PNT体系视角下卫星导航与不依赖卫星导航技术融合发展研究.docx

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1、一、前言时间和空间是宇宙万物运行的基本属性，现代社会运行对精准可靠的定位导航授时（PNT）信息高度依赖。全球卫星导航系统（GNSS）以全天候、全天时、低成本的优势，成为当前社会运用最广泛的PNT手段，普及应用于交通运输、电力、金融等领域，转化催生了基于位置服务的新兴产业。然而，随着经济社会、国防建设对卫星导航依赖度的不断加深，卫星导航信号弱、易被遮挡和干扰、不能覆盖室内/水下/深空等固有缺陷凸显。整体上，统筹发展各类PNT技术弹性互备的综合PNT体系成为各方共识。美国作为GNSS领域的“先行者，针对全球定位系统（GPS）面临的潜在威胁，着力构建国家综合PNT体系。在将GPS作为国家PNT体系的

2、基石，加强核心地位并提升系统安全性、可靠性的同时，积极发展不同物理机制、不同工作模式的不依赖卫星导航技术（以下简称不依赖技术），旨在促进多PNT手段融合应用，提升PNT体系的弹性及韧性；先后发布了国家PNT体系执行计划，全源导航定位、伪卫星导航、微自主PNT、随机信号导航等PNT新技术研究计划，基于GPS融合无线电PNT源、自主PNT系统以构建全球、区域、自主3层PNT体系计划，以多样化PNT系统提高关键基础设施韧性的国家PNT韧性提升研发计划，弹性PNT参考架构及PNT体系弹性概念功能等级。我国在北斗卫星导航系统（北斗系统）全面建成及推广应用的基础上，就综合PNT体系展开了前瞻探索：论述了综

3、合PNT体系、弹性PNT体系、智能PNT的基本概念，综合PNT、智能PNT关联的核心技术，综合PNT与微PNT的关系；提出了5+1+N的综合PNT体系发展构想，基于北斗系统的国家综合PNT体系概念、建设目标及思路，形成了PNT体系弹性的指标分类、多源自主导航系统未来发展技术体系。整体上，国内外关于PNT体系的已有研究分布在体系架构、基本概念、发展策略、核心技术方面。PNT体系概念覆盖面宽、技术类别繁多，加之各类技术都有适用场景及局限性、对体系的贡献率存在差异性，在不同工程背景、约束条件下的相关体系建设思路与设计结果不尽相同。例如，近年来不依赖技术概念成为关注热点，一些讨论可能放大了其在特定场景

4、下的补充备份作用，忽视了工程应用的局限性。因此，准确理解、科学把握各类PNT技术的体系定位及相互关系，是开展体系设计的重要前提。本文采取满足最大共性需求、提供标准化解决方案的体系建设思路，从卫星导航和不依赖技术两方面着手，分析各类PNT技术的体系定位、相互关系、融合效能；坚持以卫星导航为核心及基石，卫星导航与不依赖技术融合的体系发展思路，分析深度融合所能提供的效能增量。可以认为，强调不依赖技术的重要性与保持卫星导航系统的核心地位是辩证统一的，以协调发展、深度融合更好增强PNT综合能力。二、卫星导航技术特征与体系定位（一）具有高精度、低成本的特征，是应用最为广泛的PNT手段时间是国际计量委员会定

5、义的7大基本物理量之一，也是当前测量精度最高的物理量（精度优于10-叫准确度可达10-15）,还是唯一可通过电磁波实现远距离、高精度传递的物理量。GNSS的运行与服务均基于时差测量，导航卫星配置的高精度原子钟，天频率稳定度达到10书量级，系统服务精度达到实时米级、近实时分米级、后处理毫米级。GNSS建立了独立、连续、稳定的时间基准，可为各类PNT手段、用户提供广域统一的时空信息，一体化实现定位与授时。这是仅能提供定位服务的惯性导航、匹配导航等手段无法比拟的。GNSS作为天基系统，仅利用约30颗卫星即实现全球覆盖；作为单向广播系统，不限制用户数量。以当前全球保有的6.5x109部卫星导航终端计算

