PNT的林林总总，进入GNSS发展新阶段

从GNSS起家的PNT（我们称之为新时空），现在在其前面加上了许多帽子，林林总总的有互补PNT（Complementary PNT），替代PNT（Alternative PNT），备份PNT（Backup PNT），弹性或者韧性PNT（Resilient PNT），综合PNT（ comprehensive PNT），可信PNT（Trusted PNT），确保PNT（Assured PNT）……等等。实质上，这些概念，没有什么根本性不同，而是体现不同研究与服务团队的某些不同的思维观念与解决方案途径。最近在《Inside GNSS》杂志上的一篇文章，名为“The ABCs of PNT”，阐述的相关问题，可供一读。

看看我们已经走了多远，我们今天所处的位置，以及我们在 GNSS 服务不可用时，保护 PNT 和关键基础设施的努力将走向何方。

替代、备份、互补、弹性。这些词语描述了全球为寻找能够在全球导航卫星系统服务缺失、退化或中断的情况下满足定位、导航和授时（PNT）等关键基础设施要求的技术所做的努力。这种搜索一直在进行，并将继续发展。在这里，回顾了美国和欧洲的一些努力，简要介绍了当前的PNT环境，以及它如何影响了寻求有弹性的PNT解决方案的最新发展，并简要介绍了这一探索的未来可能会发生什么。

1. 美国带头冲锋陷阵

多年来，美国一直在吹响保护、加强和扩大PNT的号角。2021 年，沃尔佩（Volpe ）国家交通系统中心在美国交通部 （DOT） 的指导下编制的分析是旨在确定 GPS 的可行备份或补充的早期研究之一。Volpe 报告根据 14 种有效性衡量标准 （MoE） 在各种情况下，根据几个性能特征（例如，弹性、精度、覆盖范围和部署可行性）评估了来自不同公司和组织的 11 种不同技术的有效性。

具体来说，是根据四个属性评估供应商系统的五个时序情景：72小时台架静态时序、静态室外时序、静态室内时序、静态地下室时序和eLORAN参考站偏移。DOT 还开发了四种定位方案，根据这五个属性评估供应商系统：带保持的动态室外定位、3D 定位、静态室外定位和静态室内定位。

然而，Volpe还得出结论，没有任何一种替代技术可以完全取代GPS或满足其四个已确定的关键基础设施部门（运输，电信，能源和太空运营）的所有PNT要求。相反，它建议使用多样化的互补技术组合来增强国家的关键基础设施。会议还强调了继续研究和开发的重要性，需要建立公私伙伴关系来探索和部署有效的PNT解决方案，并强调必须进行联邦指导和协调，以确保替代PNT（A-PNT）系统的互操作性和安全性。

2. 欧洲进入替代PNT（Alt-PNT）游戏

自Volpe报告发布以来已经过去了三年，并且出现了未经测试的新技术。因此，位于意大利伊斯普拉的欧盟委员会 （EC） 联合研究中心 （JRC） 利用国防工业和航天总局 （DEFIS） 的招标启动了自己的 A-PNT 测试活动。由此产生的报告介绍了这项最新且极其全面的欧洲测试活动的结果（“DEFIS报告”，正式名称为“评估替代定位、导航和授时技术”）。六家公司获得了测试活动的EC合同，他们是：OPNT BV，Seven Solutions SL，Satelles Inc.，GMV Aerospace and Defence，Locata和NextNav。JRC使用了几个关键性能指标（KPI）和相关的性能特征：抗干扰能力（包括GNSS频率、弱射频、强射频）、加密就绪性（包括数据、信号）和对本地、区域或大陆地区的可扩展性。与之前的Volpe报告一样，DEFIS报告没有在测试的技术中指定一个“赢家”。NextNav 和 Satelles tech 在几项测试中再次表现出色。然而，通过研究性能表1和表2（发表在最终的JRC DEFIS报告中），很明显，Locata的新技术似乎是这项研究中表现最好的技术。在所有 PNT 候选产品中，Locata 是唯一一种在所有测试的环境场景中都提供出色性能的技术，并且在所有测试的弹性、准确性和部署参数中都提供了出色的性能。

