张风国,张红波

(中国电波传播研究所,青岛 266107)



美国PNT体系结构研究方法

张风国,张红波

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

摘要：在深入研究《美国国家PNT体系结构研究报告》和《美国联邦无线电转型计划》的基础上,本文分析概括了美国国家PNT体系结构的研究方法,包括体系结构研究范围、愿景和策略的确定,数据收集方法和内容、权衡空间的建立方法、典型和混合PNT体系结构的研究和评估,在此基础上,提出了目标PNT体系结构,可为我国的国家PNT体系结构研究和建设提供重要参考。

关键词：PNT；体系结构；导航；定位；授时

0引言

体系结构是指系统的组成及其相互关系,以及指导系统设计和发展的原则和指南。国家PNT体系结构是指能够提供满足各类用户对定位、导航和时频信息需求的国家层面的体系结构。 它是国家重要的基础设施,在军事、科技、经济及人们日常生活中,发挥着越来越重要的作用。

美国国家定位导航与授时(简称PNT)体系研究项目,是由负责网络与信息集成的国防副部长、负责政策制定的运输部部长及国家天基PNT执行委员会共同指导实施的。联邦政府组建体系结构研究小组(ADT),负责数据收集、技术分析预测、评估和提出建议。远景目标是:提高PNT能力,消除PNT能力需求和当前PNT体系能力之间的差距,确保各种应用环境下PNT信息的可用性,维护美国在全球PNT领域的主导地位。

1研究背景

回顾GNSS发展史,当初美国和苏联出于冷战对抗的需求,各自从军用的角度建设了GPS和GLONASS系统,但星座布控、信号体制和地面测控方面存在明显区别,未考虑多GNSS系统的兼容与互操作等问题。从北斗二号系统、伽利略系统和GPSIII等系统开始,进入第二代全球卫星导航系统阶段,该阶段注重PNT系统体系研究,以实现全球可用的全空间(天空地水)无缝隙PNT能力。

随着卫星导航系统的不断发展和广泛应用,其易受干扰和遮挡等脆弱性问题逐渐显现,难以满足军民各类用户的需求[1],为此,各类针对卫星导航系统的辅助和增强系统或者区域替代系统不断涌现,各自发展。此外,大量的独立于GNSS的PNT新技术层出不穷。这些PNT系统大多是针对特定的用户或者某个专门的领域而开发研制的。数量庞大且种类繁多的PNT技术发展态势,造成了研究工作的重复、PNT资源的浪费以及各种PNT系统和装备之间无法兼容等问题,且仍然存在某些用户的PNT信息需求无法得到满足的情况。为此,美国国防部和运输部于2006年联合发起了一项“国家PNT体系结构研究”项目,目的是“制定一个全面的国家PNT系统体系,到2025年左右为美国提供更加有效和高效的PNT能力,并为政府提供的各种系统和服务探索一条渐进的发展道路”,作为未来PNT能力发展及相关支持设施的发展框架。

体系结构框架是体系结构开发应遵从的规范,规范化的体系结构设计方法是需求和技术推动的共同结果。从C4ISR(指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察)开始,美国国防部重视体系结构技术研究,于1996年和1997年发布了《C4ISR系统体系结构框架》1.0和2.0版本,推出后迅速成为美军C4ISR系统的体系结构设计的强制性指导文件。在此基础上,美国国防部扩大其涵盖范围,先后推出了《国防部体系结构框架DODAF》1.0版本、1.5版本和2.0版本,成为指导国防部所有系统体系结构设计的指导性文件,使军队的C4ISR系统、武器系统、乃至国防部业务系统的体系结构设计走上了统一、规范的发展道路,实现有序的资源共享,可更广泛地为决策者和管理者提供参考和支持,提高关键决策能力。

2美国PNT体系概述

2.1范围

从范围上讲,美国国家PNT体系结构是国家层面的,包括国防部、情报部门以及支持美国全球利益的民用、商用和国际用户以及相关PNT系统。具体包括,陆基和天基PNT信息提供者、自主PNT数据源、可作为PNT数据源的通信和数据网络、陆基和天基用户、研发部门,以及提供或组织协调PNT数据源的美国政府机构[2]，如图1所示。

