通信網(wǎng)絡PNT大變革時代即將到來

如果沒有PNT體系的三個維度和工具，我們追尋的有關“萬物互聯(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)副總設計師楊元喜在北斗年會上表達的觀點。這是一個應該被重視并基于此有所行動的觀點。

PNT體系即定位(Positioning)、導航(Navigation)、授時體系(Timing)組成的時空體系，是我們得以在紛繁信息中準確描述時間和空間的關鍵技術。以大數(shù)據(jù)為例，其挖掘利用就有賴于用定位、導航、授時來尋找線索、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)星導航系統(tǒng)提供的。不過，不管是美國GPS、歐洲伽利略、俄羅斯格洛納斯，還是中國的北斗，都具有一個天然的“脆弱性”，即“信號弱、穿透能力差、易被欺騙、易被干擾”。

如此一來，通過多手段建立時空領域的綜合PNT體系就顯得十分必要。北斗透露：未來中國擬加快推進以北斗系統(tǒng)為核心的國家綜合PNT體系建設，爭取到2030年前后，構建基準統(tǒng)一、覆蓋無縫、安全可信、高效便捷的國家綜合PNT體系。

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

綜合PNT體系的建設，將在2020年迎來關鍵時刻。

彼時，中國北斗體系的35顆衛(wèi)星已全部發(fā)射完成，北斗二代進入全球范圍內的全面運營，北斗三代會開始考慮，美國的GPS3也會開始投入使用；中國5G通信網(wǎng)絡進入全面建設與運營；互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)進入蓬勃發(fā)展時期。基于這些基礎條件的鋪設，國內將迎來以互聯(lián)網(wǎng)+為代表的智能制造，以自動駕駛為特點的車聯(lián)網(wǎng)，以大數(shù)據(jù)為代表的智能服務等大批量應用爆發(fā)的新時代，這些應用需求將強烈催生網(wǎng)絡PNT體系的快速升級與發(fā)展。

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

1、提高時鐘精度。人類活動離不開對時間信號的依賴，隨著人類對信息量和距離量的要求越來越高，對時間信號精度的要求也越來越高；未來，進入物聯(lián)網(wǎng)時代，由于物無智慧，對時間信號的要求會更高。

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

對于導航衛(wèi)星本身來說，極高精度的時間系統(tǒng)是最核心、最關鍵的設備之一；一旦失去準確的計時能力，一顆衛(wèi)星就無法提供可靠的定位服務——相反，它會把問題攪得一團糟。為了解決計時的精度問題，導航衛(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年由美國科學家、諾貝爾獎獲得者拉比提出。中國由于前期購買國外的原子鐘，導致自身在原子鐘技術、產(chǎn)品的研發(fā)上落后；在加上國外的技術保護，我們得到的產(chǎn)品和服務始終落后于國外，狀況令人堪憂。

近年來，中國改變了策略，強化了自主開發(fā)與研究。目前，星載原子鐘技術實現(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/日的國際先進水平。目前，該原子鐘已被選為我國二代系統(tǒng)的核心部分。

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

3、增加導航頻率。北斗衛(wèi)星將采用B1、B2、B3三個工作頻率，通過接收機的相位差分算法，進一步減小由于電波傳播變化引起的誤差，提高時間和定位精度。

4、通過地基增強系統(tǒng)。建立地面無線系統(tǒng)，通過固定CORS站的長期固定觀測，減少氣候變化的隨機性誤差，進一步提高精度。建立站點越多，地域分區(qū)越小，精度越高。

在邁向北斗全球導航的今天，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”標識。衛(wèi)星導航的本質就是定位，能否提供高精度的時空基準服務，是驗證其成敗的標準。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)域位置標識編碼。

要實現(xiàn)綜合PNT體系的發(fā)展，離不開移動通信運營網(wǎng)絡的同步升級。未來，移動通信運營網(wǎng)絡仍需在以下幾個方面著重開展工作：

1、升級基站的時鐘系統(tǒng)。基站時鐘板升級到具有B1、B2和L1、L2四頻接收，具有相位差分計算能力。時鐘精度至少提高一到二個數(shù)量級（接近1×10-12/日），位置精度可以達到毫米級（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量級天線，第一代簡易的GPS單頻天線，北斗單頻天線或將兩個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，帶來時鐘和定位解算誤差太大，不能滿足需要，需要進行更換。

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

3、建立基站與終端之間的修正誤差因子發(fā)布機制。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，使得終端能夠及時獲得結算所需當?shù)仉姴▊鞑サ膮?shù)，使得終端結算精度達到厘米級（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)傳輸才能進入實用階段，萬紫千紅的應用將迸發(fā)出來。比如車聯(lián)網(wǎng)，通過這些升級之后，基站位置自我位置測量可以達到毫米級；車載終端位置達到厘米級?，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到10cm，將車的圖像輸入接收機，再加上電子地圖的匹配技術，自動駕駛將變得更加容易。

受科技與經(jīng)濟實力限制，目前世界上僅有個別發(fā)達國家將構建PNT體系上升為國家戰(zhàn)略。中國加快推進以北斗系統(tǒng)為核心的網(wǎng)絡PNT體系升建設，將有效拓展中國發(fā)展的機遇空間。

今年年初，洛克希德?馬丁航天系統(tǒng)公司（簡稱洛馬公司）宣布，經(jīng)歷過長時間拖期的美空軍下一代導航、定位和授時衛(wèi)星GPS-3衛(wèi)星通過了一項關鍵測試,已經(jīng)“成功完成”熱真空測試。

洛馬公司是GPS-3項目的主承包商，計劃建造8顆GPS-3衛(wèi)星，此外承包內容還存在可能建造最多達4顆衛(wèi)星的額外選項。美國空軍已經(jīng)向美國國會表示，期望執(zhí)行其中額外的至少2顆衛(wèi)星的建造。

美國空軍目前正處于開展下一批次GPS-3衛(wèi)星合同競標的早期階段。第11顆GPS-3衛(wèi)星是該批次的首顆星。美空軍預計2017年之前不會執(zhí)行首顆GPS-3衛(wèi)星的發(fā)射。

美國從GPS1.0升級到GPS2.0，目前尚不知其代際之間的兼容性如何處理與運作，對于普通用戶的影響，有但可接受；對于重要的系統(tǒng)比如武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等的影響，還需要進一步觀察與評估。

2020年以后，中國應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可能帶來的戰(zhàn)略風險。

這中間涉及到北斗與GPS的同臺競技。眾所周知，GPS提供服務的等級大致三類：美國自己；美國盟友；其他國家。中國就屬于其他國家，只能享受到三等服務。

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信號產(chǎn)生盲區(qū)、關閉部分功能等，使得第二類和第三類用戶的部分戰(zhàn)略設備、重要設施或網(wǎng)絡癱瘓，為國家戰(zhàn)略服務。

2020年以后，隨著國內綜合PNT體系的建設，中國應該不再擔心軍事和電力、通信等重要國家戰(zhàn)略安全行業(yè)的應用GPS的安全問題，有效解除利用GPS對中國的戰(zhàn)略遏制和欺詐，大幅提升國家應對危機能力、國家戰(zhàn)略生存能力。

此外，由于自主的PTN體系形成，國外PNT低等級服務的限制解除，中國戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的設備的能力也將大幅提升。在5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、遠洋航行以及眾多領域，可以更便利地進行高端創(chuàng)新，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級與超越，在全球高技術產(chǎn)業(yè)中，由跟隨邁向平等競爭，乃至超越與引領。