适合于中小国家的陆基 PNT系统方案

2018-01-02

适合于中小国家的陆基

PNT系统方案

V2.0

 


 

  

目录

一、    引言. 1

二、    名词解释 - 什么是PNT. 1

三、    PNT建设的重要意义. 1

四、    陆基PNT建设必要性. 2

1.    GPS卫星导航系统的前世今生. 2

2.    卫星导航系统的门槛. 3

3.    卫星导航系统(GPS/GLONASS/北斗等)的缺陷. 3

4.    应对方案. 5

五、    实现陆基PNT的条件. 5

六、    实现陆基PNT的技术. 6

七、    实现陆基PNT的步骤及技术方案. 8

1.    总体目标. 8

2.    阶段划分. 8

3.    定位导航集成方案的选择. 10

4.    通信运营商的配合度. 10

八、    投资概算. 11

九、    陆基PNT建成后的效果. 11



 

一、 引言

2004年,美国公布了名为《美国国家星基定位、导航与授时(PNT)政策》的文件,用以取代1996年美国总统发布的关于美国“全球定位系统”(GPS)政策的决定,采用PNT取代GPS,标志着卫星导航系统进入以PNT为基本要素的新时代

二、 名词解释-什么是PNT?

定位导航授时(positioning, navigation, and timing — PNT)是描述时间和空间的关键技术,是一个国家重要的时空信息基础设施!

PNT设施的关键作用是提供时间/空间参考以及各种与时刻/位置相关的实时动态信息,是经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术平台和战略威慑基础资源;也是国民经济建设的重要工具。

大众熟知的GPS就是典型的PNT设施之一,只不过是GPS由美国建立并掌控。GPS是典型的天基(星基)PNT设施,与天基对应的是陆基PNT设施

一个国家的PNT体系应是综合利用各类PNT手段,通过多源信息融合,克服单一手段缺点,保证提供精确、连续、可靠的时间、位置、速度信息。中国的PNT体系构建正从“以北斗卫星导航为主”转变为“以星基PNT与民用移动通信/网络等多信息载体融合服务为主”的目标愿景。国家PNT体系是PNT能力建设与发展的更高级阶段,代表着国家PNT发展的方向。

三、 PNT建设的重要意义

PNT技术是综合国力的战略标志,在国民经济、国家安全、军事领域等方面都有很强的服务作用。其已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量,其应用范围从基础研究(物理理论和基本物理常数等),渗透到了工程技术应用领域(高速数字通信、电力输配、深空探测、空间旅行、武器实验、地质矿产勘探、计量测试、智慧城市等),关系到国计民生的诸多重要部门(交通运输、金融证券、邮电通信、能源等)的各个方面。

例如,国防建设中

只有具备高准确高稳定的时空基准,才能实现各军兵种、各种武器装备的协同作战,才能发挥军事指挥、通信、雷达和电子对抗等电子设备的效能。对于国防科研试验,如导弹、航天试验,十分重要的是导弹或运载火箭的发射时刻,准确的发射时刻(也称发射零时)甚至关系到整个试验的成败。而这一时刻正是由统一的PNT设施给予标志的。另外,导弹和航天器的制导还需要PNT设施给予位置和速度信息。

又如,在国民经济建设中:电力工业关系到国家能源安全和国民经济命脉,时间(T)是电力系统中进行实时数据采集、控制、保护、通信、远动、监测、自动化、事故追忆和分析的基础,是电网安全运行的重要组成部分,同时也是各个发电站发电并网贸易结算的重要依据。在通信领域,高速数字通信是离不开高精度的时间频率做支撑的。以移动网络为例,基站间时间同步精度差将影响跨蜂窝小区切换,易通话中断,同时还会导致基站间互相干扰,使得用户接入困难。今后的5G,要求时间同步精度达纳秒量级,将更加依赖于PNT设施给予的超高精度的授时信息。

在日常生活中:随处可见基于LBS(基于位置服务)的应用,如打车软件,导航地图,共享单车,快递,外卖等等。

随着时代和科技的发展,人们对PNT的依赖超越了历史上任何一个时期。它与各产业广泛关联,与通信产业、互联网产业深度融合,有效地渗透到国民经济诸多领域和人们日常生活中,成为高技术产业高成长的助推器,是继移动通信、互联网后的全球电子信息产业的经济新增长点。