图1　美国国家PNT体系结构范围

2.2过程

根据国家PNT体系现状和未来PNT需求目标,国防部多个部门和民间机构组成的结构开发小组(ADT)最终确立了三种PNT体系结构,即当前PNT体系结构(As-Is)、演化PNT体系结构(EBL)和目标PNT体系结构(Should-Be)。

当前体系结构包含了当前的各种PNT能力组合。演变基线体系结构是根据当前的规划和预期的支撑技术可以达到的未来PNT能力。ADT认为,演化体系结构无法满足未来所有的定位导航授时能力需求。ADT构建的目标体系结构,描述了可满足未来PNT能力需求的长期愿景,可以消除出现的能力缺项，如图2所示。

图2　当前体系结构、演化体系结构和目标体系结构

2.3愿景

美国国家PNT体系结构的愿景是,通过开发和部署在全球可用的、有效的PNT能力,保持美国在全球PNT领域的主导地位。为此,美国应该采取如下措施:

1) 制定稳定的政策并严格遵守,赢得国内国际双重信任,使商业部门通过竞争活动实现PNT领域的创新和进步;

2) 促进不同机构在PNT领域方面的合作,以协调的方式提供定位导航授时能力,实现信息共享,与国家目标保持一致;

3 )充分合理利用军用、民用、商用以及国外系统和技术,集成更多可用信号,形成可靠的最佳定位导航授时方案;

4) 制定科学合理全面的标准,同时鼓励其他国家采用或遵守美国的定位导航授时标准。

2.4策略和要素

国家PNT体系结构通过"最大公用数"策略实现PNT体系结构愿景,提供能有效满足大部分用户需求的标准方案，如图3所示。该策略可以促进美国GPS现代化,为全球无数用户提供更多的PNT服务。该策略还把体系结构的重点放在广泛采用低负荷(尺寸、重量、功率和成本等)的自主特征上,以克服自然干扰和电磁干扰。此外,当标准解决方案失效时,该策略可提供专用的解决方案。最后,美国必须在国家安全与提供更多共用能力之间制定平衡策略。

图3　PNT体系结构指导原则

用于支撑国家PNT体系结构愿景和策略得以实现的四个要素包括多模集成方案、可互换方案、PNT与通信的融合、合作型组织结构。针对“最大公用数”策略和四个要素,ADT提出了19条实施建议。

3美国PNT构建方法

美国PNT体系结构研究遵循从美国国家空间安全办公室(NSSO)的标准体系结构开发方法衍生出的方法,如图4所示。此方法是利用从系统工程基本功能提炼的信息来构建体系结构,具体过程和内容包括:数据收集、概念设计、分析和评估等,同时相关领域专家参与整个过程以给出解决体系结构问题的方案。

图4　累积式的PNT体系结构开发过程

在数据收集基础上,国家PNT体系结构构建方法分四步进行:

1) 识别和提取PNT分类标准,构建体系结构权衡空间;

2) 典型PNT体系结构设计与评估,分析权衡空间的不同区域;

3) 混合PNT体系结构设计与评估,包含整个PNT领域的技术、系统及用户,为构建“目标”PNT体系结构获取更多知识;

4) 最终形成美国国家PNT体系结构以及支撑建议。

在体系结构开发过程中,权衡空间、典型PNT体系结构和混合PNT体系结构的分析和评估是经过反复讨论而确定的。在此基础上,结合应用需求,不断分析评估和完善,螺旋迭代式上升,最终形成“目标”体系结构的策略和相关建议。

3.1数据收集

数据收集的目的是在开始体系结构开发之前,正确评估PNT体系的功能需求、预期目标和PNT体系核心基石。ADT吸纳了军用、民用、商用和国家安全等各领域专家,收集PNT体系结构需求、功能、可用技术等方面的信息。

数据收集工作是收集与“目标”体系结构构建任务有关的信息。目标体系结构是面向未来的PNT体系,因此,ADT需要分析未来美国国家安全环境,并预测该环境下的PNT服务威胁和用户需求。为此,ADT划分四个小组,分别承担了未来环境、用户需求、风险管理、能力缺项、技术评估、演化基准、成本信息、企业信息等数据收集任务。

