文|电子显微镜之鹰
一.概述
导航定位授时系统是为各类用户提供位置、速度、时间等关键时间空参数的基础系统，是国家信息基础设施的重要组成部分，在国防科技和国民经济发展的各个类别和领域发挥着重要作用，应用广泛。近年来，随着包括GPS、北斗在内的一批卫星导航系统的开发建设，PNT系统的构成越来越多样化，主要服务功能越来越强大。
但与此同时，随着现代PNT系统越来越依赖各种卫星导航系统，其固有的一些性能问题也逐渐暴露出来，对日益复杂的电磁环境下的可靠导航定位提出了更高的挑战。因此，开发一个综合的PNT系统，集成不同类型的PNT手段，并提供更好的灵活性和环境适应性，已成为一个紧迫和重要的命题。
二、弹性PNT体系发展的必要性分析
自上世纪以来，以美国GPS系统为代表的卫星导航系统一直是国防和国民经济各领域PNT信息的主要来源。虽然卫星导航系统具有覆盖范围广、导航精度高、全天候全天时运行等诸多优点，但随着技术的不断发展，卫星导航系统固有的脆弱性近年来也不断显现。从工作流程来看，世界各大卫星导航系统采用的无线电信号体制和定位测距方式都是相似的，即导航定位基本都是在开放的无线信道环境下，通过导航卫星向用户广播直接序列扩频信号的方式来实现的。所以有开放的频道、开放的信息格式、开放的信号频率、开放的编码方式、开放的用户群体等共同特征。这使得这些系统的运行状态和服务性能受到其所处环境的极大影响，特别是在复杂的战场条件和恶劣的电磁环境下，卫星导航系统容易被干扰、切断和欺骗的问题变得非常突出。
从系统组成来看，由于卫星导航系统一般由空段、地面段和用户终端组成，因此空段的导航卫星出现故障是不可避免的。欧洲之前的伽利略系统曾经因为卫星异常而中断导航服务。由于卫星导航信号的功率较低，电磁空中的各种干扰和欺骗都可能使导航信号异常，对电力、通信、军事、金融等核心用户的导航、定位、授时应用产生不可估量的影响。同时，卫星导航系统的运行完全依赖于地面段的运行和控制管理。当地面部分受到影响时，整个系统可能会瘫痪。
因此，卫星导航信号固有的脆弱性将使依赖卫星导航的各类军事装备平台和系统难以获得有效的PNT信息支持，从而无法实现预定的作战任务。因此，为了确保PNT系统的安全性、可靠性和稳健性，不应仅将当前的卫星导航系统视为PNT信息的唯一来源，而应在加强卫星导航系统稳健性的基础上，开发多种互联互通、有效互补的导航、定位和授时技术，形成具有足够灵活性的PNT系统。
鉴于上述原因，目前，国外关于建设弹性PNT系统的相关工作已经启动。其中，美国做了比较完整的研究工作。2020年4月8日，美国国土安全部发布了一份名为《GPS的PNT备份和补充能力》的报告。该报告关注美国的PNT需求，确定备份或补充能力的缺口，并提出一系列建议，以增强基础设施的灵活性和应对GPS服务的中断。报告明确指出，PNT服务中断会带来巨大的经济损失、时间延迟和功能失效，关键基础设施的定位导航需求是多样化的，包括GPS在内的单一系统无法满足所有用户的需求。
因此，报告明确指出:联邦政府应鼓励采用多源PNT服务，鼓励关键基础设施所有者和运营商采用多元化的PNT系统，以分散目前集中在GPS等广域PNT服务中的风险。PNT系统、资产和服务必须具有固有的安全性和弹性特征。使用PNT服务的关键基础设施系统必须能够在不受干扰的情况下运行，并能够识别和响应异常的PNT输入。
在此基础上，美国提出建设国家PNT系统，依托其GPS系统的现代化，辅以自主导航和各种可用的导航信息源，重点满足更高精度和完整性的要求，增强物理屏蔽、电磁干扰等复杂环境下安全、可靠、实时的PNT能力。在国家安全办公室空的领导下，美国国防部和交通部联合发布了国家PNT系统实施计划，制定了2025年前国家PNT系统建设路线图，并向国防部相关下属机构和交通部、商务部、内政部等31个联邦机构分配了任务。
