境下可用替代技术和集成方案的探讨与总结，单一的GPS已经无法满足作战需要，提出了针对不同作战任务的PNT具体需求，并强调通过不同的替代技术构建完整的军用PNT信息保障体系，形成可靠的PNT-SoS；

（4）2019年美国国防部发布《定位、导航与授时体系战略》。此战略与2010年《国家定位导航与授时体系执行计划》是一脉相承的，主要介绍了PNT体系的战略研究背景、政策法规、实现愿景、组织制度等。该战略主要指出要建立综合性的PNT体系结构，全面提升军用PNT技术，开发多源PNT能力，强调PNT体系军事应用，从而全面提升美军作战能力；

（5）2020年美国国土安全部发布《GPS的PNT备份和补充能力》。报告在2019年《定位、导航与授时体系战略》的基础上，再次强调和鼓励采用多源PNT服务，降低PNT服务中断所带来巨大损失的危险，并重点关注目前的PNT需求和备份补充能力建设，增强PNT基本设施的抗干扰能力[5-6]；

（6）2021年美国国家科学技术委员会发布了《美国国家PNT韧性提升研发计划》。该计划旨在提高关键基础设施韧性，解决PNT服务中断问题。这项国家研发计划符合美国国家PNT体系结构更广泛的愿景和战略需求，旨在提高美国PNT韧性，改进支持这一能力所需的大地测量基础设施。

2 PNT体系结构概述

2.1 研究背景

PNT对美国维护国家安全、经济运行和基础设施的高效稳定运行影响重大，然而在大多数情况下，其作用并不明显。从美国安全角度出发，PNT对于指挥、控制、通信的能力提升以及所有形式的精确作战（例如定位目标、对目标发射武器和提供后勤支持）至关重要；从国家经济角度出发，PNT在交通、通信、配电网络、应急响应操作和其他关键基础设施的运营中都发挥着关键作用。

从美国角度来看，起初，尚未有指导美国政府决定实施PNT服务或能力的现有体系结构。例如，联邦无线电导航计划、国家天基PNT五年计划仅涉及与无线电导航相关的PNT体系结构部分，它是PNT体系结构的重要组成部分，但只是其中一部分，并不指导其他PNT的能力。

《国家PNT体系结构实施计划》强调了实施、维护未来PNT服务所需的支持性基础设施的重要性，解决了2025年时间框架内预计存在的能力差距，并阐明了弥补这些差距的建议举措，旨在指导实现未来PNT能力建设，推动研究、分析和评估对PNT技术的开发、演示和实施，并提供一个协调的框架，为美国政府关于PNT的投资决策提供信息。

2008年，根据美国国防部要求以及相关多个民事机构建议，国防部长以及交通部副部长作为共同发起人，主持了一项关于美国PNT体系结构研究的项目，旨在通过研究2025年时间框架内不同PNT体系结构对未来PNT能力的影响，从而制定一个全面的美国PNT体系结构，作为发展未来PNT能力和支持基础设施的框架，提供更有效、更高效、更可靠的PNT能力。该项目得到批准后，项目组成立了一个国家PNT体系结构研究团队，由美国PNT利益相关方单位及组织组成，并由国家安全航天局协助开展相关工作，制定美国PNT体系结构的研究计划，并在后续不断出台和发布其他相关PNT体系结构相关文件，用于完善和指导实施[7-9]。

2.2 愿景

制定美国PNT体系结构的愿景是美国通过有效开发和部署全球可用的有效PNT能力，保持在全球PNT领域的领导地位。美国可以通过实施以下行动来实现这一愿景：

（1）通过制定和遵守相关政策法规，在资金承诺、绩效、提前变更通知等方面建立国内和国际信誉，从而实现商业部门创新，推进政府PNT能力建设；

（2）实现PNT能力信息共享，通过在整个范围内的PNT活动促进机构间合作，并与国家目标保持一致；

（3）最大限度地将技术应用到军事、民用、商业系统，整合可用信号，从而实现有保证的、更高性能的PNT解决方案；

（4）全面制定和应用标准和最佳实践，同时鼓励其他国家采用美国制定的标准和最佳实践[8]。

2.3 三种PNT体系结构

美国国防部和许多民用机构为PNT体系结构开发团队提供人力，该团队执行结构化流程，以识别和描述三种PNT体系结构：

2.3.1 演化体系结构

根据当前规划以及预期的支持技术进步，描述未来能力的演进基线（Evolution Baseline，EBL），经相关研究与分析，体系结构开发团队确定EBL不能满足所有未来PNT能力需求。

2.3.2 原样体系结构

原样PNT体系结构是当前事实上的体系结构，由外部提供的自主PNT源以及PNT增强组成，这些PNT增强为在空间、空中、陆地和海洋环境中运行的各种民用和军用用户提供PNT。PNT服务是由大量支持PNT能力的基础设施在面临频谱、天气、财政和地缘政治挑战的环境中提供的。

原样PNT体系结构的特点是广泛使用GPS、政府提供GPS增强、盈利商业GPS增强以及提供PNT服务的非天基系统。在过去几十年中，技术发展极大地提高了PNT能力。但美国政府认为，由于原样PNT体系结构没有完全解决这些能力差距，因此未来发展的能力差距将会继续扩大。