1) 未来环境预测

ADT广泛收集、评估和分析了涉及未来环境的相关文档,包括:PNT服务愿景、DoD转型文档等。ADT预测的发展趋势包括:PNT能力将更深入地集成到国防、情报及民事应用系统中;PNT解决方案需要提供恶劣使用环境下的PNT能力;RF电磁频谱环境将日益恶化,需要大力发展自主PNT能力;全球人口数量、密度、财富等因素会极大地促进PNT体系的应用发展。此外,相关的制约因素还涉及地缘政治、经济实力、科学技术等方面。

2) 用户需求分析

ADT小组收集整个PNT领域用户的当前需求以及可能的未来需求。显然,许多用户拥有相同的需求,同时大量用户具有特殊的需求。然而,同时满足所有用户在任何环境下的全部需求将是极端困难和昂贵的。图5所示是不同空间和不同领域的PNT用户数量统计结果。

图5　PNT体系用户数量统计

3) 风险管理

PNT体系结构开发工作包含风险管理过程,尽量避免潜在不可接受的风险,在处理风险时采用预定响应措施。在RA开发过程中,ADT识别出潜在风险并对其开展初步分析,然后为每一个混合体系结构编制一个风险概率表。在设计体系结构过程中剔除风险过高的概念和措施,将分析识别的风险进行归类,以便在后续工作中考虑如何进一步减缓该风险,制定相应的应对措施。

最终ADT小组确认的性能风险包括星图和参考框架更新、MEMS IMU(INS)研发、CSAC研发、网络信息安全、PNT中通信网络的使用、网络集成和互操作、多传感器融合、信标标准、增强系统辅助的GNSS性能、GPSIII性能水平、非美国的GNSS性能和可靠性;计划风险包括美国政府领导和组织结构、信标、网络(CELL)可用性和集成、网络信息安全、UE集成、从研发到产品和市场的转化能力;接受能力风险包括:美国领导地位、国家接纳程度和协作政策。

4) 演化基准组成要素(如表1所示)

5) 能力缺项

ADT总结出的几个主要的能力缺项如下:

物理障碍环境(包括市区、山区、森林、地下、水下等)中的实时PNT能力;

电磁拒绝环境(包括人为干扰和自然干扰等)中的实时PNT能力;

具有完好性的高精度PNT能力;

当PNT性能降低或者失效时,及时的信息通知能力;

高高度/深空的实时定位和定姿能力;

用户及时获取导航所需的地理空间信息能力。

ADT的技术评估小组调研了潜在的新技术,主要考虑技术成熟度在三级以上的新技术。ADT调研的新技术中,大部分集中于实现高精度定位、定姿、授时和频率控制能力的自主PNT方案。因为当前PNT体系结构主要是基于RF信号实现的,而GNSS的多数能力差距和缺陷是由于环境的信号衰减或系统所采用的频率上的多路径效应造成的。

表1　演化基准体系结构组成要素

6) 成本和企业信息

成本信息收集工作的目标是建立一个财务信息架构,因此,成本数据是ADT理解和掌握潜在成本和成本驱动所必需的信息。

商业与企业被视为创新领域的关键驱动力,远大于政府所起的作用。企业信息主要给出了企业对PNT领域的观点。

3.2建立权衡空间

在综合考虑了PNT系统的各种因素(体积、功耗、成本、位置、范围、自主性、信息更新速率等)的基础上,ADT概括提取了三个权衡轴,用于划分各种PNT技术与系统并描述它们之间的差异;提出了一个体系结构权衡空间,如图6所示。在权衡空间内探究全部潜在PNT解决方案,并设计相应的体系结构。此外,ADT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,作为典型体系结构开发的基础支撑信息。

图6　体系结构权衡空间

为了分析评估不同的典型PNT体系结构,ADT提出了反映PNT体系结构特性的能力评估准则,包括互操作性、一致性、适应性、健壮性和可持续性,并将每种特性划分为五个等级,便于采用专家打分制进行评估。

