关于弹性PNT体系发展现状及分析的研究

2021-07-21 17:00:26 秘书处 2

弹性PNT体系发展现状及分析

文 | 电镜之鹰 

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概述

导航、定位和授时(PNT)体系是为各类用户提供包括位置、速度、时间等关键时空参数的基础系统,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门类和领域有着重要的作用和广泛的应用。近年来,随着包括GPS、北斗等一批卫星导航系统发展建设的不断深入,PNT体系的组成越来越多样,其主要服务功能也日益强大。


但与此同时,由于现代PNT体系对各类卫星导航系统(GPS、GALILEO、GLONASS、北斗等)的依赖越来越多,其内在的一些性能问题也逐步暴露,对于日益复杂电磁环境下的可靠导航定位提出了更高的挑战,为此,发展能够兼容集成不同类型PNT手段,提供具备较好的弹性和环境适应性的综合PNT体系已经成为当前刻不容缓的重要命题。
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PNT体系发展必要性分析
自上世纪以来,以美国GPS系统为代表的卫星导航系统就是国防和国民经济各个领域的PNT信息的最主要来源。尽管卫星导航系统具有覆盖范围大、导航精度高、全天候、全天时运行等多种优势,但随着技术的不断发展,近年来卫星导航系统的固有脆弱性也正在不断显现。从工作流程上来看,全球主要卫星导航系统都采用了类似的无线电信号体制和定位测距方式,即基本上都是由导航卫星在公开无线信道环境中向用户广播直序扩频(DSSS)信号的模式来实现导航定位,因此普遍存在着信道公开、信息格式公开、信号频率公开、编码方式公开、用户群体开放的特点,这使得这些系统的运行状态和服务性能极大的受到其所在环境的影响,尤其是在复杂战场条件和恶劣电磁环境下,卫星导航系统易被干扰、切断和诱骗的问题就显得非常突出。

从系统组成上来看,由于卫星导航系统一般由空间段、地面段和用户端组成,空间段的各导航卫星出现故障的可能性不可避免,此前的欧洲伽利略系统就曾经因为卫星异常而导致导航服务出现中断的情况;由于卫星导航信号的功率较低,电磁空间中的各类干扰、欺骗都有可能使得导航信号出现异常,从而对电力、通信、军事、金融等核心用户群的导航定位授时应用造成难以估量的影响;同时,卫星导航系统的运行完全依赖于地面段的运控管理,当地面段受到影响时,整个系统都有可能出现瘫痪。


因此,卫星导航信号固有的脆弱性将使得依赖卫星导航的各类军用装备平台和系统难以获得有效的PNT信息支撑,从而无法实现预定作战任务。因此,为了确保PNT体系的安全性、可靠性和健壮性,不能仅仅将当前卫星导航系统作为唯一的PNT信息来源,而应在强化卫星导航系统健壮性的基础上,发展多种相互衔接、有效互补的多种导航定位授时技术手段,形成具有足够弹性的PNT体系。


鉴于上述原因,目前国外关于弹性PNT体系建设的相关工作已经起步。其中美国对此进行了较为完备的研究工作,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。该报告聚焦美国的PNT需求、确定备份或补充能力缺口,并提出增强基础设施弹性、应对GPS服务中断的系列建议。该报告明确指出:PNT服务中断将带来巨大的经济损失、时间延误和功能失效等后果,关键基础设施定位导航需求多样化,单一系统包括GPS不可能满足所有用户需求。


为此,该报告明确指出: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样化的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、资产和服务必须具备先天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抗干扰运行,并且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体系,以其GPS系统现代化为依托,以自主导航和各种可用导航信息源为补充,重点满足更高精度和完好性需求,增强物理遮蔽、电磁干扰等复杂环境下安全、可靠、实时的PNT能力。在国家安全空间办公室(NSSO)主导下,美国国防部与运输部联合发布《国家PNT体系执行计划》(2010),制定了2025年前国家PNT体系建设路线图,并对国防部相关下属机构及运输部、商务部和内政部等共31个联邦机构进行了任务分工。