四、 陆基PNT建设必要性

1.  GPS卫星导航系统的前世今生

GPS起始于1958年美国军方的一个项目。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,经过20余年的研究实验,耗资超过300亿美元。为了让其他国家放弃发展这种战略性技术,美国将GPS系统投入民用,并对全世界免费开放,甚至外国军队也可以使用,但美国可随时干扰免费信号,影响定位精度。今天,GPS为世界各国所采用,美国从中赚取了巨额的利润。

长期以来,各国的国防、军事、通信、电力、金融、交通、广播电视等部门诸多业务系统的有效运行与服务,都依赖于GPS。以授时为例,比如:在移动通信系统中,基站之间必须保持严格的时间同步,否则会产生掉话、甚至通信中断。目前的4G网络普遍采用GPS授时同步。又如电力系统,电力公司大量采用GPS向电力自动化设备及监控系统提供授时信号。如果GPS发生故障,电力系统的发电和供电网络就会乱套。电网一旦发生故障,整个互联网不可幸免。

2.  卫星导航系统的门槛

卫星导航系统的研制涉及诸多技术壁垒,其中包括火箭技术,卫星技术,有效载荷技术,原子钟技术甚至国土面积因素(GPS监测站要全球分布,这一点美国容易做到)。目前世界上只有少数几个国家能够自主研制生产卫星导航系统。

卫星导航系统不仅技术壁垒深,而耗时耗费也巨大,中国的北斗导航卫星花费近千亿元,目前仍在不断优化完善。

即使国力允许,同样还有很多政治壁垒。“导弹及其技术控制制度”(Missile Technology Control Regime-MTCR),成立于1987年,是美国等西方七国建立的集团性出口控制制度,旨在防止可运载大规模杀伤性武器(WMD)的导弹和无人驾驶航空飞行器及相关技术的扩散。各个大国争相发展PNT技术,从天上到地面,目的是为了国家安全。为了取得先机,大国们甚至不惜制定条列限制其他国家发展,MTCR基本扼杀了其他中小国家向太空发展的机会!

因此,天基导航系统存在着巨大的技术壁垒和政治博弈,即使金钱允许,对于中小国家来讲也根本不可能去做,从而被迫完全依赖GPS。但地球上任何目标的准确位置,只有美国人才能掌握,其他国家只能知道个“大概”,即使这个目标在本国境内。更要命的是,一旦需要,美国可随时切断向某些国家发送的信号,使这些国家的导航应用陷于“瘫痪”,这样的事情并不是没有发生过。任何事情不可控就总是会受制于人…

3.  卫星导航系统(GPS/GLONASS/北斗等)的缺陷

卫星导航系统的局限性主要体现在以下几个方面:

(1)抗干扰能力弱、可靠性安全性差:因采用无线电传输,战争时极易受到敌方的电磁干扰和导弹攻击;

(2)受天气影响大:电离层及闪电、雷爆、乌云、降雨等都会对卫星信号传输和接收造成影响;

(3)只能覆盖露天场所:由于在室内、地下及隧道等环境下卫星信号被障碍物遮挡而无法使用;

(4)授时精度难以持续提高:由于卫星上的原子钟采用无线的方式同地面进行对时,再以无线的方式提供服务,受时终端根据空间信息解算并补偿时延,由于无线链路的固有特性,很难通过算法优化提升精度

除上述以外,卫星导航系统还存在重大的战略安全隐患,如:

(1)通过发射干扰噪声,可以使卫星导航系统(GPS/GLONASS/北斗)完全失效。

美国、俄罗斯和其它一些国家都拥有配置了特殊设备的飞机,该特殊设备能发射噪声封锁整个近地空间的卫星信号。在战争爆发时,太空传来的卫星信号均会受到这些特殊设备发射的“噪声”干扰,导致卫星导航系统无法使用。另据韩联社报道,朝鲜正在自主开发新型电子战武器——GPS干扰器,作用距离超过100公里。