互操作性被定义为系统、单元或者组织向其它系统、单元或组织提供服务或者接受来自其它系统单元或者组织服务的能力;一致性的定义是以前后一致的方式提供信息和数据的能力,这种方式在整个大区域/国家/世界范围内对用户是透明的;适应性是指为了适应外部调整而不必修改底层体系结构的能力,这些变化主要包括任务、费用、需求、能力、政策、敌对活动、技术、威胁和世界环境的改变;健壮性是指PNT体系可在任何时间任何条件下提供连续的PNT服务的能力;可持续性是指维持系统持续正常运行的能力。

3.3开发和评估典型体系结构

为了理解和分析某一类型PNT技术或系统的优缺点以及对体系结构权衡空间不同区域的贡献或作用,ADT开发和评估了六个典型PNT体系结构(RA),每一个RA集中于权衡空间的一个特定区域,描述分析该权衡区域的PNT解决方案。

ADT开发和评估RA的主要目的是进行深入研究,发现趋势和确定关键特性,以便开发合理折中的混合结构。ADT考虑了每一个RA满足用户需求而应具备的条件,特别是已概括的PNT能力缺项。

ADT对各典型体系结构解决PNT能力缺项的能力以及互操作、适应性、鲁棒性和持续性等特征指标进行评估。RA评估结果分五个等级,并通过打分制来实现。

3.4开发和评估混合体系结构

在充分考虑PNT的核心要素的基础上,ADT开发了三种混合体系结构。与RA不同,混合结构并不人为的限制在权衡空间的某部分内,相反,每一个混合架构合理而广泛地集成了跨越整个权衡空间的概念和技术。它注重高效的满足用户需求以及克服PNT能力缺项的实现。混合体系结构是通过集成涵盖不同类型的PNT系统概念和技术来满足用户未来PNT需求。

混合架构的组成要素都是从RA分析和评估结论中得出的架构“组件”集合中提取的。除演化基准体系结构之外,三个混合体系结构如下:

1) 最大公用数体系结构,重点考虑采用具有依赖性的大范围的播发式服务,旨在保证PNT用户端的低负担条件下实现更多公用能力。

2) 以网络为中心的最大公用数PNT体系结构,重点在于利用各种类型的通信网络促进PNT体系各要素之间的协作和融合,以提高PNT能力。

3) 可接受的最小公用数PNT体系结构,其核心思想是通过增加PNT用户端负担,为用户提供定制化的多种自主导航方式的集成方案。

充分考虑了评估组对混合结构的14 000条评估意见,借鉴了专家组对各种场景和应用案例的打分情况,ADT从中提炼了初步结论和建议,为构建目标体系结构奠定基础。

4未来国家PNT体系结构

国家PNT体系结构通过“最大公用数”策略来实现美国在全球PNT领域的主导地位,即通过提供外部公共方案有效满足大多数用户的核心需求。该策略还把体系结构的重点放在广泛采用低负荷(尺寸、重量、功率和成本等)的自主特征上,克服自然干扰和电磁干扰。当标准解决方案失效时,该策略可提供专用解决方案。此外,美国必须继续平衡国家安全与提供PNT能力之间的关系。

美国国家PNT体系结构愿景和策略由四个体系结构向量支撑,它们一起形成国家PNT体系结构的完整指导原则:

1) 多模集成方案——最大程度上使用多模集成方法以确保鲁棒的可用性。

2) 可互换方案——寻求可互换方案以增强PNT服务的有效性并探索PNT源的多样性。

3) PNT和通信的融合——寻求PNT与新的或现有的通信能力的融合。

4) 合作型组织结构——促进机构间的协作,确保必要的信息共享。

4.1美国国家PNT体系结构愿景

国家PNT体系结构的愿景是保持美国在全球PNT领域的主导地位,这源自美国国家空基PNT政策。为满足政府机构的PNT服务信息需求,美国将高效地发展PNT能力,避免冗余服务;在国内外保持稳定的政策,提高可信度,促使商业部门能够通过竞争进行创新和提高PNT能力。美国政府机构将以和谐的方式促进PNT体系所涉及的机构间的合作,来提供PNT服务,实现信息共享,展现美国的统一策略。美国还应充分利用军事、民间、商业和国外系统技术,集成更多的可用信号以获得有效可靠的PNT解决方案。最后,美国应开放式地制定PNT标准并鼓励其它国家与美国保持一致。

