楊元喜院士：《北斗+與綜合PNT體系》

2017年5月23日，第八屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)在上海召開(kāi)。作為國(guó)際三大衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)會(huì)議之一，本屆年會(huì)以“定位，萬(wàn)物互聯(lián)”為主題，分為開(kāi)幕式、GNSS主管部門報(bào)告、特邀報(bào)告、分會(huì)交流、科學(xué)普及、展覽展示等環(huán)節(jié)，全方位體現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及世界各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展成果，展現(xiàn)出衛(wèi)星導(dǎo)航與新興技術(shù)融合發(fā)展趨勢(shì)，高精度時(shí)空信息服務(wù)已逐步滲透并賦能各行各業(yè)和大眾民生，成為萬(wàn)物互聯(lián)、聯(lián)通共享的時(shí)空基礎(chǔ)，為人類發(fā)展帶來(lái)無(wú)限可能、無(wú)限憧憬。

（以下內(nèi)容根據(jù)會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告摘錄整理）

各位朋友，各位同事下午好，我今天不講衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我講的是PNT，我們知道PNT定位導(dǎo)航授時(shí)，是我們生活當(dāng)中的必備要素，PNT服務(wù)要求同一個(gè)載體需要唯一的PNT的服務(wù)，否則它就會(huì)亂套，我們最常見(jiàn)的PNT當(dāng)然是GNSS提供的，北斗、GPS、GLONASS、Galileo等等，但是GNSS不等于PNT，而PNT的范疇要廣泛的多，GNSS只是PNT服務(wù)的一種工具。

PNT是國(guó)家信息建設(shè)的基石，基礎(chǔ)要素，我們生活當(dāng)中80%的信息和PNT有關(guān)聯(lián)，經(jīng)濟(jì)的全球化，沒(méi)有PNT是不可能實(shí)現(xiàn)的。一帶一路的建設(shè)是國(guó)家戰(zhàn)略，但是沒(méi)有PNT信息的支持也是很困難的。所以我們提出一帶一路建設(shè)不僅要有公路、鐵路、航路、水路，還要有PNT信息公路。

我們經(jīng)常說(shuō)互聯(lián)網(wǎng)+，不光需要網(wǎng)，還需要PNT的支持，我們說(shuō)智慧城市，如果沒(méi)有PNT，它就不能智慧，智慧海洋，如果沒(méi)有PNT的支持，海洋不可能是一個(gè)智慧海洋，我們所說(shuō)的大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)是靠PNT進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的，如果沒(méi)有PNT的支撐，大數(shù)據(jù)就是一堆亂數(shù)據(jù)、雜數(shù)據(jù)。所以說(shuō)大數(shù)據(jù)是靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)來(lái)尋找它的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)它的線索而提供決策的。云平臺(tái)如果沒(méi)有統(tǒng)一的PNT支撐，云平臺(tái)也會(huì)亂套，交通、管理、物流，沒(méi)有一樣不需要PNT。

當(dāng)我們說(shuō)PNT不能不想到GNSS，很遺憾的是，無(wú)論是北斗、Galileo、GPS、GLONASS等等，信號(hào)是最弱的，信號(hào)從幾萬(wàn)公里傳到地球來(lái)，極容易被干擾，易容易被遮蔽，信號(hào)弱，很容易被欺騙。另外室內(nèi)、涵洞等等都不可能提供服務(wù)，空間內(nèi)的載荷出現(xiàn)任何異常，地面控制端出現(xiàn)任何的故障，都可能導(dǎo)致GNSS的PNT服務(wù)中斷。

所以我們希望構(gòu)建一個(gè)未來(lái)的綜合PNT。所謂的綜合PNT，我想給它這么一個(gè)定義：基于不同原理，多種信息源，經(jīng)過(guò)云平臺(tái)控制、多傳感器高度集成和多源數(shù)據(jù)的融合，生成時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一的、且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的全空間PNT服務(wù)體系。

它的核心要素在于，不同的原理，不同的信息源，要形成網(wǎng)絡(luò)，要經(jīng)過(guò)云平臺(tái)控制，最后實(shí)現(xiàn)智能化的服務(wù)。

第一種信息源，我們說(shuō)的綜合PNT不能不說(shuō)信息源。綜合PNP的第一道信息源就是高低軌天基無(wú)線電PNT信息，所謂高軌信息，再加上低軌的通訊衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等等各類衛(wèi)星，都可以作為各類導(dǎo)航PNT的信息源，都可以為導(dǎo)航的增強(qiáng)，時(shí)間的增強(qiáng)等等提供重要的信息。一方面信息多源，第二個(gè)方面信息的冗余度會(huì)增加，這樣它的兼容性就要被考慮，互操作性也要被考慮。

地基無(wú)線電也可以提供綜合PNT服務(wù)，比如多普勒、羅蘭、塔康、Omega、伏爾、阿爾法系統(tǒng)等等，但是這些地基信息源作用距離是非常有限的，同樣它的信號(hào)也容易被干擾，被欺騙。還有一種自主PNT，不需要外部交換，都可以提供導(dǎo)航，但是它沒(méi)有時(shí)間。當(dāng)然也有一種衛(wèi)星自主的PNT，就是指同系統(tǒng)星座之間的互相跟蹤，衛(wèi)星自測(cè)軌道、自測(cè)鐘差，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)無(wú)地面支持的GNSS  PNT服務(wù)。

還有其他重要的信息源，比如微原子鐘重力匹配導(dǎo)航、磁力匹配導(dǎo)航、影像匹配導(dǎo)航、地理信息匹配導(dǎo)航。還有水下聲納導(dǎo)航，天文導(dǎo)航，當(dāng)然不同的原理可以互相補(bǔ)充。