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发展弹性PNT体系的主要进展

严格来说,弹性PNT体系目前在国际上尚无完整权威的定义。从其应用前景来看,弹性PNT体系旨在综合利用目前可用的多种导航、定位和授时基础设施及技术手段,在综合集成的基础上,形成相对于单一导航手段(如卫星导航)更加可靠、安全、健壮的导航、定位和授时体系。从目前情况来看,国际上关于发展弹性PNT体系的主要进展包括:


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逐步采用新技术体制,不断提升卫星导航系统自身可靠性和安全性


主要包括:


1、升级现有导航系统基础设施。以GPS现代化为主要代表。


从目前美国已经启动的GPS现代化升级进程来看,其主要手段包括:


1)空间段升级,鉴于很多GPS卫星是上世纪发射,已经达到或接近了服役年限,为了更新导航卫星,承载更加强大的导航信号与服务,美军积极开展相关导航卫星的退役和增补工作。自2005年至今,美军先后完成了20余次发射任务,成功将8颗BlockIIR(M)卫星和12颗BlockIIF卫星送入轨道,完成了现代化计划中的第一和第二步,这些卫星在原有的下行信号基础上增发了军用码、第二民用信号(L2C信号)和第三民用信号(L5信号),从而进一步提高了导航信号服务质量。除此之外,美军正在全力研制生产下一代也就是第三代GPS卫星—GPSIII。


作为新一代导航卫星,GPSⅢ计划制造36颗,包括A、B、C三种类型。其中,GPSⅢA卫星12颗,GPSⅢB卫星8颗,GPSⅢC卫星16颗。GPSⅢA 卫星:的主要任务是提高定位精度,扩大信号覆盖范围,该类卫星搭载播发在L1频点的第四民用信号(L1C信号),以实现与未来其它卫星导航系统的兼容互操作;GPSⅢB卫星的主要任务是增加星间链路载荷,卫星安装四个反射面天线,可以实现卫星注入电文和测控数据的星间传递,从而确保在地面测控和注入部分失效情况下的星座自主运行能力,提高系统抗毁生存能力;GPSⅢC 卫星的主要任务是提升军用码的能力,该类卫星计划装备大功率、点波束发射系统,可以将局部地区军用码功率提升100倍,实现指定区域内的点波束增强应用,从而提升GPS对于重点战区的服务可用性。


2)地面运控段升级,目前美国空军正在加快新一代GPS地面系统即GPSOCX的开发和部署工作。新一代GPSOCX是具备更高性能的实时运行系统,能够为军事、商业和民用用户提供安全、精确、可靠的导航和授时信息。OCX控制段将增加系统容量,支持新型GPSIII卫星。与上一代地面运行控制系统相比,新一代的GPSOCX计划提供了巨大的性能升级,大大提高整个系统的性能和效率,主要包括:

 

  • 采用新的Kalman滤波器提升所有用户精度;

  • 解除对GPS星座中的卫星数量的上限,允许更多的卫星参与运行;

  • 将指挥和控制GPS III、GPS IIIF卫星以及更早发射的GPS卫星。OCX拥有更强的网络安全性、信号强度、准确性和抗干扰能力,可以有效减少地面操作调度人员的数量和工作负担。

 

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图.正在建造中的GPSIII卫星


此外,新一代的OCX将更加强调信息安全能力,据报道,由美国雷神公司负责研制的下一代GPSOCX已经于2018年11月完成了严格的网络安全漏洞评估,测试了系统抵御内部和外部网络威胁的能力,该系统100%实施国防部8500.2“深度防御”信息保障标准,建立了分层防御,将所有信息保障要求均纳入了该系统,在所有测试中,该系统都成功阻止了对导航和定时数据的恶意攻击和篡改。


2、不断提高多卫星导航兼容互操作,提升导航定位的鲁棒性。


当前,随着卫星导航系统不断增多,可用的卫星导航信息来源越来越广,因此,各大卫星导航系统通过加强兼容互操作,可有效改善观测定位几何分布,提高全球任何地区的定位精度,提升全球导航服务可用性,在单一系统因为自身原因导致服务性能下降的同时,多系统可以进行有效互补,使得用户的导航定位服务质量性能得到基本保证。


