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以北斗系统为核心的国家安全PNT体系发展趋势

已有 2395 次阅读 2023-5-19 17:18 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

国家重大基础设施（如交通、金融、电力、通信等）安全运行对定位、导航和定时（PNT）服务有极高要求。卫星导航系统提供的PNT服务在服务范围、服务性能以及服务普及性、灵活性方面有着不可替代的优势，但同时也存在明显脆弱性，不能保证服务的连续、可靠和稳定。早在中国全球卫星导航系统（BDS-3）建成之前，中国学者就已经认识到单一的卫星导航定位系统存在结构性风险，先后提出综合PNT、弹性PNT、智能PNT等概念，探索我国PNT体系建设途径，其核心是确保实现国家安全PNT服务体系。显然，安全PNT体系一定是未来PNT服务发展的必然方向，其架构应当从天基PNT增强、综合PNT基础设施增强和用户终端弹性增强等方面进行系统性布局。

西安测绘研究所杨元喜院士团队以“北斗系统为核心的国家安全PNT体系发展趋势”为题，分析了现有北斗卫星导航系统自身能力增强途径，描述了以北斗卫星导航系统为核心、无缝覆盖深空深海的综合PNT基础设施框架设计，论述了与综合PNT信息源体系相配套的弹性PNT应用关键技术，以及智能PNT核心要素。该文作为封面文章发表在《中国科学：地球科学》中英文版第5期（图1）。

图1 《中国科学：地球科学》2023年第5期封面

天基PNT是全球PNT服务的最核心基础设施。但是，中高轨卫星导航信号落地电平较弱，导致其信号很容易被干扰、欺骗和遮挡，且系统内任一子系统的故障都可能导致PNT服务降级甚至中断。鉴于此，可以从星间链路增强、高轨卫星增强和低轨卫星增强三个方面增强现有北斗卫星导航，提升天基PNT服务性能，见图2。

图2 天基PNT增强示意图

综合PNT体系是各种基于不同物理原理的PNT信息源的集合，其特点在于PNT信息物理原理的差异性，信息源分布的泛在性和时空基准的统一性。优势在于可以克服单一PNT信息覆盖范围的局限性和服务中断风险，补偿单一PNT可能的系统误差影响，提升PNT服务的可靠性和安全性。完整的综合PNT体系包括综合PNT基础设施和综合PNT应用系统，其中，综合PNT基础设施部分是综合PNT体系的核心，也是国家基础设施的重要组成部分，见图3。

图3 综合PNT基础设施示意图

弹性PNT是用户灵活集成PNT信息、灵活使用PNT的关键。弹性PNT除了充分利用综合PNT基础设施提供的信源外，还充分利用自然PNT信息源，根据信息可用性和可靠性，弹性化集成一切可用的PNT信息，生成高可用、高连续、高稳健、高可靠、高安全的PNT应用信息。弹性PNT包括为弹性PNT传感器集成、弹性函数模型优化、弹性随机模型调整和弹性数据融合等内容。

当然，面对千变万化的PNT应用环境，弹性PNT应用模式还应被赋予智能化要素，向用户需求智能感知、多源信息智能集成以及函数模型、随机模型智能优化的智能PNT应用模式发展。

以北斗为核心的安全PNT体系是我国PNT体系发展的必然趋势，综合PNT、弹性PNT和智能PNT是实现安全PNT的重要手段（图4）。综合PNT提供了全域、无缝、多源的PNT信息源；弹性PNT面向用户，提供弹性化的多源PNT应用模式；智能PNT是弹性PNT的进一步发展，核心在于将知识学习、智能感知和智能优化要素融入PNT应用的各个环节。