Locata 是一种基于地面的技术，可提供高精度的定位和授时。它使用一个专有的地面发射器网络，称为LocataLites，它发出的信号Locata接收器可以使用这些信号来高精度地计算其位置。Locata网络的新颖之处在于，其发射器可以保持亚纳秒级同步，而无需依赖GPS、卫星、外部校正或所有其他测试系统所依赖的原子钟。这种独特的新功能在JRC测试中得到了清晰的展示，并记录在最终的DEFIS报告中。Locata 专门设计了这项技术，用于 GPS 和其他 GNSS 信号不可靠或不可用的地区。在JRC测试中，Locata的技术表现出了显著的弹性，即在面对信号干扰、干扰或环境障碍等挑战时保持运营能力的能力。Locata 测试在德国杜塞尔多夫的工业测试设施和 Ispra 的 JRC 设施的“多路径丰富”室内空间进行，评估了 Locata 技术在各种挑战下的定位精度，包括影响弹性的挑战。该技术在这些不同环境中的性能表明具有高水平的弹性，特别是在克服城市和室内环境中常见的信号多径问题方面。

精度是任何PNT技术的关键衡量标准，它表明系统提供精确位置和定时信息的能力。JRC 工程师对 Locata 系统进行了测试，以测量精确的时间传递能力和定位精度。这些测试包括JRC设施内的局部区域组件和延伸到场所外的广域组件，使用室外“定时骨干网”来同步室内定位网络。这些测试的具体数值结果表明，重点在于验证Locata技术在不同条件下的精度。JRC测试还涵盖了大规模部署该技术的实际方面，包括基础设施要求、可扩展性以及与现有系统的集成。在JRC的演示中，Locata在全自动港口机械制造和测试设施中使用了其技术。现场的自主机械用于展示Locata在需要高精度和可靠性的环境中的厘米级性能，以及其集成到复杂工业应用中的能力。此外，向室内Locata Rover进行UTC时间传输的演示表明，该技术能够与全球时间标准集成，这是部署可行性的重要因素。该报告证实，Locata的地面网络在GPS不起作用的区域提供非基于GPS的厘米级定位精度。

那么能够从Volpe和DEFIS报告中学到了什么？尽管起源于不同时期的不同地区，但他们在关于A-PNT的发现中有几个共同点。

3. 共同点和学习

Volpe 和 DEFIS 的共同点反映了全球对弹性 PNT 解决方案的需求达成共识，这些解决方案可以补充或作为 GNSS 的备份。在高层次上，两份报告还强调了全球导航卫星系统的脆弱性，包括在某些环境中容易受到干扰、欺骗和信号退化的影响。这种共同的担忧凸显了对A-PNT解决方案的迫切需要，以确保关键基础设施和国家安全服务的连续性。

在这两份报告中，弹性和精度都是关键的绩效特征，特别是在运输和电信领域。这两份报告都评估了技术提供可靠和精确PNT信息的能力，即使在GNSS信号受到损害的挑战性条件下也是如此。从这些演示来看，Locata、NextNav 和 Satelles 似乎是最有力的竞争者。同时，两份报告都得出结论，没有任何一种A-PNT技术可以在所有应用和领域完全取代GNSS。相反，他们主张在系统集成中采用多样化的技术组合，以分层的方式满足不同的需求和环境。这两份报告还汇集了进一步研发、支持性公私伙伴关系和政策框架的需求，以增强全球PNT服务的复原力。关于持续的研发需求，他们重点关注提高A-PNT技术的性能、可扩展性和成本效益的要求，并强调了创新和测试的重要性，以确定可以大规模部署的可行解决方案。这个具体点似乎是美国交通部关键国家基础设施测试的核心。

最后，他们一致认为，在政策方面，对互操作性、标准化和安全性的考虑将确保这些技术能够在现有基础设施中有效实施。自DEFIS和Volpe报告发表以来，一些全球事件凸显了仅依赖全球导航卫星系统的脆弱性，并证实了现在需要真正的解决方案。

4. 不断变化的威胁情况

在过去几年中，世界目睹了网络安全威胁、地缘政治紧张局势、自然灾害、空间天气事件和气候变化的增加，以及随之而来的技术进步及其自身新的脆弱性。所有这些都凸显了弹性PNT系统和强大的替代解决方案的重要性与日俱增。网络安全威胁，包括对关键基础设施的更复杂的网络攻击，数量有所增加。对能源网、交通网络和政府数据库的攻击表明，数字和通信网络中的脆弱性是如何被利用的。例如，无论是美国还是全球的能源电网都面临着许多虚拟（网络）弱点，除非其他解决方案能够支撑它们，否则这些薄弱环节可能导致电力供应和日常生活中断。涉及大国的地缘政治紧张局势不断升级，引发了人们对卫星导航系统安全性的更多担忧。在俄罗斯-乌克兰等冲突地区，GPS信号干扰和欺骗的情况已经扩展到附近地区。