6、，分摊到单个用户的建设成本不足0.5美元，以较低的成本体现了极高的效益。同时，卫星导航终端芯片便于配置到各类设备中，支持卫星导航功能集成到手机、可穿戴设备、汽车等大众应用；显著的经济社会效益驱动了技术快速更新,使用户体验、使用成本等均有明显改善。（二）作为最大共性需求的满足者，是PNT体系的核心和基石GNSS是当前唯一兼具全球性、高精度、低成本特征的PNT技术，覆盖地表至数万千米高度的广阔空间，适应人、物、车和各类平台的应用需求，不受季节、天气、地理空间、载体动态变化的约束；在军事应用方面几乎渗透至所有的武器装备、作战单元、信息系统，在民用方面则拓展至几乎所有的关键基础设施、移动载体、手机，成

7、为最大共性需求满足者。GNSS也是仅有的统一地理空间和惯性空间的时空基础设施，其他基于PNT技术的时空基准溯源主要手段。若缺失卫星导航，PNT体系将趋于碎片化。GNSS是国际PNT领域竞争与合作的标志性系统,论证系统能力的升级换代，部署新技术、新卫星、新服务成为潮流。以美国为例，始终将GPS作为国家PNT体系的核心（包括军用和民用领域），仍然相信GPS是一个非常强大的系统，目标不是取代它，而是在GPS降级的环境中增强GPS的可信度，进而提供可靠的PNT能力；加快GPS现代化进程，研发新一代GPS新技术试验卫星，切实提升未来GPS的抗干扰能力与韧性；以全球高精度覆盖为目标的Xona低轨导航星座试

8、验卫星成功入轨，成为后续300余颗卫星部署的开端。俄罗斯、欧盟启动了格洛纳斯、伽利略系统的现代化升级过程，日本、印度计划扩大现有区域卫星导航系统的星座规模以提升服务性能。三、不依赖技术特征与体系定位（一）不依赖技术特征不依赖技术是在PNT体系语境下，对卫星导航以外所有PNT技术的统称；作为对卫星导航的补充、备份和增强，与卫星导航共同构成了PNT体系。不依赖技术按照物理机制主要分为惯性导航、匹配导航、无线电导航、新兴导航等（见表1)O表1典型PNT技术的能力特征PNT技术定位精度授时精度应用范困限制条件终端成本愦性导航传统惯导微惯导l-2nmile/1-15d10m/3min一全球需要外部不断校

9、准.中小平台难以应用需要外部不断校准百万元录级百元到千元病级匹配导航重力导航百米最级一戒力特征明显区域需要现势性较高的里力场图定制终端.百万元量级磁力V航百米级磁力特征明显区域需要现势性较高的奥力场图定制终端，万元量级无线电卬航卫星导航米级十纳秒级全球开网空间无法覆盖室内等遨蔽环境十元量级低轨通信导航百米级百纳秒级全球通信震慈区域需要占用通信时那、频率、功率等资源千元最级（寄生于通信终湖）地面移动通信导航十米级百纳秒到微秒级区域,津站检盍3（K50m需要占用通信时隙、频率、功率等资源.以及地面高密度布站千元量级（寄生于通信终端）WiFi/蓝牙米级局域,单站相差IO-3Om需要地面高密度布站十元

10、量级超宽带分米级纳秒级局域,单站Sl盖千米量级需要地面中密度布站定制终端，百元到千元St级LOCata地基S航分米级纳秒级局域.单站覆盖千米量级需要地面中密度布站定制终端，千元量级陆基远程导航（牖强罗兰/共低领导航）百米Itt级百纳秒级广域.单站障盖0.15-1IO*km需要地面低密度布站定制终端,十万元量级1.惯性导航技术惯性导航作为一种全自主导航技术，不发射、不吸收外界的声、光、电等信息，对外界干扰免疫”，具有良好的隐蔽性和环境适应性，广泛应用于海、陆、空、天等领域的武器装备，成为核心导航与制导部件、高价值装备的保底PNT手段。当前，惯性导航、卫星导航共同占据着导航技术的主导地位。惯性导航

11、可弥补卫星导航的短时、局域不可用等局限，但无法提供时间信息，误差累积效应明显（定位精度随时间快速降低），需要不断进行外部校准；在装备应用时还需初始校准等过程，增加了综合应用成本。2.匹配导航技术匹配导航技术细分为重力匹配、磁力匹配、影像匹配、景象匹配等；将实际测量数据与预存数据库数据进行特征匹配以确定用户位置，属于自主无源定位导航手段，对无线电干扰免疫受数据库构建精度、用户测量终端匹配精度等的限制，匹配导航难以提供稳定、高精度的定位信息（精度通常在百米到千米级）。由于装备应用需依赖事先制备的高精度、高分辨率物理场图，技术保障难度大且成本高，加之易受场分布、气候、天气等因素的制约，匹配导航难以实