多系统之间的兼容互操作必须以信号体质兼容为基础,目前,我国的北斗卫星导航系统已经初步实现与GPS的兼容互操作,与俄罗斯GLONASS的兼容,正在与美协调北斗B2a信号和GPSL5信号 的 互 操 作。美国新一代GPS卫星能够广播L1C信号,俄罗斯也计划在新一代GLONASS卫星上增加L1OC、L2OC 等多种信号,增强与其他系统的兼容互操作能力。


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积极发展不依赖GPS的多种导航技术,确保GPS失效条件下关键基础设施的导航定位可用性

2020年2月12日,美国总统特朗普签署了名为《通过负责任地使用PNT服务增加国家弹性》的总统行政令,旨在确保美国PNT服务无法使用时,基础设施仍能正常运转。该行政命令开宗明义的指出,当前美国极度依赖GPS提供位置和时间信息的关键基础设施领域有14个。为此,联邦政府必须积极开展不依赖于GPS的导航定位授时技术研究,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,鼓励在GPS之外扩展PNT基础设施。


2020年8月,美政府申请了4亿美元的预算用于重新部署增强型罗兰系统(eLoran),作为GPS备份,是对GPS之外PNT基础设施的一种扩展方案。其基本思路是:一方面发展不依赖于GPS的技术和应用,另一方面部署以eLoran为代表的备份式导航系统,该系统最早起源于美国海军建设的罗兰导航系统,由于采用了高功率的低频信号,使得其对有地形和建筑物遮挡具有较好的穿透能力,eLoran是在此基础上,对其地面基站等组成部分的进一步扩展,由于其使用高功率、低频无线电信号,使得其信号基本不可能被阻断,可用性据称可以到达99.999%以上,能够满足多数生命安全攸关服务的使用要求。

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图.增强型罗兰系统框架


与此同时,DARPA等美国预研单位正积极布局不依赖于GPS的多种前沿探索项目,其主要内容包括原子、光学、惯性、电磁定位等多个领域寻找能够在一定条件下取代GPS的多种技术手段。需要说明的是,目前DARPA开展的许多相关研究还处于初步阶段,距离工程化应用尚有一定距离,此外,其它导航技术的精度、覆盖性、全天候等方面的性能对比GPS还有一定差距。


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积极开展多种研究,应对导航战带来的挑战

1997年,美军正式提出“导航战”概念,并将其定义为:阻止敌方使用卫星导航信息,保证己方和盟友部队可以有效地利用卫星导航信息,同时不影响战区以外区域和平利用卫星导航信息。作为导航战的主要攻击目标,GPS和其它全球卫星导航系统正在积极研究多种防御对抗手段,确保自身在未来的导航战条件下的安全、可靠运行。主要包括:进一步优化系统的信号体制设计,针对军事用户的实际需要,提升信号的防篡改、防破译和防干扰能力;进一步提升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,确保各类终端及时发现并上报潜在的恶意干扰。


当前,主要的GPS抗干扰手段和技术包括:

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目前,美军针对不同军种用户对于GPS用户终端的不同使用需求,设计不同类型的用户终端,增强客户端的导航对抗能力。美国陆军航空与导弹司令部导弹研究发展与工程中心研制了小型廉价的GPS接收机天线,用于各种导弹和火箭弹,该接收天线可对抗连续波、宽带噪声、脉冲等多种类型的GPS干扰信号;美国洛克希德马丁公司与罗克韦尔柯林斯公司合作,已研制出专用抗干扰GPS接收机G-STAR,G-STAR抗干扰接收机采用数字信号处理技术,以滤掉、抑制各种干扰信号;采用自适应技术,在抑制干扰信号的同时,能自动指向GPS卫星的波束。


另外,军用M码接收机也正在研制中,由于采用了先进的加密信号设计,使得M码接收机不用先捕获C/A码,就可直接获取M码。这一点对利用GPS制导的快速反应武器尤为重要。此外,先进的数字波束成形技术也使得其具有更强的抗干扰能力。2018年。罗克韦尔·柯林斯公司被美国空军生命周期管理中心(USAFAFLC™)选中,以提供其最新一代数字式GPS抗干扰接收机(DIGAR)。据该公司称,凭借无与伦比的GPS威胁防护等级,DIGAR将为美国空军国民警卫队和美国空军后备F-16战机提供高度可靠的导航,这些飞机在复杂电磁环境中提供可靠的GPS导航数据。此外,2019年,美国陆军也选择该公司以DIGAR为基础,为美国陆军的有人地面车辆提供下一代车上可靠的定位、导航和授时分机。

