美国是不是已经进入PNT时代了？

美国是不是已经进入PNT时代了？

文 | 曹冲

近二十年来，随着世界上多个卫星导航系统的建设运营，特别是北斗系统和伽利略系统的建设运营，可以毫不夸大地说，全世界进入了GNSS时代。美国却在2004年把GPS称之为天基PNT，而且在2008年发布了2025年的PNT总体架构，为卫星导航系统下一步系统集成和融合发展描绘出一幅远景蓝图。在这幅蓝图中，定位、导航和授时（PNT）已经不单单是天基的事情，而是泛在的概念。在我们集中力量建设北斗系统的十多年内，美国已经在克服GPS脆弱性，开辟弹性可生存可确保的PNT方面取得了长足进步。

那么，美国是不是已经进入PNT时代了？下面我们作一探讨。

近些年来，美国在一些重要报告和官方文件中，涉及到GPS服务的，一般都以PNT服务加以代替，为了克服GPS脆弱性，提出保护、优化和增强（PTA）的政策举措，提出弹性PNT的概念，在GPSIII卫星上增强抗干扰能力，添加固有的信号完好性功能。而这两、三年来，美国政府、军方和民方发布的文件可以认为是在为进入PNT时代背书。

2018年美国国防部提供了一份名为《国防部PNT战略》的报告。报告指出，为了应对在动态威胁环境中保持弹性的挑战，需要在许多不同的国防部武器系统应用中，实现新的PNT能力，而且要求达到迅速且可承受。该战略考虑国防部所有构成中发挥并且指导联合和固有的行动的可操作与经济可行性，它要整合由现代化GPS与多种多样的PNT信息附加资源提供的基础能力，通过模块化、开放性系统集成方法，以达到联合军事力量的弹性PNT效应。覆盖国防部PNT使命的这些行动是满足国家和国防部军用战略目标所必须的，该战略旨在努力在现在和将来实现这些目标。国防部承诺在所有的战斗范畴内保持和强化美国及其联军的军用PNT优势。

该报告强调美军要在研发和运用PNT能力上继续领先世界，该战略所要求提供的和确保的PNT使命行动，相信能够在PNT服务和能力上赋能现代战争的所有范围，该战略通过战争指挥也会赋能所有范围的导航战运作，保持美国军队的PNT先进性支持国家安全和战略军事目标。

PNT使命行动涵盖管控、能力、应用及其效果，涉及到PNT信息源（全球的、区域的、本地的，和自然的与人为的），分发和管理PNT信息的手段，应用和实施探索多种多样的PNT信息组合，以及在进行导航战运作中利用PNT信息的效果。

2019年联邦无线电导航计划（FRP）的发布，又是美国推进PNT进入新时代的一个行动。该计划是盘点美国的PNT资源，及其梳理下一步发展的思路。

在这里，重点介绍美国的《联邦无线电导航计划-2019》的第六章PNT体系架构的评估与演变的简要内容。开发国家PNT体系架构是一项前瞻性计划和远景蓝图，旨在帮助美国有效、高效地提供政府PNT系统和服务。该体系架构的指导原则代表了美国在PNT中的角色的总体构想，实现该构想的体系架构策略，并且可以在PNT体系架构最终报告及其相关的国家PNT体系架构中找到实施计划所必不可少的四个提供指导的支撑向量。PNT体系架构展示了企事业界对未来PNT环境的看法，可以作为参与USG的部门和机构采取单独行动的参考框架。自从《PNT体系架构报告和实施计划》发布以来，各个部门和机构正在不同程度地实施愿景、战略和指导，该过程将继续。如果这些努力导致将来更改由联邦提供的PNT系统和服务，则这些更改的计划将记录在《联邦无线电导航计划》后续版本中。

该体系架构策略被称为“最大公约数”原则，旨在使更多的通用核心功能可用于无限数量的用户，同时通过自定义解决方案满足特殊用户的独特需求。架构研究发现，大量的PNT用户具有一组共同的需求，与多个定制系统相比，标准解决方案可以更有效地满足这些需求。因此，该策略的关键要素是利用GPS现代化，从而为无限数量的用户在全球范围内提供增强的功能。