三、发展柔性PNT系统的主要进展
严格地说，目前国际上对弹性PNT系统还没有一个完整的权威定义。从应用前景来看，柔性PNT系统旨在综合利用现有的各种导航、定位和授时基础设施和技术手段，在综合集成的基础上，形成比单一导航手段更加可靠、安全和鲁棒的导航、定位和授时系统。从目前情况看，世界上发展弹性PNT体系的主要进展包括:
一是逐步采用新技术体系，不断提高卫星导航系统的可靠性和安全性。
主要包括:
1.升级现有的导航系统基础设施。以GPS现代化为主要代表。
目前，美国GPS的现代化升级进程已经启动，其主要手段包括:
1)空升级。由于许多GPS卫星是在上个世纪发射的，它们已经达到或接近其使用寿命。为了更新导航卫星，承载更强大的导航信号和服务，美军积极进行相关导航卫星的退役和补充工作。自2005年以来，美军已完成20多次发射任务，成功将8颗BlockIIR卫星和12颗BlockIIF卫星送入轨道，完成了现代化计划的第一步和第二步。这些卫星在原有下行信号的基础上增加了军用代码、第二民用信号和第三民用信号，进一步提高了导航信号的服务质量。此外，美国军方正在全力研发和生产下一代，即第三代GPS卫星——GPS ii。
作为新一代导航卫星，GPSⅲⅲ计划制造36颗卫星，包括A、B、c三种类型，其中GPS ⅲ a卫星12颗，GPS ⅲ b卫星8颗，GPS ⅲ c卫星16颗。GPS ⅲ A卫星的主要任务是提高定位精度，扩大信号覆盖范围。这种卫星承载L1频点上的第四种民用信号广播，以实现未来与其他卫星导航系统的兼容和互操作。GPS ⅲ B卫星的主要任务是增加星间链路的负载。卫星上装有4个反射面天线，可以实现注入报文和卫星测控数据的星间传输，从而保证在地面测控和注入部分失效的情况下，星座的自主运行能力，提高系统的生存能力。GPS ⅲ C卫星的主要任务是提高军用码的性能。该类卫星计划配备大功率点波束传输系统，可将局部地区的军码功率提高100倍，实现指定区域的点波束增强应用，从而提高GPS对重点战区的服务可用性。
2)地面运输管制科升级。目前，美国空陆军正在加速研发和部署新一代GPS地面系统，即GPSOCX。新一代GPSOCX是一个性能更高的实时运行系统，可以为军事、商业和民用用户提供安全、准确、可靠的导航和授时信息。OCC控制部分将增加系统容量并支持新的GPSIII卫星。与上一代地面运行控制系统相比，新一代GPSOCX计划提供了巨大的性能升级，大大提高了整个系统的性能和效率，主要包括:
采用新的卡尔曼滤波器提高所有用户的精度；
解除GPS星座卫星数量上限，允许更多卫星参与运行；
将指挥和控制GPS III、GPS IIIF卫星和早前发射的GPS卫星。OCX具有更强的网络安全性、信号强度、准确性和抗干扰能力，可以有效减少地面运行调度员的数量和工作量。
建造中的GPSIII卫星
此外，新一代OCX将更加重视信息安全能力。据悉，美国雷神公司研发的下一代GPSOCX已于2018年11月完成了严格的网络安全漏洞评估，测试了系统抵御内外网络威胁的能力。系统100%执行国防部8500.2“纵深防御”信息保障标准，建立分层防御，将所有信息保障需求纳入系统。在所有测试中，系统
2.不断提高多星导航的兼容性和互操作性，提高导航定位的鲁棒性。
目前，随着卫星导航系统的日益增多，卫星导航信息的可用来源也越来越广。因此，通过加强兼容性和互操作性，各大卫星导航系统可以有效改善观测和定位的几何分布，提高全球任何区域的定位精度，增强全球导航服务的可用性。在单个系统由于自身原因服务性能下降的同时，多个系统可以有效互补，使用户的导航定位服务质量得到基本保障。
