摘要：

綜合定位、導航與授時（PNT）的核心是不過分依賴GNNS，采用一切可以應用的PNT信息源實施全空域目標定位、導航與授時服務。本文分析了綜合PNT需求，論述了綜合PNT的基本定義和基本概念，分析了綜合PNT所涉及的信息源，論述了綜合PNT關聯的核心技術，包括多源PNT傳感器集成技術、多源PNT的數據融合技術。強調指出，綜合PNT體系的信息源必須是“基于不同物理原理的多源信息”；綜合PNT的運控系統應該基于云平臺，實現用戶志愿者共同測控；用戶終端或傳感器必須“深度集成、低功耗"；PNT服務信息必須是“智能融合或自適應融合”。綜合PNT系統應該在統一時空基準下，滿足服務的可用性、精確性、可靠性、連續性和穩健性。

關鍵詞 ：綜合PNT；多源信息；傳感器集成；自適應數據融合；穩健性

衛星導航定位系統的發展徹底改變了人們的生活方式；改變了部隊的作戰樣式，尤其是改變了戰場感知樣式；也改變了 *** 的多種管理模式，特別是交通管理的樣式。中國建成的區域北斗衛星導航系統（BDS）也在中國交通管理、應急指揮、海洋漁業及國防建設中發揮了重要作用。但是BDS與美國的GPS、俄國的GLONASS和歐盟Galileo系統一樣都具有天然的脆弱性。即信號弱、穿透能力差、易受干擾。衛星導航系統（GNSS）一般由3部分組成：空間段、地面段和用戶段。首先，空間段衛星的安全穩定運行存在隱患，衛星本身和衛星的重要載荷可能出現故障；其次GNSS衛星信號非常微弱，極易受到干擾和欺騙，影響國防、電力、金融等核心用戶群；另外衛星的星歷一般靠地面跟蹤站和運控系統提供，地面運控系統一旦崩潰，GNSS的PNT服務將無法保障；最后GNSS的PNT服務不能惠及地下、水下和室內，在高樓林立的大城市和森林密集的特殊地區，由于GNSS信息易受遮擋，也無法保證PNT服務的可用性、連續性和可靠性。

微信號：MeetyXiao
添加微信好友, 獲取更多信息
復制微信號

早在2010年，美國交通部和國防部就開始謀劃美國國家綜合PNT架構，擬在2025年前，構建國家PNT新體系。該PNT系統能夠提供能力更強、效率更高的PNT服務。美國把PNT作為美國經濟和國家安全依賴的基礎設施。美國發動的海灣戰爭和南聯盟戰爭，已經將GPS PNT的作用發揮得淋漓盡致。然而，美國的決策者們也已經意識到美國的國防行動過分依賴GPS，于是，他們又開始擔心GPS PNT的脆弱性、安全性和穩健性，并策劃構建新的PNT替代體系。美國國防部和交通部聯合40多家科研院校和企業，開始研發基于不同物理技術、不同原理和新計算理論的PNT體系。

Parkinson教授2014年提出PTA概念，即保護（protect）、堅韌（toughen）和增強（augment），其核心是保護GPS的PNT信號不受攻擊，并具有堅韌性。他提出采用星基和地基增強 *** 提升GNSS的PNT服務能力，提高可用性和完好性。Parkinson教授2015年進一步強調，在PNT應用的基礎設施方面，美國要發展威脅GPS PNT的正規模型，并分別監測GPS和其他GNSS信號的完好性。

所謂“綜合PNT"至今并無統一定義，依作者的觀點，“綜合PNT"首先多信息源的PNT（multi PNT signal source），其次是非中心化或云端化運控（云平臺控制體系）的PNT，第三是多傳感器組件深度集成的PNT（integration of multi PNT sensors），最后是多組件多源信息在不同用戶終端深度融合的PNT（fusion of multi PNT dada）。所以綜合PNT最終體現在用戶PNT服務性能的提升。換言之，“綜合PNT"必須包含幾個核心性能要素：即必須滿足可用性（availability）、完好性（integrity）、連續性（continuity）和可靠性（reliability）。此外，還應加上穩健性（robustness）。如此，可給出如下“綜合PNT"定義。