支持此策略的是以下归纳出来的四个支撑向量：一是多种现象学—多种现象学是指各种物理现象，例如射频、惯性传感器和场景映射，以及使用这些物理现象的各种源和数据路径（例如，多个无线电频率），以向用户提供可互换的解决方案以确保功能强大的可用性；二是可互换的解决方案—可互换的解决方案或具有高度互操作性的解决方案，意味着能够将来自多个数据源的信号组合到单个PNT解决方案中，以及在没有主要来源的情况下能够从替代来源提供解决方案的可用能力；三是PNT与通信的融合协同作用—数据通信网络可以通过提供PNT辅助和增强数据、地理空间信息等来支持PNT功能。

但是，与功能更强大的通信网络的连接性的增强也提供了将这些网络用作PNT来源的机会，而不仅仅是作为PNT辅助和增强数据的数据通道；四是合作协同组织机构—促进机构间的协调与合作，以确保有效的运营、有效的获取和相关的科学技术应用服务开发。随着PNT解决方案更多地依赖于多个PNT来源的集成，提供商之间的合作变得更加重要。

2020年2月12日，美国总统发布了第13905号行政命令（EO），“通过负责任地使用定位、导航和授时服务来增强国家适应能力。” 该命令确立了美国政策，以确保PNT服务不被破坏或恶意操纵，保障其关键基础设施的可靠和高效运行。该命令明确要求联邦部门和机构为使用或依赖于PNT服务的所有关键基础设施实施计划、测试和配置文件。

该命令试图通过以下方法确保PNT服务的中断或被恶意操纵不会损害关键基础设施的可靠性或效率：一是提高对关键基础架构在多大程度上依赖PNT服务的认知度；二是确保关键基础架构可以承受PNT服务的破坏或被恶意操纵；三是与公共和私营部门合作，促进对PNT服务的负责任使用。第13905号行政长官分配了行政部门的职责，以提高人们对基础设施对GPS和其他GNSS服务（包括运输部门）的依赖的认识。职责包括开发描述部门特定机构（SSA）关键基础结构的使用和依赖性的PNT概要文件，进行PNT服务的测试，并按照科学技术政策办公室的指示，整合多个不依赖于GNSS的PNT服务。

此外，本报告中描述的决策框架为GNSS提供了相关信息和候选功能独立的PNT服务选项，可提高关键基础设施对GPS中断或操纵的适应能力。为了鼓励主要利益相关者及时了解变化，美国政府采取了具体政策，以促进“关键基础设施所有者和运营商对PNT服务的负责任使用。”在这种情况下，“负责任”是指“有意地，有风险意识地使用PNT服务，包括其获取、集成和部署，以使PNT服务的中断或操纵对国家安全，经济，公共卫生和联邦政府的职能危急情况的影响最小。根据行政命令，基于“负责任地使用PNT”的这些配置文件，应该包括标准、指南和“针对特定系统选择的特定部门的要求一致，以解决PNT服务的潜在中断或操纵”。随着其他设备的可用，还需要并行努力，在所有者和运营商内部创造更多需求，以提供更安全，更具坚韧性的设备。在它们进行生命周期替换时，旧设备将被更新的设备取代。”

归根结底，这是关于更安全和更具坚韧性的关键基础设施，而更安全和更具坚韧性的PNT就是其中的一部分。这些问题不可能在一夜之间得到解决，但确实希望看到能够在未来几年内取得重大的增量改进。

2020年12月9日美国白宫以总统令方式发布了新版的第七号《国家空间政策》文件，与上一版奥巴马政府颁布的国家空间政策相隔整整十年。该文件着重强调了美国如今对全球卫星导航系统的强烈依赖，并提出美国应因此做出一些准备以应对某天GPS无法正常使用的情况。美国太空军运行了一个由31颗GPS卫星组成的星座，该星座通过无线电导航向全球的军事和民用用户提供位置、导航和授时信息。太空中的卫星也依赖于GPS来进行导航、姿控、空间态势感知以及包括无线电掩星在内的多种新型科学应用。该指令文件还强调了美国对基于天基的定位、导航、授时服务与日俱增的依赖。然而，由于GPS信号容易受到干扰，所以政府部门和商业机构都应掌握备用的PNT技术来应对未知的问题。