美國(guó)麻省理工學(xué)院也提出了一個(gè)量子導(dǎo)航QPS，量子定位可以采用糾纏和壓縮特性的光子進(jìn)行測(cè)時(shí)然后進(jìn)行定位。我們把量子導(dǎo)航可以分成三類：一個(gè)是測(cè)定點(diǎn)的主動(dòng)定位方法，主動(dòng)定位就是我們測(cè)定點(diǎn)自己進(jìn)行發(fā)送具有糾纏特性的光子脈沖，送到已知點(diǎn)，測(cè)來(lái)回的時(shí)間，可以算距離，如果有三個(gè)以上的已知點(diǎn)，就可以把這一點(diǎn)的位置定出來(lái)。

還有一種被動(dòng)定位，三個(gè)以上的框架點(diǎn)對(duì)安置干頻儀，發(fā)送糾纏光子對(duì)，利用每一對(duì)光子的二階相關(guān)性，確定未知點(diǎn)坐標(biāo)。

待定點(diǎn)的主動(dòng)定位方法，是待定點(diǎn)發(fā)送若干個(gè)脈沖道不同的參考點(diǎn)，測(cè)量這些發(fā)送的脈沖到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性，就可以測(cè)定距離，由距離可以算三維坐標(biāo)。被動(dòng)定位方法可以通過(guò)若干獨(dú)立的基線，它們可以生成糾纏的雙光子，然后我們地面只要一個(gè)接收機(jī)接收他們發(fā)送的光子，測(cè)時(shí)間延遲，就可以確定位置。

假設(shè)我們通過(guò)若干個(gè)基線隊(duì)，R1、R2坐標(biāo)是已知的，坐標(biāo)X1、Y1都是已知的，通過(guò)雙光子一致性的計(jì)書(shū)率，然后用戶終端通過(guò)角隅反射境就可以進(jìn)行距離的測(cè)定，然后進(jìn)行定位。

量子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)是另外一種原理，通過(guò)原子干涉儀用一冷Rb或Cs原子束以兩個(gè)不同的拓?fù)渎窂絺鞑ィ瑴y(cè)量?jī)稍邮ㄟ^(guò)不同路徑引起的相位差。利用原子干涉儀測(cè)定光和原子相互作用中的光場(chǎng)相位改變測(cè)量慣性力，比如感知地球磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的變化，再進(jìn)行位置的計(jì)算。

量子陀螺儀比傳統(tǒng)的陀螺儀精度高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可能是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。從這個(gè)意義上說(shuō)，可以再拓展我們的思路，如果希望從深海到深空，都有PNT服務(wù)的話，在水下放置若干個(gè)聲納導(dǎo)航裝置，也能傳遞PNT的信息，那么就可以形成從海底到深空的PNT的服務(wù)。

從這個(gè)意義上說(shuō)可以把未來(lái)的綜合PNT，第一層是BDS、GPS、GLONASS、Galileo等等，第二層是低軌衛(wèi)星，QPS、QINS就是量子慣導(dǎo)以及慣性導(dǎo)航，脈沖星、天文定位等等，把這些所有的信息源都作為我們未來(lái)的綜合PNT的信息源，我們就可以有無(wú)處不在的PNT服務(wù)。

信息源的迅速增加下，我們?nèi)绾螢榭蛻籼峁└咝У姆?wù)，比如說(shuō)芯片化的集成，無(wú)線電、慣性和微型原子鐘的組成，還有芯片級(jí)的IMU、芯片級(jí)的原子鐘、加上GNSS的芯片集成在一起，形成一個(gè)綜合PNT的服務(wù)。在量子導(dǎo)航方面也有很多關(guān)鍵技術(shù)，比如量子糾纏源的制備，量子壓縮等等。

在函數(shù)模型方面，我們希望不同的物理源，不同的傳感器構(gòu)建的函數(shù)模型至少要有公共參數(shù)和非公共參數(shù)兩個(gè)部分，另外數(shù)據(jù)處理方法，當(dāng)信息源越來(lái)越多，我們需要高效的計(jì)算能力，比如并行計(jì)算。

不同的信息源對(duì)應(yīng)不同的函數(shù)模型和不同的隨機(jī)模型，經(jīng)過(guò)云平臺(tái)的控制進(jìn)行自適應(yīng)融合，然后再進(jìn)行智能化綜合PNT服務(wù)。

綜合PNT是PNT未來(lái)的發(fā)展方向，信息要多元化，空天地一體化。傳感器的高度集成化和小型化，PNT的時(shí)空基準(zhǔn)一定要?dú)w一化，我們的運(yùn)控手段要云平臺(tái)化，PNT信息融合要自適應(yīng)化，PNT的終端要穩(wěn)健化，日后它的服務(wù)模式要智能化。

在核心技術(shù)方面我們?cè)O(shè)計(jì)了多源信息的同化和歸一化問(wèn)題，超穩(wěn)芯片級(jí)原子鐘技術(shù)，超穩(wěn)慣導(dǎo)器件和自主導(dǎo)航傳感器，多源傳感器的芯片化集成，量子導(dǎo)航系統(tǒng)及組合導(dǎo)航理論與裝備等。

綜合PNT的性能方面應(yīng)該有所提升，原理要實(shí)行多樣性，信息冗余性，誤差補(bǔ)償性，結(jié)果容錯(cuò)性，信息可用性，系統(tǒng)完好性，服務(wù)連續(xù)性，結(jié)果可靠性，整體穩(wěn)健性。

最后我要說(shuō)，在中國(guó)構(gòu)建的綜合PNT一定是以中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的PNT為核心，這樣的云PNT應(yīng)該是北斗、GNSS、QPS、HINS，所以未來(lái)的綜合PNT應(yīng)該叫“BDS+”。

（報(bào)告完）