12、现连续导航；较多作为惯性导航的辅助手段，用于特征点校准。3 .无线电导航技术无线电导航技术在专用高精度导航系统中应用较多，如航空领域的仪表着陆系统、伏尔航路导航系统、测距仪、塔康，航海领域的罗兰系统，航天领域的飞行器测控系统，位于室内的超宽带系统，基于通信系统的各种PNT技术（WiFi、第五代移动通信（5G）、钺星）。这类导航技术的应用依赖地面、空间等区域部署的信标网络，适用区域与场景通常受限，与卫星导航一样存在信号被拒止的风险。4 .新兴导航技术近年来涌现了一批新兴导航技术，包括脉冲星导航、量子导航、仿生导航等；多为适用于特殊场景的前沿技术，技术探索有待深化，加之都存在一定的应用局限性，距离

13、工程化有较大差距。（二）不依赖技术在PNT体系中的定位各种不依赖技术均为满足专业使用需求而生，属于特定场景下的适配技术，支持了航海、航空、航天等装备应用以及飞行器精确制导等技术的发展，至今仍有鲜明的应用价值；但受物理机制所限，精度不高（数十米到千米级），终端体积质量大、成本高，应用区域及场景有局限性。当前，高价值、高安全要求的大型平台通常将自主导航（主要是惯性导航）技术作为“主用保底手段，辅以卫星导航以修正积累误差；这是不依赖技术的传统应用领域。而在单兵、蜂群狼群鱼群等低成本、小型化平台上，卫星导航技术是标准配置；不依赖技术受成本、体积、质量、功耗所限，难以适配。因此，以芯片原子钟、微机电系统

14、惯性测量单元为代表的微自主技术，以通信导航融合技术为代表的各类无线电导航技术等，成为不依赖技术的未来发展重点。整体来看，不依赖技术只是在PNT体系语境下的一种分类说法，意在强调这些技术与卫星导航相比具有相对独立、适应专有场景、没有共因失效问题等特点，但并不意味着较卫星导航技术具有优越性。尽管如此，提出不依赖技术这一概念确有现实意义：强化应用底线思维，关注单纯依赖卫星导航的潜在风险，强调多手段融合共用；聚焦卫星导航能力的短板弱项，明确安全性与坚韧性方面的发展重点；梳理各类不依赖技术的优势与局限，明确低成本、小型化的主攻发展方向。四、卫星导航与不依赖技术融合效能分析没有任何一种PNT技术能够独立满

15、足所有应用需求，需要按照体系化思维来统筹发展卫星导航和不依赖技术，发挥各类技术的互补优势，以深度融合实现能力互补和体系增效。（一）补充备份，扩展服务范围以提升体系弹性1 .场景互补卫星导航能够实现全球开阔空间的广域覆盖，但在遮蔽环境下性能明显下降,也无法覆盖水下、室内、深空等场景,惯性导航不受应用场景限制，可弥补卫星导航短时/区域被拒止的能力空缺。5G、水声、脉冲星导航等技术，是室内、水下、深空等卫星导航覆盖空白区域的良好补充手段。2 .弹性互备在地球开阔空间，各种无线电导航技术在一定区域内可以互为应用备份。如在室内，超宽带、WiFi、蓝牙、5G等技术可以互为导航应用备份。（二）融合增效，显著提高体系效能1 .卫星导航与不依赖技术交互支撑卫星导航可为不依赖技术基础设施的建设及运行提供时空基准。卫星导航、其他无线电技术可为惯性导航提供初始定位、定向等阵地保障，为各类匹配导航制备高精度、高分辨率的物理场图提供时空信息支持。2 .卫星导航与惯性导航融合赋能惯性导航具有自主性、抗干扰性、隐蔽性好，可高速连续输出导航参数的优点，但导航误差随时间累积。卫星导航具有定位和测速精度高、导航结果没有累积误差等优点，但在遮挡、高动态、强干扰