 文件提到，军事、民用和商业应用对GPS激增的依赖也凸显了GPS系统的脆弱性，文件强调“GPS用户应该做出备用方案以应对可能发生的信号中断，建立规范的程序来检验接收到的GPS信号和测距信号的完好性。对于那些一旦发生一些小故障就有可能引发生命财产损失的应用领域，这些举措更是不可或缺的。” 文件强调，美国“鼓励开发能够融入新技术和服务的PNT服务与保障的替代技术，比如量子传感、相对导航以及由政府或私人所有和运行的PNT替代服务。”

文件还提到，美国支持使用国外卫星导航系统及服务来补充GPS。新服务的融入可以改善GPS的精度、可用度和恢复力。然而，该文件强调，美国政府“并不确保国外卫星导航系统及服务的可靠性和真实性”。“接收机制造商应持续提升产品的产品的安全性、完好性和恢复力，以此来应对日益严重的网络威胁”。 

2021年1月美国运输部发布了《互补PNT和GPS备份技术演示验证报告》，这一演示验证行动计划是2017年就开始授权的。该文件指出，安全是美国运输部（DOT）的头等大事。DOT必须确保提供精准与可靠的定位、导航和授时（PNT）源，例如全球定位系统（GPS），以满足当前和新兴的应用，以及支持的基础设施（例如，通信、能源和信息系统），以减少所有运输方式中的死亡和伤害，确保美国的运输网络继续保持安全和技术先进，并总体上保护依赖可靠PNT服务的所有关键基础设施。PNT技术的研发对于所有运输方式的效率和安全性至关重要。诸如通信、银行、电网和水坝等关键基础设施部门的安全性，取决于对PNT技术精度和弹性的提高的承诺。

为了自主平台（例如自动车辆（AV）和无人机系统（UAS））的安全，还需要包括天基技术和地面技术有所改进的PNT系统。基础设施和运输安全还取决于合理、有效的频谱管理策略，从而允许各种通信和PNT系统和谐共存。

弹性PNT不仅对支持运输部门的关键基础设施很重要，而且对国家和经济安全也至关重要。支持关键基础架构的主要且最知名的PNT服务是GPS。但是，由于GPS依赖于中地轨道（MEO）中的卫星广播的信号，因此接收机处的信号强度较低，因此容易受到有意和无意的干扰，显示出其脆弱性弱点。

参与这次演示验证测试的公司共有11家，主要围绕泛在定位和授时两个方面进行，有四个关键发现：一是所有符合技术实现水平（TRL）资格的供应商都展示了PNT的某些价值表现，但是只有一个供应商下一代导航（NextNav）在所有适用的用例场景中都得到了展示；二是两种eLORAN技术都无法在充满挑战的环境“地下室”授时方案中获得成功；三是中频（MF）频带中的一种技术R-Mode不满足最低TRL；四是部署工作和覆盖范围（每单位面积的基础设施）都是重要的成本因素。

OPNT的蒙蒂·约翰逊演示验证了通过100公里缠绕的光缆的精确时间传输

该演示验证测试表明存在合适的、成熟的和可商用的技术来备份或补充GPS提供的授时服务。

但是，该演示还表明，没有一个系统可以通用地备份GPS及其增强功能提供的定位和导航功能。关键的基础设施定位和导航要求千差万别，因此需要功能齐全、应用可行以及满足最终用户需求的特定的定位和导航解决方案。这需要多种多样的定位和导航技术相互融合。

此外，成本是任何PNT投资决策中的核心考虑因素。该演示还产生了足够的信息，可以估算每种技术的基础设施与覆盖区域关系的线性模型。同样，关键基础设施的所有者和运营商可以使用合适且成熟的技术来加入补充的PNT服务，作为GPS的备份。基于此演示，这些技术是用于PNT功能的LF和UHF地面和L波段卫星广播，并支持对发射机/控制段的光纤授时服务。

从该演示中提出了两项建议：一是DOT应该为支持安全关键服务的PNT功能制定系统要求；二是DOT应该制定标准，测试程序和监测能力，以确保PNT服务以及使用它们的设备达到确定的必要的安全性和弹性水平。

认识到运输部门在精度、完好性、可用性和可靠性方面具有最严格的性能要求，因此开发侧重于安全性和弹性的系统要求，将能够确定当前功能满足了哪些要求，以及哪些要求可能需要进一步的商业创新。DOT支持开放的安全标准，以促进私营部门创新和商业产品开发。