(2)美国的反卫星(ASAT)导弹计划,可以摧毁北斗卫星。

1985年9月12日,美国发射ASM-135A反卫星导弹击毁了退役的Solwind P78-1观测卫星;2008年2月20日,美国海军从伊利湖号巡洋舰USS Lake Erie (CG-70) 发射一枚“标准-3”(SM-3)型导弹击落了失控的USA193卫星。

(3)中国的反卫星导弹试验,可以击毁GPS卫星。

2007年1月11日,中国进行反卫星导弹试验击毁了报废的风云1号气象卫星;2010年1月11日 ,中国发射SC-19反卫星导弹击毁了从酒泉卫星发射中心发射的一枚CSS-X-11中程弹道导弹。

对卫星自身的攻击和干扰是卫星导航系统(GPS/GLONASS/北斗)面临的最大威胁。敌方通过运用各种反卫星武器直接摧毁卫星和干扰卫星的方式,完全可以干扰和破坏对方卫星导航系统正常工作。

综上所述,当战争爆发时,天基卫星导航系统不可靠,甚至不可用!产生的后果是军事部队将成为瞎子和聋子;通信、电力等重要部门无法有效运转,国民经济也将遭受重创。

4.  应对方案

“定位、导航和授时”(PNT)服务对一个国家的国防建设和国民经济而言,就像氧气对人类一样不可或缺。美国自身很早就认识到GPS存在的安全性和脆弱性问题。2004年颁布《国家安全总统指令第39号指令》,要求交通部和国土安全部开展GPS干扰监测及缓解计划,并研发PNT(定位、导航与授时)备份能力。2012年,美国国土安全部提出《GPS对美国关键基础设施的国家风险评估》报告指出:①日益依赖GPS提供PNT服务,关键基础设施风险增加;②GPS服务面临多种威胁,将对基础设施运行造成影响。2014年4月俄罗斯的GLONASS系统连续出现重大运行事故,最长中断长达11小时。欧盟也非常关注卫星服务的脆弱性,在欧盟内部,英国希望在欧盟甚至全球的GNSS脆弱性及应对措施研究活动中发挥引领作用,开展了备份PNT系统的建设。

想要实现陆基PNT系统,那么长距离、大跨度、多节点的时间传递是核心。德国、法国、意大利、荷兰等发达国家纷纷着手建立的光纤时间频率传递网。中国在2013年由国务院颁布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》(国发[2013]8号文件)中,明确将建设“高精度地基授时系统”列入了规划。“高精度地基授时系统”也列入了中国国家发改委的“十三五”重大科技基础设施优先启动的10个建设项目之一。

在信息时代,一个主权国家必须要拥有一套自主可控的时空信息基础设施。陆基PNT系统的建设是事关国家安全的重大基础设施之一。因此,为了面向战略需求、满足实际应用、支撑科学发展,建设与天基PNT相对独立、互为补充、互为备份、相互支撑的高精度陆基PNT系统是十分必要的。而要实现陆基PNT,必须有高精度地基授时网络做依托。首先解决授时(Timing)的问题,进而解决定位和导航(Positioning & Navigation)的问题。

五、 实现陆基PNT的条件

想要实现陆基PNT系统, 首先需要解决授时(Timing)的问题。解决授时问题,需要两方面条件:

1、     钟源

2、     授时技术

对于钟源来讲,是现成的。每个国家都有标准的时间发播机构,如:中国的国家授时中心NTSC,美国标准局NIST等。当然,也可以是具有原子钟组的守时实验室或者自建原子钟源。

对于授时技术而言,由于授时精度越高,今后的定位导航精度才越高。根据授时精度跟定位精度的关系,要想实现2米的定位精度,至少需要优于±10ns(纳秒)的授时精度。而要做到如此高的授时精度,需要借助光纤网络。通常国内的通信运营商或者电力、广电、军队等系统具有现成的光纤网络。但如何实现基于光纤的长距离、大跨度、多节点的高精度时间传递是其核心。