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此外,GPS卫星采用信号体制正在其现代化进程中逐步升级,提升信号的鲁棒性和抗干扰能力。一方面使用最新的军用码/M码,该扩频码已经首次搭载于GPSBlock IIR( M) 卫星上,是同时播发在L1和L2频点的新型军用信号,与之前的P码不同,M码可以实现自主定位,不需要粗捕获码的辅助,是未来十余年美军及其授权用户的主要军用信号。此外,先后使用了低密度压缩编码(LDPC)等先进编码技术,同等发射功率下具有更强的抗干扰、纠错能力,意味着在树荫遮蔽、车内室内等微弱信号条件下的定位能力和可用性将大大加强。

 

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继续加强原有陆基无线电导航系统建设

由于陆基无线电导航系统建设时间早,发展经验足,关键设施的保护条件相对较好,因此有望成为卫星导航系统的有益补充。为此,近年来在卫星导航技术快速发展的同时,美国等国家始终没有放弃传统的陆基无线电导航系统的建设和维护。在美国2015年发布的《国家PNT弹性与安全法案》(H.R.1678)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信号受到破坏、衰减、不可靠或不可用时,军民用户仍然可以获得安全可用的PNT信息,维护国家安全和利益。除美国外,俄罗斯等国也非常重视陆基无线电导航系统的发展建设。2019年10月,俄罗斯联合独联体成员国代表在莫斯科发布《2019-2024年独联体无线电导航发展计划》,重点关注无线电导航系统的主要需求、现有各类无线电导航系统的主要特点、未来发展方向、技术发展以及提升系统性能的主要途径等问题。


目前,主要的陆基无线电导航手段包括:


(1)伪卫星技术。由于GPS信号可能被友方或敌方的电磁信号或天然障碍降级或拒止,美国陆军希望通过使用地面或近地面无线电发射机广播类GPS信号,以此建立伪卫星系统,以支持和增强GPS信号,提高态势感知能力,从而提高任务指挥效率和效果。在GPS信号中度降级环境下,伪卫星系统有助于获取GPS卫星信号;在严重降级环境下,伪卫星系统可用作定位和授时源。在GPS可用时,伪卫星系统依靠GPS信号将获得更为精准的位置、速度和时间信息。在GPS信息不可用时,伪卫星系统采用自身组成新的定位几何,对服务范围内的用户提供相关基于伪卫星的导航定位授时信号。

(2)欧米伽导航系统。欧米伽系统是远程双曲线导航系统,上世纪70年底开始投入运营,是第一个完整意义的全球导航服务系统,尽管该系统具有服务覆盖范围大,具备一定水下导航能力等特点,但由于其定位精度相比于GPS精度低、定位体制复杂,一度曾经关闭。

(3)罗兰导航系统。二次世界大战时期,出于军事需要,美国海军需要导航系统覆盖范围比以往任意一个时期都要广,罗兰导航系统应运而生,其工作频率为1.75~1.95MHz,设计有效作用距离为1120~2240km,定位精度为800~1600米。由于罗兰系统采用了当时较为先进的脉冲体制,具有相对较高的定位精度。2010年,美国政府一度停止了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,并在原有台站的基础上安装增强型的罗兰站点,形成前文提及的增强型罗兰系统。增强型的罗兰系统将时间系统完全同步至UTC时间,此外定位精度有了显著的提升,定位误差缩减至20米以内,能够满足部分海上高精度导航定位的要求。
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小结

弹性PNT体系是建立更加安全、可靠的导航服务基础设施的关键性手段,从目前的发展情况来看,寻找多源GPS替代手段,发展多种新型导航技术,促进各类导航技术的综合集成是建设弹性PNT体系的关键,随着我国北斗卫星导航系统的建成和应用,新的PNT体系的建设步伐将持续加快。

 

来源:卫星与网络,原标题《前沿 | 弹性PNT体系发展现状及分析》
作者:电镜之鹰