4.2“最大公用数”策略及支持建议

美国国家PNT体系结构采用"最大公用数"策略来实现体系结构愿景。在这种体系结构中,用户主要依靠外部信号源的定位导航授时信息,使"更多"能力满足更多用户的相同需求。GPS已经实施了现代化策略,为所有用户提供多个频率的信号,消除了电离层误差。此外,该体系结构还建议采用低负载的自主系统,提供物理遮蔽环境和电磁拒绝环境下的PNT能力。该体系结构允许专用解决方案的继续存在,具体建议如下:

1) 将GPS作为国家PNT体系结构的基石。

2) 监测各种PNT信号,确认服务等级,观测环境效应,探测异常,识别干扰信号并近实时分发监测结果。

3) 随着GPS现代化和其它导航技术的发展,PNT机构应转变或者废止冗余的GNSS增强系统。

4) 继续研究可提供具备高完好性的高精度解决方案,保障生命安全领域的应用需求。

5) 研究一种国家层面的可保护军用PNT优势的方法。

4.3多模集成方案

国家PNT体系结构鼓励采用多模集成方案,以确保具备更高的可用性和可靠性,克服自然干扰和电磁干扰问题。多模集成是指利用多样化的物理现象,如多种射频、惯性传感器以及多样化信息源和数据传输路径,为用户提供可互换的解决方案。多模集成方案包括相关政策、标准,以及混合利用地基、空基以及天基和惯导数据源等有关问题,相关建议如下:

6) 鼓励合理开发和部署能够整合多种信息源和传输途径的设备。

7) 评估国外PNT系统用于生命安全领域和关键基础设施的潜能,适时制定明确的使用标准和策略。

8) 继续执行军用PNT的专用政策,同时研发保障其他信号用于军事领域的能力。

9) 制定PNT伪卫星和信标的相关标准,促进不同系统间的可互换能力,避免相互干扰。

10) 研究天基及陆基PNT能力的发展,支持PNT信息源及信息传输方式的多样性。

11) 确保关键基础设施的精密授时和守时用户能够接收并充分利用多种可用信号源。

4.4可互换方案

国家PNT体系结构应灵活地提供及时、准确而可靠的PNT方案以满足用户需求。它包含组合使用多种数据源的能力以及利用备用方案获取PNT信息的能力。为实现对多样化PNT数据源的有效利用,美国应利用占据的国际主导地位,建立明确合理的标准,相关措施如下:

12) 积极参与PNT相关的国际活动,促进多种PNT信号源之间的互换能力和兼容性。

13) 研究制定相关标准、校准技术和参考框架,支持对未来的精度和完好性需求。

14) 制定能够满足用户对PNT信息进行交换、保障和保护等需求的通用标准。

15) 制定满足用户描述局部和区域应用中的位置信息需求的通用标准。

4.5PNT与通信的融合

目前,通信网络对PNT能力的支持,主要通过传输PNT辅助信息和增强数据、GIS数据等实现。国家PNT体系结构鼓励用户增加与更多通信网的连接并将其作为PNT源。此支撑向量通过传统无线电导航频谱以外的服务增强PNT的鲁棒性,有利于促进PNT能力与通信能力的融合。

16) 探索评估PNT与通信融合的方法、标准和潜在能力。

4.6合作型组织结构

国家PNT体系结构要求各组织机构间协调合作,确保在整个PNT领域实现必要的信息共享。此向量包括建立协调过程,保障运行效率和采办效率以及相关科学技术应用发展。此外,还将整合企业级的PNT建模仿真能力,为任务规划人员和用户设备决策人员服务。

17) 制定国家层面的PNT协调过程。

18) 分析并建立PNT多模集成方案和应用的高级研究中心。

19) 定义、建立、保持并管理一个PNT建模与仿真核心分析框架。

4.7目标体系结构

目标体系结构描述了定位导航授时的未来状态,是根据上述指导原则和建议确定的。定位导航授时服务将继续由空基、陆基和自主信号源提供,但必须符合体系结构向量的要求。

PNT体系结构指导原则及相关建议描述了通往未来PNT体系状态的途径,PNT体系的目标体系结构如图7所示。与自然演变体系结构相比,目标体系结构将更有效地满足更多的用户需求。

