通信網(wǎng)絡(luò)PNT大變革時(shí)代即將到來(lái)

如果沒有PNT體系的三個(gè)維度和工具，我們追尋的有關(guān)“萬(wàn)物互聯(lián)”的一切則很可能淪為“空中樓閣”——這是中科院院士、北斗系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師楊元喜在北斗年會(huì)上表達(dá)的觀點(diǎn)。這是一個(gè)應(yīng)該被重視并基于此有所行動(dòng)的觀點(diǎn)。

PNT體系即定位(Positioning)、導(dǎo)航(Navigation)、授時(shí)體系(Timing)組成的時(shí)空體系，是我們得以在紛繁信息中準(zhǔn)確描述時(shí)間和空間的關(guān)鍵技術(shù)。以大數(shù)據(jù)為例，其挖掘利用就有賴于用定位、導(dǎo)航、授時(shí)來(lái)尋找線索、發(fā)現(xiàn)規(guī)律從而提供決策，否則就是一堆“亂數(shù)據(jù)”“雜數(shù)據(jù)”。

目前常見的PNT信息，都是由全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的。不過，不管是美國(guó)GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯，還是中國(guó)的北斗，都具有一個(gè)天然的“脆弱性”，即“信號(hào)弱、穿透能力差、易被欺騙、易被干擾”。

如此一來(lái)，通過多手段建立時(shí)空領(lǐng)域的綜合PNT體系就顯得十分必要。北斗透露：未來(lái)中國(guó)擬加快推進(jìn)以北斗系統(tǒng)為核心的國(guó)家綜合PNT體系建設(shè)，爭(zhēng)取到2030年前后，構(gòu)建基準(zhǔn)統(tǒng)一、覆蓋無(wú)縫、安全可信、高效便捷的國(guó)家綜合PNT體系。

在楊元喜的設(shè)想里，綜合PNT可能的信息源，除了包括北斗系統(tǒng)在內(nèi)的高低軌天基無(wú)線電，還可以包括地基無(wú)線電、重力匹配導(dǎo)航、磁力匹配導(dǎo)航以及天文導(dǎo)航，甚至是量子導(dǎo)航等。

綜合PNT體系的建設(shè)，將在2020年迎來(lái)關(guān)鍵時(shí)刻。

彼時(shí)，中國(guó)北斗體系的35顆衛(wèi)星已全部發(fā)射完成，北斗二代進(jìn)入全球范圍內(nèi)的全面運(yùn)營(yíng)，北斗三代會(huì)開始考慮，美國(guó)的GPS3也會(huì)開始投入使用；中國(guó)5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入全面建設(shè)與運(yùn)營(yíng)；互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期?；谶@些基礎(chǔ)條件的鋪設(shè)，國(guó)內(nèi)將迎來(lái)以互聯(lián)網(wǎng)+為代表的智能制造，以自動(dòng)駕駛為特點(diǎn)的車聯(lián)網(wǎng)，以大數(shù)據(jù)為代表的智能服務(wù)等大批量應(yīng)用爆發(fā)的新時(shí)代，這些應(yīng)用需求將強(qiáng)烈催生網(wǎng)絡(luò)PNT體系的快速升級(jí)與發(fā)展。

基于應(yīng)用需求，以北斗系統(tǒng)為核心的網(wǎng)絡(luò)PNT體系升建設(shè)，將有四大方向：

1、提高時(shí)鐘精度。人類活動(dòng)離不開對(duì)時(shí)間信號(hào)的依賴，隨著人類對(duì)信息量和距離量的要求越來(lái)越高，對(duì)時(shí)間信號(hào)精度的要求也越來(lái)越高；未來(lái)，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，由于物無(wú)智慧，對(duì)時(shí)間信號(hào)的要求會(huì)更高。

時(shí)間信號(hào)以衛(wèi)星信號(hào)傳輸為主要手段。熟悉GPS的人都知道，衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)際上是通過測(cè)量衛(wèi)星和地面站之間的距離以及確定它們之間的時(shí)鐘關(guān)系，來(lái)明確衛(wèi)星的位置信息。在已知衛(wèi)星的位置和時(shí)間信息之后，地面用戶同時(shí)接收到四顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)之后就可以解算出自己的位置，這就是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的原理。

對(duì)于導(dǎo)航衛(wèi)星本身來(lái)說，極高精度的時(shí)間系統(tǒng)是最核心、最關(guān)鍵的設(shè)備之一；一旦失去準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)能力，一顆衛(wèi)星就無(wú)法提供可靠的定位服務(wù)——相反，它會(huì)把問題攪得一團(tuán)糟。為了解決計(jì)時(shí)的精度問題，導(dǎo)航衛(wèi)星上目前普遍搭載了精度極高、但重量和體積又可以接受的原子鐘。