多个系统之间的兼容性和互操作性必须基于信号的物理兼容性。目前，中国北斗卫星导航系统已初步实现与GPS的兼容和互操作，并兼容俄罗斯GLONASS。它正在与美国协调北斗B2A信号和GPS L5信号之间的互操作性。美国新一代GPS卫星可以广播L1C信号，俄也计划在新一代GLONASS卫星上增加L1C、L2OC等信号，以增强与其他系统的兼容性和互操作性。
第二，积极发展多种独立于GPS的导航技术，保证关键基础设施在GPS失效情况下导航定位的可用性。
2020年2月12日，美国总统川普签署了题为“通过负责任地使用PNT服务增强国家复原力”的总统行政命令，旨在确保在美国PNT服务无法使用的情况下，基础设施仍能正常运行。该行政命令明确指出，美国有14个关键基础设施区域严重依赖GPS提供位置和时间信息。因此，联邦政府必须积极开展不依赖于GPS的导航和定位计时技术的研究，必须鼓励关键基础设施所有者和运营商负责任地使用PNT服务，并鼓励PNT基础设施扩展到GPS之外。
2020年8月，美国政府申请4亿美元预算，重新部署增强型罗兰系统作为GPS备份，这是GPS以外的PNT基础设施的扩展方案。基本思路是:一方面发展独立于GPS的技术和应用，另一方面部署以eLoran为代表的备份导航系统，该系统源于美国海军建造的罗兰导航系统。由于大功率低频信号，对地形和建筑掩体有很好的穿透能力。在此基础上，eLoran进一步扩展了其地面基站和其他组件。由于使用大功率低频无线电信号，其信号几乎不会被阻断，可用性据说达到99.999%以上，可以满足大部分生命安全相关服务的使用需求。
增强的罗兰系统框架
与此同时，DARPA等美国预研单位也在积极布局各种不依赖GPS的前沿探索项目。他们的主要内容包括原子、光学、惯性、电磁定位等领域寻找在一定条件下可以替代GPS的多种技术手段。需要注意的是，目前DARPA开展的很多相关研究还处于起步阶段，离工程应用还有一定距离。此外，其他导航技术的精度、覆盖范围和全天候性能与GPS相比仍有一定差距。
第三，积极开展各项研究，迎接航海战带来的挑战。
1997年，美军正式提出了“导航战”的概念，并将其定义为:阻止敌方使用卫星导航信息，确保己方及盟军能够有效使用卫星导航信息，同时不影响战区外和平使用卫星导航信息。作为导航战的主要目标，GPS等全球卫星导航系统正在积极研究各种防御对策，以确保其在未来导航战中的安全可靠运行。主要包括:进一步优化系统的信号系统设计，针对军事用户的实际需求，提高信号的防篡改、防破译和抗干扰能力；进一步提高各类导航终端的抗干扰能力，采用自适应干扰抑制、射频检测、组合导航等多种技术。确保各类终端能够及时发现并上报潜在的恶意干扰。目前，主要的GPS抗干扰手段和技术包括:
目前，美军根据不同军种用户对GPS用户终端的不同需求，设计不同类型的用户终端，以增强客户端的导航对抗能力。美国陆军航空兵空和导弹司令部导弹研究、发展和工程中心已经为各种导弹和火箭开发了一种小型廉价的GPS接收天线。接收天线可以抵抗各种类型的GPS干扰信号，如连续波、宽带噪声和脉冲。洛克希德·马丁公司和罗克韦尔·柯林斯公司研制了一种特殊的抗干扰GPS接收机G-STAR，它采用数字信号处理技术过滤和抑制各种干扰信号。自适应技术可以在抑制干扰信号的同时自动指向GPS卫星的波束。
此外，军用M码接收机也在研制中。由于先进的加密信号设计，M码接收器可以直接获得M码，而无需首先捕获C/A码。这对于GPS制导的快速反应武器尤为重要。此外，先进的数字波束形成技术也使其具有更强的抗干扰能力。2018.美国空陆军生命周期管理中心选择罗克韦尔柯林斯公司提供其最新一代数字GPS抗干扰接收机。据该公司称，DIGAR将为美国空陆军国民警卫队和美国空陆军预备役F-16战斗机提供高度可靠的导航，这些战斗机具有无与伦比的GPS威胁防护水平，在复杂的电磁环境下提供可靠的GPS导航数据。此外，2019年，美国陆军也选择了这家公司，为基于DIGAR的美国陆军下一代车辆提供可靠的定位、导航和定时扩展。