在解决了钟源和授时技术问题后,可在地面建立一张能够进行精密时间传递的光纤网络,然后借助基站发射台和接收终端完成定位和导航功能。

图1:陆基PNT示意

如图所示,不难看出,整个陆基PNT系统的构成要素包括:钟源、光纤网络、授时技术、定位导航发射台/接收机。

六、 实现陆基PNT的技术

前文所述,实现陆基PNT系统的基础是如何实现基于光纤网络的长距离、大跨度、多节点的高精度时间传递。

2014年,四川泰富地面北斗科技股份有限公司采用国内外首创的“光纤时延三点归一精确测量技术”、“光纤时延伺服锁定及精确控制技术”等核心技术组成的“地面北斗”技术,成功解决了地面光纤网高精度时间远距离传输的技术难题,研制的“地基授时核心设备—TFT系列高精度时间频率传递设备”,经过中国国家专业检验检测机构检测验证,并于10月7日通过四川省科技厅组织的技术成果鉴定:“该设备的关键技术指标达到:相对时间间隔≤±1ns,与源钟相比相对偏差≤±10ns,相对频率偏差≤±5E-14/天,性能指标明显优于国内外现有的同类产品。”这一成果填补了国内外空白,达到全球领先水平

该技术已在“中国国防科技工业第二计量测试研究中心”、“中国工信部泰尔实验室”及“中国电力科学研究院” 等国家级权威机构完成了2000公里,21个节点的测试,其授时精度在±7ns左右。并且已经获得中国移动公司1300余公里的5G组网试点,授时精度达到±5ns。

2016年9月,四川泰富地面北斗科技股份有限公司参加由中国科技部主办的第五届中国创新创业大赛军转民大赛,荣获二等奖殊荣,位列2016年中国军工技术前四强。



                                              图2:地面北斗技术原理示意

如上图所示,“地面北斗”技术可以使得时间信息在光纤上的进行零时延传递;同时,保障各节点的授时精度相对于钟源均小于10ns(纳秒)(相对于UTC,如北斗二代为50ns)

由于时间是PNT的基础,时间精度和定位精度正相关,单纯的讲,10纳秒的授时精度对应的定位精度可达2米,在不采用任何差分方式的基础上即可实现立体定位。同时由于时延为0,主从时间同步性能一致,即可以大大提高区域定位性能,达到亚米级别。

技术的突破带来PNT领域的革命性变革,不但使得陆基(包括海基)PNT的设想变为可能,而且为构建全球领先的独立于卫星的时空信息基础设施打下基础。

七、 实现陆基PNT的步骤及技术方案

1.      总体目标

天基的卫星导航系统代价高昂,对于一个中小国土面积的国家来说很难去发展。因此,建立并拥有一套独立于卫星导航系统,同时各项性能指标优于卫星导航系统的陆基PNT系统显得十分必要。

因此该项目的总体目标是研究并构建一套自主可控的陆基PNT系统,建立适用于中小国家的一体化PNT空间信息基础设施。配合一带一路战略,作为另一张国家名片对外输出。在天基北斗开放全球使用的同时,中小国家必然出于战略安全考虑,仍然谋求自主可控的备份方案。陆基PNT系统(地面北斗)建设完毕后可完全移交所属国管控。

2.      阶段划分

[1] 建立区域试点

选定一个试点区域(如方圆50km),利用地面光纤(可考虑联合当地通信运营商),采用“地面北斗”技术将标准钟源(试点可先自购一台铯钟)传递到各个定位发射台(可改造现有通信基站),如下图所示:

图3:区域试点示意

上图的星形拓扑结构的时间传递指标将优于±2.5ns,对应的定位精度可达0.5米。

[2] 区域试点组网

通过试点的充分验证,可进一步扩展PNT的覆盖范围,各试点区域通过光纤连接,相互传递时间信号,形成一个大区的PNT服务。

图4:区域试点组网示意

[3] 广域组网

把全国大区连接起来,统一授时,形成有效的时间传递网络(分级结构),结合通信基站的定位导航信号构成独立于卫星的陆基PNT系统。

图5:广域组网示意

3.      定位导航集成方案的选择

虽然授时网络是基础,但定位导航方案的选择有多种类型,如伪卫星技术,Locata技术及通信基站改造等技术。

伪卫星方式的好处是简单直接,跟卫星导航原理一样,但伪卫星信号功率高会造成一些影响,如:远近问题;对其他普通接收机的干扰问题等。而且目前伪卫星成本较高。

Locata技术由澳大利亚GPS生产商Locata公司研发,Locata技术在GNSS不可用时提供高精度定位能力。Locata技术包括时间同步伪卫星收发器(LocataLite),多部LocataLite组成的网络(LocataNet),发射的信号相当于GPS信号,其技术本质也类似于伪卫星。