原子鐘的概念，最早在1944年由美國(guó)科學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者拉比提出。中國(guó)由于前期購(gòu)買國(guó)外的原子鐘，導(dǎo)致自身在原子鐘技術(shù)、產(chǎn)品的研發(fā)上落后；在加上國(guó)外的技術(shù)保護(hù)，我們得到的產(chǎn)品和服務(wù)始終落后于國(guó)外，狀況令人堪憂。

近年來(lái)，中國(guó)改變了策略，強(qiáng)化了自主開發(fā)與研究。目前，星載原子鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破，研制出高性能的銣原子鐘，使銣原子鐘穩(wěn)定度從1×10-13/日提高到2－3×10－14/日的國(guó)際先進(jìn)水平。目前，該原子鐘已被選為我國(guó)二代系統(tǒng)的核心部分。

2、增加衛(wèi)星數(shù)量。到2020年，中國(guó)北斗衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到35顆，保證在全球任何地方收到4顆以上衛(wèi)星信號(hào)，亞太地區(qū)會(huì)刻意加強(qiáng)，可同時(shí)接收到更多；同時(shí)接收到衛(wèi)星數(shù)量越多，解算精度越高。

3、增加導(dǎo)航頻率。北斗衛(wèi)星將采用B1、B2、B3三個(gè)工作頻率，通過接收機(jī)的相位差分算法，進(jìn)一步減小由于電波傳播變化引起的誤差，提高時(shí)間和定位精度。

4、通過地基增強(qiáng)系統(tǒng)。建立地面無(wú)線系統(tǒng)，通過固定CORS站的長(zhǎng)期固定觀測(cè)，減少氣候變化的隨機(jī)性誤差，進(jìn)一步提高精度。建立站點(diǎn)越多，地域分區(qū)越小，精度越高。

在邁向北斗全球?qū)Ш降慕裉?，有科研人員提出了一種新的區(qū)域位置編碼體系，支持陸、海、空、天和地下空間的“區(qū)域”標(biāo)識(shí)。衛(wèi)星導(dǎo)航的本質(zhì)就是定位，能否提供高精度的時(shí)空基準(zhǔn)服務(wù)，是驗(yàn)證其成敗的標(biāo)準(zhǔn)。而所謂“北斗網(wǎng)格碼”，有人比喻稱其是空間大數(shù)據(jù)的集裝箱，就是北斗系統(tǒng)專門研發(fā)的全球區(qū)域位置標(biāo)識(shí)編碼。

要實(shí)現(xiàn)綜合PNT體系的發(fā)展，離不開移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的同步升級(jí)。未來(lái)，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)仍需在以下幾個(gè)方面著重開展工作：

1、升級(jí)基站的時(shí)鐘系統(tǒng)?；緯r(shí)鐘板升級(jí)到具有B1、B2和L1、L2四頻接收，具有相位差分計(jì)算能力。時(shí)鐘精度至少提高一到二個(gè)數(shù)量級(jí)（接近1×10-12/日），位置精度可以達(dá)到毫米級(jí)（1-10mm）。

與之配套的衛(wèi)星接收天線要采用具有多星多頻的測(cè)量級(jí)天線，第一代簡(jiǎn)易的GPS單頻天線，北斗單頻天線或?qū)蓚€(gè)天線疊加在一起的雙頻天線，由于其具有窄帶特性和相位中心誤差太大，帶來(lái)時(shí)鐘和定位解算誤差太大，不能滿足需要，需要進(jìn)行更換。

2、增加CORS功能模塊。增加多星多頻的綜合解析運(yùn)算和固定點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析能力。CORS站的精度在1-10mm，終端距離CORS站越遠(yuǎn)，結(jié)算精度越差，由于現(xiàn)在建設(shè)的CORS站太少，結(jié)算精度只能達(dá)到分米級(jí)。如果將基站增加具有CORS功能，終端距離基站非常近，定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

3、建立基站與終端之間的修正誤差因子發(fā)布機(jī)制。增加給終端發(fā)布基站所在區(qū)域的電波傳播誤差因子/修正因子的發(fā)布功能，使得終端能夠及時(shí)獲得結(jié)算所需當(dāng)?shù)仉姴▊鞑サ膮?shù)，使得終端結(jié)算精度達(dá)到厘米級(jí)（1-10cm）。