此外，在气候变化的推动下，自然灾害的频率和严重程度不断增加，对全球导航卫星系统基础设施构成了重大风险。众所周知，飓风、野火和地震会破坏卫星地面站和其他关键基础设施。A-PNT技术可以确保在此类事件期间和之后的连续运行。重大的空间天气事件，如太阳耀斑和地磁暴，有可能扰乱卫星的运行。如果强烈的太阳耀斑干扰卫星通信，这可能会导致精度降低或定位和定时数据完全丢失。这种风险凸显了将地面和非卫星系统作为可行的PNT替代方案的重要性。

最后，技术不断进步，随之而来的是新的漏洞。5G 网络和物联网 （IoT） 的扩展增加了我们对精确可靠的授时的依赖，而目前主要由 GNSS 提供。GNSS服务的任何中断都可能对从城市交通到关键医疗保健服务的一切产生连锁反应。这种互联性凸显了对多样化PNT解决方案的需求，以便在GNSS发生故障时提供独立的备份。

这些事件共同表明，各国和各行各业越来越有必要投资和开发有弹性的PNT系统，以确保关键服务在面对多样化和不断变化的威胁时的连续性和可靠性。随着对强大的 A-PNT 解决方案的需求比以往任何时候都更加迫切，以维护国家安全、经济稳定和公共安全，其他国家也加入了 A-PNT 的行列，其中最著名的是英国 （UK）。

5. 英国发起了自己的倡议

为了应对日益认识到天基PNT资产面临的脆弱性，特别是由于附近的地缘政治紧张局势而产生的脆弱性，英国启动了一项综合战略，以增强其PNT服务的复原力和创新能力。联合王国PNT战略的关键组成部分包括：制定一项跨政府危机计划，以确保立即为服务不可用的情况做好短期准备;建立一个国家计时中心，在英国各地提供有弹性的、地面的、主权的和高质量的计时服务;PNT增长政策强调各部门的研发计划，标准和测试活动;以及一个情境互补 PNT （CPNT） 框架，以配合 JRC 和 DOT 的工作。为了支持这一战略，英国研究与创新委员会（UK Research and Innovation Council）推出了战略重点基金（Strategic Priority Fund）。英国国家授时中心目前是这项为期 5 年、耗资 3600 万英镑的计划的牵头，致力于确保英国各地可靠的时间和频率服务。它有三个主要目标：建立一个有弹性的增强时间尺度基础设施;通过Innovate UK为英国工业提供财政支持;并为专家、研究生和学徒提供专门的培训计划。具体来说，为了提高国家的时间弹性，该计划计划通过提供原子钟备份来扩大产生时间的站点网络，以确保用户可以访问UTC（k）可追溯时间（想想：整个英国的弹性分布式原子钟网络）。这种弹性增强时间服务 （RETS） 基础设施包括四个站点，旨在独立于 GNSS 运行。随着英国继续加大计时力度，美国交通部也在努力开发和实施CPNT技术。

6. DOT加大了搜索力度

在过去的一年里，美国交通部发布了信息请求 （RFI） 和随后的报价请求 （RFQ），这只能被描述为加紧努力。RFI明确指出，DOT主要寻求高技术就绪水平（TRL）的非天基替代方案，这些替代方案可以在不利的GNSS条件下提供准确性、完整性和弹性。它为其寻求的技术设定了严格的要求，包括面对信号中断时的准确性和完整性、抵御各种信号威胁的可靠性以及与国家网络安全框架一致的严格安全实践。在最近对负责定位、导航和时序与频谱管理办公室的助理部长办公室主任凯伦·范·戴克（Karen Van Dyke）关于后续询价的采访中，她将交通部的努力描述为“双管齐下的方法”，重点是加强GPS以及寻找“差距填补者”，以便在GPS不可用时加紧努力。在 5 月下旬于华盛顿特区举行的 Assured PNT 峰会上，Van Dyke 宣布 DOT 希望在 6 月的某个时候向美国政府选择的 CPNT 候选人授予合同，以进行关键国家基础设施测试，他们做到了。

7. 没有一个尺寸适合所有人

有一点是肯定的，无论是在美国、欧盟，还是英国，都不会有针对 A-PNT /CPNT，因为相关的关键基础设施部门都有其特定的运营要求和挑战，这使得某些A-PNT技术比其他技术更适合。根据到目前为止的演示，我们所看到的是一些技术适用于某些应用程序，可以说，没有一种技术可以适用于所有应用程序。总之，这些技术可以提供必要的弹性、精度和安全性，以支持Volpe和DEFIS报告中确定的关键基础设施部门。与此同时，我们所能做的就是继续等待，看看美国和整个大洋彼岸将继续发生什么事态发展，以寻求能够保护我们的安全、经济和日常生活的A-PNT和CPNT解决方案。