同时考虑到室内覆盖的需求,目前面向大众的室内定位技术还未有规模化推广应用的成功案列,现有的任何单一定位技术的室内定位解决方案都难以满足大规模的实际应用需求,如WIFI,超宽带(UWB),RFID,MEMS甚至伪卫星等。但移动通信的发展为此带来了契机,移动通信网络具备室内定位的多种优势:一是移动通信网的无缝覆盖使定位连续性好;二是适用于普通移动智能终端;同时,终端的普及率、渗透率高。从标准化程度、应用对象、部署与应用成本、发展潜力等方面判断基于通信网络的室内定位是未来的主流趋势,能覆盖普遍的应用群体。

因此以通信基站定位为通用支撑,经过适度改造,将享有室内外无缝的高精度位置服务。

针对现有通信基站的改造需要考虑成本因素,合适的成本估计应在20,000RMB/站以内。

4.      通信运营商的配合度

由于进行时间传递需要光纤资源,利用通信运营商现网的光缆资源是最合适不过。因此项目的顺利进行需要通信运营商的密切配合,通信运营商自身网络也有授时同步及定位需求。当然,除通信运营商外,也可寻求电力、广电、军队等具有基础网络的单位或部门配合。

八、 投资概算

以章节七中建立区域试点(方圆50km)即阶段[1]为列:

阶段[1]投资构成及预算(万元RMB)(不作为最终依据)

科目

合计

用途说明

地面北斗设备费

60

1中(TFT1001)4小(TFT1003)设备

通信基站改造费用

8

4x20000

集成开发

200

预估

钟源费用

30

商业铯原子钟(阶段1试点用)

差旅费

30

技术支撑的差旅及会议费

其他费用

0


合计

328


注:阶段[2]和阶段[3]的投资预算还无法预估,需要结合实际情况进行规划。

九、 陆基PNT建成后的效果

将天基北斗导航技术搬到地面,即“地面北斗(Ground Bei Dou简称GBD)”技术,可以有效克服天基卫星导航系统存在的缺陷,真正实现完全独立于卫星且基于地面系统的授时、定位、导航服务(Positioning Navigation and Timing简称PNT)。采用“地面北斗”导航定位可以比现有的天基导航定位精度提高5倍以上,达到2米以内,优于任何现有卫星导航系统(如下表格所示)。保证处于世界领先水平。

Project

Time precision(ns)

Position precision(m)

GPSC/A code

100300

2060

GPSP code

50100

1020

Beidou2nd

50

10

GBD

10

2

图6:天地一体PNT

该系统的建成仍可与天基导航系统(包括GPS等)互为备用、相互支撑,为国家的军、民用各系统提供授时、导航和定位服务即PNT服务。并且“地面北斗”陆基PNT系统完全为所属国自主可控。更特别之处在于,地下光缆可构成四通八达纵横交错的地下光传输网络,是当前抗干扰、抗毁性能最高的网络,打不烂、炸不垮,即使发生战争,也很难完全摧毁。

参数

天基授时系统

(GPS/北斗)

地基授时系统

(地面北斗)

战略安全性

高(自主可控)

抗干扰能力

受天气影响

障碍物遮挡影响

稳定性、可靠性

授时精度

中(50~100ns)

高(10ns甚至皮秒)

授时精度一致性

差(准同步)

总之,陆基PNT系统的优势较多,比如不受干扰,抗击毁;形成网络后,系统有保护和自愈功能;同时授时精度超高(北斗授时精度为50纳秒,地基授时精度可达10纳秒甚至更高),而且信号稳定(基于光纤传递)。可全天候地为军用、民用各系统提供可靠的PNT服务,彻底摆脱对卫星PNT系统的依赖。

 


 

 

 


        光纤授时领先世界,

             地面北斗创想未来!

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




 


本网站由阿里云提供云计算及安全服务 Powered by CloudDream