綜合PNT定義：基于不同原理的多種PNT信息源，經過云平臺控制、多傳感器的高度集成和多源數據融合，生成時空基準統一的，且具有抗干擾、防欺騙、穩健、可用、連續、可靠的PNT服務信息。綜合PNT概念框圖見圖1

圖1 綜合PNT信息流程圖

上述定義實際上也包含通常GNSS PNT服務的兼容與操作性。

實際上，“綜合PNT"具有“混合”和“自主”的屬性，有人稱為“混合自主PNT"（Hybrid and Autonomous PNT System），簡稱HAPS。混合自主PNT也強調基于不同原理的多類PNT信息源，多種技術和多種功能的PNT傳感集成，多類信息的融合服務。混合自主PNT強調協同、組合、集成、融合，以致多系統組合提供的PNT服務比單一系統的PNT服務更具有可用性、連續性和可靠性。如多類GNSS融合導航、GNSS/無線電通信組合、GNSS/重力匹配/INS組合等都屬于這類綜合PNT服務體系。

自主PNT系統（autonomous system）包含兩個含義：一是某單一PNT系統無須其他外部系統支持，可自主完成或維持PNT服務；如基于星間鏈路的衛星自主定軌、測時所維持的GNSS PNT服務，慣性導航提供的PN（定位與導航）服務等；二是某一系統與其他功能組件進行緊組合實現體系的自主PNT服務，以補充單一系統PNT服務的保真性（fidelity）和穩健性（robustness），。通常采用的GNSS/INS緊組合導航即屬于這類自主綜合PNT。

定義“綜合PNT"不難，而搭建國家綜合PNT系統、提供綜合PNT服務則相對困難。首先，PNT的服務用戶需求各不相同，如高安全用戶需求抗干擾、防欺騙，并要求具有水下、地下PNT服務功能；普通用戶要求具有室內外一體化PNT服務能力；交通運輸用戶要求具有高動態、連續且不受障礙遮擋影響的PNT服務；特殊群體還需要PNT服務可穿戴、小型化、低功耗、智能化等。

顯然，綜合PNT體系構建必然涉及服務終端的高度集成化、小型化甚至微型化（如芯片集成），而且綜合PNT體系還涉及智能化的信息融合。

為了滿足穩健可用性、穩健連續性和高可靠性，綜合PNT必須具有基于不同原理的冗余信息源。之所以強調“不同原理”，是因為基于相同原理的信息一旦受干擾、遮蔽，再多的信息源也無濟于事。

（1）天基無線電PNT信息。天基無線電PNT信息仍然是未來綜合PNT的主要信息源。中國的綜合PNT系統必須以中國北斗衛星導航系統（BDS）為核心，兼容美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟Galileo和其他區域衛星導航系統，這種綜合系統有人稱之為GPSS（global PNT system of system）。這些高軌GNSS信號必須滿足兼容與互操作，否則綜合PNT服務將會產生混亂。

為了提升GNSS的服務能力，尤其是提升飛機安全飛行與降落安全性，多個發達國家分別建立了星基增強系統（SBAS），美國稱之為廣域增強系統（WAAS），歐盟稱之為EGNOS，俄羅斯稱為SDCM，日本稱為MSAS，印度稱為GAGAN等；為了精密測量和局部增強，多國建立了地基增強系統（GBAS）。

此外，為了增強天基PNT，也有人提出利用低成本低軌衛星和通信衛星作為天基GNSS信號的補充和增強。首先低軌衛星和各類通信衛星軌道較低，信號功率相對較強，一般不易受到干擾（刻意干擾除外），而且低軌衛星和通信衛星參與PNT服務可極大增加用戶可視衛星個數，增強用戶衛星觀測的幾何結構，而且信號強度也得到提升，于是有利于提升天基PNT服務性能。高低軌衛星集成PNT示意圖見圖2。

圖2高軌與低軌衛星集成PNT示意圖

但必須注意：即使天空布滿各類PNT衛星，但當信號被遮擋（如地下、水下、室內）時，這類天基PNT服務必將中斷。且天基PNT服務易受故意干擾或者欺騙，不能確保PNT服務的安全性。此外，這類天基PNT服務需要地面運控系統的支持，一旦地面運控系統受損，天基PNT服務即可能受到嚴重影響。