2.3.3 目标体系结构

目标PNT体系结构是通过促进最大公用数策略来增强美国在全球PNT中的领导地位，在这一策略中，许多用户的核心需求不是通过众多单独定制的系统来实现的，而是通过共同可用的解决方案得到有效满足。原样体系结构和目标体系结构之间的关系如图2所示，如果现在不采取行动来改进未来能力，则表示将按照未来PNT能力的演进基线体系结构发展。

图2 原样体系结构、演化体系结构和目标体系结构[2]

2.4 战略

总体的实施战略，一是要进行重点和协调的增量投资；二是要系统地改变PNT能力以及基础设施，从而消除能力差距，提高采办和运营效率。完善PNT用户设备、技术、管理结构，制定符合美国PNT体系结构战略和原则的政策，PNT体系结构实施需要协调研究、开发、测试和评估，从而实现保持美国在全球PNT领域的领先地位。

PNT体系结构的实施是一项跨机构行动，由解决PNT体系结构战略和原则的过渡元素组成。PNT体系结构过渡元素是必要的、短期的、可执行的任务，必须由机构间合作实施，从而实现将当前体系结构过渡到2025年的发展中的、更具能力的目标体系结构。确定近期开始的过渡要素，以便利益相关者组织制定详细规划，更加广泛地描述中期到长期开始的任务。该计划考虑到以前版本的经验教训，并为了能更好地反映PNT环境的变化，大约每两年更新一次[11]。

3 目标PNT体系结构以及基本原则

3.1 目标PNT体系结构

近些年来，美军定位技术严重依赖GPS，而骚扰、欺骗以及其他形式干扰的发生频度和严重程度都在日益增加，导致战车和军用载体的GPS工作性能降低，这会给军队带来风险。美国意识到了GPS的脆弱性，并开始重点研究PNT的补充来源，从而提高对安全至关重要的运输应用的适应性。美国还协调开展新技术的研究工作，旨在解决PNT在各种运输环境下对自动驾驶汽车等新兴应用的需求。

美国PNT体系结构是一个不断发展的框架，包含许多独立但相互关联的计划、系统能力、标准和政策。目标PNT体系结构是使PNT发展走上一条能够实现更可靠的未来PNT能力的道路，该结构符合美国在全球PNT中的领导地位的愿景，重点关注优先任务，并提供了一种分时间段的方法来支持体系结构建议的实施。美国敦促PNT利益相关方做出坚定和持续的承诺，在其职责范围内完成任务。在各部门和机构内部、各部门和机构之间积极协调地实施该计划，将有助于实现美国更可靠的PNT能力。

美国PNT体系结构主要满足了以下需求：

（1）在有物理障碍的环境中有可靠的实时PNT；

（2）在电磁干扰环境中有可靠的实时PNT（包括欺骗、干扰期间的操作）；

（3）更高的准确性和完整性（尤其是对于未来的公路和铁路应用）；

（4）当PNT信息降级或产生误导时及时通知（尤其是对于生命安全应用而言）；

（5）获取高空/空间位置和方向（包括实时高精度位置和方向信息）；

（6）用户可以访问及时的地理空间信息；

（7）在障碍条件下实现PNT建模功能以及在城市环境中预测影响的功能。

3.2 策略及基本原则

《国家PNT体系结构实施计划》通过实施最大公用数策略，为美国在全球PNT中的领导地位提供了结构愿景。在该策略中，许多用户的核心需求并非是通过众多的、单独定制的系统来实现的，而是通过外部提供的、通用的解决方案得到有效满足。美国PNT体系结构指导原则描述了实现目标体系结构的路径，如图3所示，包括美国在PNT中角色的总体愿景、实现愿景的结构策略和支持实现结构策略的完整指导原则[8]。

图3 PNT体系结构指导原则

3.2.1 最大公用数策略

实施最大公用数策略的紧迫任务包括：

（1）根据定期更新的计划实现GPS现代化，在新信号和PNT能力完全投入使用之前，将新信号和PNT能力纳入GPS性能标准；

（2）梳理PNT信息来源监测能力的现状、未来需求和不足（包括监测系统、最佳监测实践和标准），从而确定PNT监测系统的性能指标；

（3）建立通用方法，确定符合法定责任的流程，从而保证特定应用的高精度导航解决方案所需的PNT完整性水平；

（4）制定研究计划，审查PNT出口管制制度是否适合解决自主系统和集成技术问题，并将结果提交给美国国防部PNT工作组；

（5）制定PNT监控系统能力的评估框架，促进用户设备改进、开发和使用。

实施最大公用数策略将PNT用户和提供商结合为强大的PNT服务，弥补PNT差距和不足。现代化的GPS信号有助于在受阻碍的环境中使用，并反映在更新的GPS性能标准中，从而实现允许用户应用[12]。