图7　目标PNT体系结构——系统视图

与自然演变基线体系结构一样,GPS也是目标PNT体系结构的基石之一。GPS现代化的措施包含使用多个频率、提高精度和完好性、采用检错算法等,可转化或者消除某些GNSS增强系统,也可满足用户对GNSS增强系统的需求。高功率的点波束技术可以提高电磁拒绝环境下的抗干扰能力,增加民用频点可降低非故意干扰的影响,同时可以减小电离层误差,提高定位精度。

“可互换的解决方案”提倡在集成PNT接收机中更广泛地使用其它PNT源,如,利用国外的GNSS系统以及区域导航系统,来提高可用性、完好性和鲁棒性。

“多模集成方案”鼓励组合利用多种“物理现象”,如GNSS、地基射频系统以及自主方案(如惯性系统、用户时钟、传感器辅助)的PNT用户集成设备。此解决方案可以解决用户能力不足的问题,在物理遮蔽环境(城市峡谷、室内等)中向用户提供PNT信息。

“PNT与通信的融合”将更多地利用通信网络提供并增强PNT能力。进一步研究确定专门的实施方案,如利用通信卫星传输辅助和测距信号、通过通信网络进行相对测距以及在PNT用户之间进行相对导航等。

“合作型组织结构”将该体系结构的范围界定为国家级,因此,在PNT机构间开展广泛合作是整合天基与非天基方案的关键。为了确保充分安全利用国外的PNT信息源,还需要开展企业间的合作。

大量的使能要素和基础能力形成了PNT目标体系结构的基础。这些能力尚需要进一步发展,特别是组合利用多模集成技术,以消除PNT能力缺项。

除了从系统角度描述目标体系结构,ADT还开发了从用户角度描述的目标体系结构,如图8所示。在用户设备中,集成和融合可互换方案和多模集成方案的PNT信息将提高PNT服务的可用性和鲁棒性,充分利用实现PNT能力的通信网络将实现传统无线电导航频谱以外的PNT服务。合作型组织结构促进制定并推广信息共享的相关标准,支持可互换方案的实施。

图8　目标PNT体系结构-用户中心视图

5美国PNT体系转型规划

2008年美国发布了《国家定位导航授时体系结构研究报告》,同时发布了体系结构指导备忘录(AGM)。在该备忘录制导下,美国成立了一个包括PNT管理机构在内的PNT体系结构转型团队(ATT),受美国国家空间安全办公室(NSSO)委托制定了《国家PNT体系结构实施计划》,支持国家PNT体系结构建议并提供重要指导。

实施计划需要多个机构的协调配合,它包含了实现国家PNT体系结构策略和要素的转型任务。为将“当前”体系结构向功能强大的2025年的“目标”体系结构转变,国家PNT体系结构转型任务是必须执行的任务。近期转型任务是为组织管理者进行更详细的规划而确立的,中远期转型任务涉及面更广,其具体实施细节要取决于前期任务执行的最终结果。联邦无线电规划每两年更新一次,以便能将前期的完成情况和反馈考虑在内,同时反应PNT环境变化。目前,美国正按照实施计划稳步推进当前PNT体系结构向目标PNT体系结构的转型发展。

参考文献

[1]Department of Defense, Department of Homelanl Secarity, and Ddepartment of Transportation. Federal radio navigation plan[R].2012.

[2]National Security Space Office. National Positioning, Navigation, and Timing Architecture study final report [R].2008.

张风国(1985-),男,工程师,主要从事导航定位授时(PNT)研究和GNSS电磁干扰检测应用研究方面的工作。

张红波(1979-),男,山东青岛人,高级工程师,主要研究方向为空间环境应用。

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

作者简介

中图分类号：TN910.0

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0024-08

收稿日期：2015-08-02

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.005

联系人： 张风国 E-mail: zhfg1985@163.com