（2）地基無線電PNT信息源。地基PNT包括地基增強GNSS，偽衛星系統，以及其他多種地基無線電PNT服務體系。實際上，在GPS之前各國就發展了多種地基無線電導航定位技術，如多普勒導航雷達系統（Doppler navigation radar）羅蘭系統（ROLAN）、塔康系統（TACAN）、奧米伽（Omega）甚低頻無線電系統、伏爾（VOR）甚高頻系統、阿爾法（Alpha）系統等。這些地基無線電導航系統作用范圍小，不易實現全球無縫PNT服務。但可以作為區域PNT服務的補充。近年來快速發展的移動通信和無線 *** 系統可以作為新型地基PNT的重要信息源。此外，可以基于地基無線電 *** 體系構建PNT云（PNT Cloud）服務系統，類似于云計算。所有志愿者都可以在定位、導航和時間服務平臺上提供各端點信息，通過云平臺計算使端點用戶獲得 *** PNT信息服務。

（3）慣性導航信息源。慣性導航系統（inertial navigation system，INS）是機電光學和力學導航系統。INS具有自主性強的優點，與外界無須光電交換即可依賴自主設備完成航位推算。INS的微機電系統MEMS具有成本低、易集成的特點。INS系統可以提供載體的位置、速度和加速度信息，適于水下、地下、深空等無線電信號不易到達區域的導航定位。

但是，INS一般不能提供高精度時間信息，誤差積累較為明顯。而高精度INS價格昂貴。所以INS一般需要與其他PNT信息源進行集成和融合，首先需要集成高精度時間信息源，其次需要高精度外部位置信息進行累積誤差糾正。

（4）匹配導航信息源。匹配導航信息源一般先將具有統一地理坐標特征的信息進行存儲，然后通過各類傳感器獲取相應特征信息，再與預先測量并儲存的信息進行匹配，進而獲得位置信息。這類匹配PNT信息源主要有影像匹配、重力場匹配、地磁場匹配。這類匹配導航信息適于水下、井下和室內導航定位。導航定位精度取決于預先測量信息的空間分辨率和絕對位置精度，也取決于載體傳感器的實時感知精度，其中地磁場信息過于敏感，任何物理環境的擾動都會引起地磁場信息的較大變化。此外，匹配導航一般不提供時間服務，于是也需要與時間信息源集成，并與其他PNT信息源進行融合。

（5）其他PNT信息源。光電天文觀測信息、銀河系外的脈沖星信號、激光導航信息、水下聲吶信標等都可以作為綜合PNT信息源。

隨著PNT信息源的增加，必然給用戶PNT服務終端研發帶來挑戰。未來的綜合PNT服務終端應實現芯片化集成，才能實現小型化和低功耗；應包含無線電導航、慣性導航組件和微型原子鐘組件等微型裝置，且無系統間偏差，滿足互操作等特性。

目前，最易實現的是將芯片級原子鐘、微電子機械系統（micro-electro-mechanical systems，MEMS）的慣性測量單元IMU（inertial measurement unit）和GNSS集成，或將IMU和芯片級原子鐘嵌入到GNSS接收機，這方面研究很充分，并且有相應的產品，而且INS與GNSS的互補性強，是比較理想而且相對簡單的綜合PNT集成系統。

但是由于慣性導航的誤差積累顯著，在缺失GNSS信號的情況下，這類綜合PNT的長期穩健服務仍然存在問題。

另一種PNT終端集成是各類匹配導航傳感器、芯片化的原子鐘與計算單元及MEMS IMU集成。注意到盡管影像、重力、磁力值所對應的位置信息本身精度不高，但它們沒有明顯的系統誤差累積，而且這幾類PNT信息一般不受外界無線電干擾，于是可以用于長距離航行的慣性導航誤差糾正。此外，超穩微型原子鐘單元可以為各類匹配導航、慣性導航提供同步時間信息。