同时也需要对PNT信号进行协调监测。如果计划使用一个信号，就应该监控它的性能，并适当地向用户传递该信息，这样有助于解决在提供降级或误导信息通知能力方面的差距。PNT错误会影响生命安全相关应用以及严重依赖可靠数据的军事行动，GPS的现代化最终将实现完整性改进，降低PNT错误的风险。为了支持新出现的PNT应用，需要对提供高精度和完整性的解决方案进行协调研究，促进用户设备改进、开发和使用，这将实现用户可以在受阻碍的环境中运行，并在PNT信息降级或误导时接收通知。

3.2.2 四项指导原则

四项指导原则分别是：多重现象学、可互换解决方案、PNT与通信的协同作用、合作型组织结构。

（1）多重现象学

多重现象学，即利用多导航源建立PNT系统，是指各种物理现象，如射频、惯性传感器和场景映射，以及使用这些物理现象的多种导航源，向用户提供可互换的解决方案。它还解决了在合并国外数据源相关的问题，并将地面、空中、天基和内部数据源混合为一个解决方案。美国PNT体系结构提倡使用多导航源建立PNT系统，来确保可靠性[8]。

实施多重现象学原则的必要任务是：识别当前的用户基本设施，确定使用伪卫星和信标的效率，并制定适当的作战概念和通信计划；梳理空间频率标准关键技术性能参数的演变，研究当前和未来的PNT能力，并适当开发；制定支持用户基本设施的标准，使用适当的检测算法，并符合国际公认的参考框架。

（2）可互换解决方案

可互换解决方案是指将来自多个数据源的信号组合成单个PNT解决方案的能力，以及在主源不可用时从替代源提供解决方案的能力。美国在国际论坛上发挥领导作用，建立清晰、合理的解决方案标准，以便高效、有效地利用各种PNT数据源。美国PNT体系结构的实施可以提供所需的灵活、及时、准确、可靠的PNT解决方案，满足用户需求。

可互换解决方案能够使用户充分利用来自多个导航源的数据，从而克服PNT能力中现有和未来的差距和不足。通过各种论坛和行业活动，制定准确和兼容的参考框架以及总体美国PNT标准，促进PNT互操作性，实现在受阻碍的环境中使用附加信号的可用性、完整性和一致性检查。适当的信息保证、信息交换和性能标准的开发，可以实现允许来自多个导航源的PNT信号在集成PNT用户设备中互换组合。除此之外，通用网格参考系统提高了互操作性，最大限度地减少了操作混乱，并降低了定位错误可能导致关键目标失败的风险[13]。

（3）PNT与通信的协同作用

数据通信网络通过承载PNT辅助和增强数据来支持PNT能力。利用用户日益增加的通信网络连通性作为PNT来源，是将PNT问题确定为PNT通信解决方案的潜在候选。在启动新系统和用户设备相关的开发项目之前，需要对具体标准和解决方案进行进一步研究、评估和分析，从而帮助用户确定通信PNT融合解决方案的合适位置。例如，用户可以通过提供额外可靠的PNT数据源来克服电磁或物理阻抗，还可以帮助地球轨道以外的导航，为降级信息的通知提供通信路径，传递地理空间信息。

（4）合作型组织结构

美国PNT体系结构需要机构间的协调与合作，从而确保PNT企业内的信息共享达到更高水平。建立协调流程，确保有效运作、高效获取以及相关科学和技术应用开发。加强建设企业级PNT建模和仿真能力，支持后续的结构开发工作[14]。

开展美国PNT体系结构相关活动，可以促进机构合作和信息共享，对于审查和评估体系结构目标的进展和成效非常重要。美国PNT活动中心将把工作重点放在PNT相关的科学和技术上，同时确保PNT项目办公室了解替代技术的性能和成本。此外，体系结构建议开发企业级PNT建模和仿真。实施合作型组织结构原则所需的、可执行的任务包括：继续协调改善国家PNT、维护和完善美国PNT体系结构实施计划、开发企业级建模与仿真框架、协助PNT活动中心开展相关工作。

4 结束语

PNT是国家安全、基础设施和繁荣的组成部分，协调的PNT体系结构可以更好地协调研究工作、建立明确的开发路径、减少潜在的浪费性采购、资源的高效利用。本文在梳理美国PNT整体规划文件成果的基础上，分析概括了美国PNT体系结构的研究背景、愿景和战略，描述了演化体系结构、原样体系结构和目标体系结构三种PNT体系结构，重点阐述了目标PNT体系结构视图、策略和指导原则，可为我国的国家PNT体系结构研究和建设提供重要参考。

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Research on Overall Planning and Architecture of PNT in the United States

LIU Dongliang, LU Jing, LIN Haibo, GAO Yang, WANG Yalong

On the basis of combing the results of the overall PNT planning document of the United States, the research background, vision and strategy of the PNT architecture of the United States is analyzed and summarized, three PNT architectures: evolutionary architecture, original architecture and target architecture is described, and the view, strategy and guiding principles of the target PNT architecture is focused on, It can provide an important reference for the research and construction of national PNT architecture in China.

PNT; Architecture; Navigation; Location; Time Service

TN910.0

A

1674-7976-(2021)-06-424-06

2021-10-20。

刘栋梁（1993.12—），河北保定人，硕士，工程师，主要研究方向为航天器总体、卫星导航等方面的标准化。