完成這些工作之后，真正的物聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)傳輸才能進(jìn)入實(shí)用階段，萬(wàn)紫千紅的應(yīng)用將迸發(fā)出來(lái)。比如車聯(lián)網(wǎng)，通過這些升級(jí)之后，基站位置自我位置測(cè)量可以達(dá)到毫米級(jí)；車載終端位置達(dá)到厘米級(jí)?，F(xiàn)在GPS 單頻定位精度在10-40米（民用），1-10米（軍用）；北斗單頻相同；如果采用多頻差分結(jié)算，定位精度1-10米（民用），1-5米軍用。

如果車載終端定位精度達(dá)到10cm，將車的圖像輸入接收機(jī)，再加上電子地圖的匹配技術(shù)，自動(dòng)駕駛將變得更加容易。

受科技與經(jīng)濟(jì)實(shí)力限制，目前世界上僅有個(gè)別發(fā)達(dá)國(guó)家將構(gòu)建PNT體系上升為國(guó)家戰(zhàn)略。中國(guó)加快推進(jìn)以北斗系統(tǒng)為核心的網(wǎng)絡(luò)PNT體系升建設(shè)，將有效拓展中國(guó)發(fā)展的機(jī)遇空間。

今年年初，洛克希德?馬丁航天系統(tǒng)公司（簡(jiǎn)稱洛馬公司）宣布，經(jīng)歷過長(zhǎng)時(shí)間拖期的美空軍下一代導(dǎo)航、定位和授時(shí)衛(wèi)星GPS-3衛(wèi)星通過了一項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試,已經(jīng)“成功完成”熱真空測(cè)試。

洛馬公司是GPS-3項(xiàng)目的主承包商，計(jì)劃建造8顆GPS-3衛(wèi)星，此外承包內(nèi)容還存在可能建造最多達(dá)4顆衛(wèi)星的額外選項(xiàng)。美國(guó)空軍已經(jīng)向美國(guó)國(guó)會(huì)表示，期望執(zhí)行其中額外的至少2顆衛(wèi)星的建造。

美國(guó)空軍目前正處于開展下一批次GPS-3衛(wèi)星合同競(jìng)標(biāo)的早期階段。第11顆GPS-3衛(wèi)星是該批次的首顆星。美空軍預(yù)計(jì)2017年之前不會(huì)執(zhí)行首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射。

美國(guó)從GPS1.0升級(jí)到GPS2.0，目前尚不知其代際之間的兼容性如何處理與運(yùn)作，對(duì)于普通用戶的影響，有但可接受；對(duì)于重要的系統(tǒng)比如武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等的影響，還需要進(jìn)一步觀察與評(píng)估。

2020年以后，中國(guó)應(yīng)快速采用以北斗為主用，GPS 等為備用的安全策略，以有效規(guī)避GPS可能帶來(lái)的戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)。

這中間涉及到北斗與GPS的同臺(tái)競(jìng)技。眾所周知，GPS提供服務(wù)的等級(jí)大致三類：美國(guó)自己；美國(guó)盟友；其他國(guó)家。中國(guó)就屬于其他國(guó)家，只能享受到三等服務(wù)。

在不友好的情況下，GPS可以利用降低部分區(qū)域的數(shù)據(jù)精度、干擾部分區(qū)域的GPS信號(hào)產(chǎn)生盲區(qū)、關(guān)閉部分功能等，使得第二類和第三類用戶的部分戰(zhàn)略設(shè)備、重要設(shè)施或網(wǎng)絡(luò)癱瘓，為國(guó)家戰(zhàn)略服務(wù)。

2020年以后，隨著國(guó)內(nèi)綜合PNT體系的建設(shè)，中國(guó)應(yīng)該不再擔(dān)心軍事和電力、通信等重要國(guó)家戰(zhàn)略安全行業(yè)的應(yīng)用GPS的安全問題，有效解除利用GPS對(duì)中國(guó)的戰(zhàn)略遏制和欺詐，大幅提升國(guó)家應(yīng)對(duì)危機(jī)能力、國(guó)家戰(zhàn)略生存能力。

此外，由于自主的PTN體系形成，國(guó)外PNT低等級(jí)服務(wù)的限制解除，中國(guó)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的設(shè)備的能力也將大幅提升。在5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)洋航行以及眾多領(lǐng)域，可以更便利地進(jìn)行高端創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)與超越，在全球高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，由跟隨邁向平等競(jìng)爭(zhēng)，乃至超越與引領(lǐng)。