綜合PNT未來終端還可能包括脈沖星信息感知傳感器、光學雷達傳感器等。多源信息感知的敏感性、抗干擾性、穩定性是集成PNT傳感器的關鍵。應該強調，未來綜合PNT體系發展，首先必須解決小型或微型超穩時鐘研制難題，為機動載體提供穩定可靠的時間服務；其次是發展超穩定、且累積誤差小的慣性導航組件（如量子慣性導航器件）等，為長航時載體提供無須外部信息支持的定位、導航與授時服務；必須發展芯片化傳感器的深度集成技術，而不是各類傳感器的簡單捆綁，如此才能滿足小型化、便攜式、低功耗、長航時PNT服務的需要。

“綜合PNT"不是單一PNT信息的集成或者綜合，而是多類信息的融合。多類信息由于空間基準不同，必須進行空間基準的歸一化，中國綜合PNT體系應該采用中國2000坐標基準[1-111；多信息融合必須基于統一的時間基準，尤其是對于高速運動的載體的PNT服務，統一時間基準尤為重要。中國的PNT必須以北斗衛星導航系統（BDS）為核心，于是應該采用中國北斗時間（BDT）作為時標，對其他信息源進行時間歸算、時間同步和時間修正等，使用戶的綜合PNT對應同一時標。

多源PNT信息融合必須統一觀測信息的函數模型。實際上基于不同背景、不同原理構建的PNT服務系統或PNT服務組件，其函數模型是不同的。各類觀測信息中可能還含有各自對應的重要物理參數、幾何參數和時變參數等信息。為了實現綜合PNT服務，各類PNT觀測信息的函數模型必須表示成相同的位置、速度和時間參數（即用戶關注的PNT參數）。

函數模型的統一表達是深度PNT信息融合的基礎。共同的函數模型還應包括各類PNT傳感器或各類PNT信息源的系統偏差參數（或互操作參數），如多個GNSS信息融合的頻間偏差，慣導與GNSS組合的慣導累積誤差等。

多源PNT信息融合必須有合理優化的隨機模型。不同類型的PNT觀測信息具有不同的不確定度以及不同的誤差分布。在多類PNT信息融合時，應實時或近實時地確定各類觀測信息的方差或權重，可以采用方差分量估計或基于實際偏差量確定的隨機模型。

綜合PNT信息處理必須采用合理高效的計算 *** 。多源信息并行計算是實現高效PNT信息融合的重要手段；如聯邦濾波。為了避免重復使用動力學模型信息，可采用動靜濾波技術。為了控制各觀測異常對PNT參數的影響，可以采用抗差信息融合。為了控制動力學模型異常對綜合PNT參數估計影響，可以采用自適應Kalman濾波進行PNT信息融合。多源PNT信息融合框圖見圖3。

圖3 多源PNT信息融合

多源PNT信息融合必須建立在信息兼容與互操作基礎上，如此才能確保PNT結果的可互換（interchangeable）。融合后的PNT，不僅可用性和連續性得到提升，實際上，穩健性和可靠性也會得到顯著增強。

這里需要強調指出：中國的綜合PNT數據融合，應盡可能以BDS信息為核心，以BDS對應的坐標基準和時間基準為基礎。此外，在綜合PNT體系下，單一系統的完好性的重要性將顯著減弱。因為綜合PNT的信息源更豐富，多源信息的容錯能力、誤差補償能力將得到增強，尤其是基于抗差估計原理的多源信息融合，將會提高綜合PNT的抗差性（穩健性）。

綜合PNT是未來定位導航和授時的發展方向。綜合PNT首先是PNT信息的“多源化”，傳感器的高度“集成化”和小型化，綜合PNT時空基準“歸一化”，運控手段的“云端化”，多源信息融合的“自適應化"，PNT融合數據的“穩健化"，最終實現PNT服務模式的“智能化”。由于綜合PNT強調PNT原理的多樣性與信息的冗余性，于是綜合PNT的容錯能力、系統誤差的補償能力、異常誤差影響的控制能力、及抗差性（或穩健性）都會得到顯著增強，進而可用性、完好性和可靠性都會得到提升，于是，一般意義上的單系統用戶完好性要求將顯著削弱。

綜合PNT發展的核心技術包括：微型超穩時鐘（芯片化原子鐘）、超穩慣導器件或自主導航傳感器、多源傳感器的芯片化集成、多源PNT信息的自適應融合理論模型與快速計算 *** 等。

中國的綜合PNT體系一定是以BDS PNT為核心的多源信息融合的PNT。