此外，GPS卫星采用的信号系统在其现代化过程中也在逐步升级，以提高信号的鲁棒性和抗干扰能力。一方面使用了最新的军用码/M码。这种扩频码首次搭载在GPSBlock IIR卫星上，是同时在L1和L2频点上广播的一种新型军事信号。与之前的P码不同，M码无需粗捕获码辅助即可实现自主定位，将是未来十年美军及其授权用户的主要军事信号。此外，低密度压缩编码等先进编码技术相继使用，在相同发射功率下具有更强的抗干扰和纠错能力，这意味着在遮荫、室内外车辆等弱信号条件下，定位能力和可用性将大大增强。
第四，继续加强原有陆基无线电导航系统的建设。
由于陆基无线电导航系统建设时间长，发展经验丰富，关键设施保障条件相对较好，有望成为卫星导航系统的有益补充。因此，随着近年来卫星导航技术的快速发展，美国等国家从未放弃传统陆基无线电导航系统的建设和维护。美国2015年颁布的《国家PNT弹性与安全法案》提出，建立陆基PNT备份系统，作为GPS系统的必要补充，确保在GPS信号受损、衰减、不可靠或不可用时，军民用户仍能获得安全可用的PNT信息，维护国家安全和利益。除了美国，俄罗斯等国家也非常重视陆基无线电导航系统的开发和建设。2019年10月，俄罗斯和独联体成员国代表在莫斯科发布了2019-2024年独联体无线电导航发展规划，重点阐述了无线电导航系统的主要要求、现有各种无线电导航系统的主要特点、未来发展方向、技术发展和提高系统性能的主要途径。
目前，主要的陆基无线电导航手段包括:
伪卫星技术。由于GPS信号可能会被电磁信号或友军或敌军的天然障碍物降级或拒绝，美国陆军希望通过地面或近地无线电发射机广播GPS信号来建立伪卫星系统，以支持和增强GPS信号，提高态势感知能力，从而提高任务指挥的效率和效果。在GPS信号中度衰减的环境下，伪卫星系统有助于捕获GPS卫星信号。在严重恶化的环境中，伪卫星系统可以用作定位和定时源。当GPS可用时，伪卫星系统将根据GPS信号获得更精确的位置、速度和时间信息。当GPS信息不可用时，伪卫星系统使用其自己的新定位几何向服务区域中的用户提供基于伪卫星的相关导航和定位定时信号。
欧米茄导航系统。Omega系统是一种远程双曲线导航系统，于20世纪70年代末投入使用。这是第一个完整的全球导航服务系统。该系统虽然具有服务覆盖面大、具备一定水下导航能力等特点，但由于定位精度相对于GPS较低、定位系统复杂等原因，一度处于封闭状态。
罗兰导航系统。第二次世界大战期间，出于军事需要，美国海军需要一个覆盖范围比以往任何时期都广的导航系统。罗兰导航系统应运而生，工作频率1.75 ~ 1.95 MHz，设计有效范围1120 ~ 2240km，定位精度800 ~ 1600米。由于罗兰系统采用了当时先进的脉冲系统，因此具有较高的定位精度。2010年，美国政府曾一度停止罗兰系统的运行和维护。2013年，在美国海岸警卫队的努力下，美国重启了罗兰系统的运行，并在原站的基础上安装了增强型罗兰站，形成了前述的增强型罗兰系统。增强后的罗兰系统将时间系统完全同步到UTC时间，定位精度有了显著提升，定位误差降低到20米以内，可以满足一些海上高精度导航定位的要求。
三。摘要
灵活的PNT系统是建立更安全、更可靠的导航服务基础设施的关键手段。从目前的发展情况来看，建设灵活的PNT系统的关键是寻找多源GPS的替代手段，发展多种新型导航技术，促进各种导航技术的综合集成。随着我国北斗卫星导航系统的建成和应用，新PNT系统的建设步伐将继续加快。
