中国PNT体系建设:六十耳顺,星曜乾舆

9月19日9时14分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级,成功发射第59颗、第60颗北斗导航卫星。这组卫星属中圆地球轨道卫星,是我国北斗三号全球卫星导航系统建成开通后发射的第二组中圆地球轨道卫星,入轨并完成在轨测试后,将接入北斗卫星导航系统。作为北斗三号卫星系统的最后两颗备份卫星,将起到提高北斗系统运行稳定性的重要作用。

此次发射的卫星由中国科学院微小卫星创新研究院研制,将在确保北斗三号全球卫星导航系统精稳运行的基础上,开展下一代北斗系统新技术试验试用。与前期MEO组网卫星相比,该组卫星升级了星载原子钟配置,搭载了新型星间链路终端,入网工作后,将进一步提升北斗三号全球卫星导航系统可靠性及定位导航授时、全球短报文通信等服务性能,在支撑北斗系统稳定运行和北斗规模应用的同时,将为下一代北斗导航卫星技术升级进行相关试验,承载着承上启下的重要使命。

除了备份卫星,北斗三号系统现在共有30颗组网卫星在轨运行,其中,24颗卫星分布在中圆地球轨道的三个轨道面上,3颗卫星运行在地球静止轨道上,另外3颗卫星运行在倾斜地球同步轨道上,当中大多数组网卫星已在轨服役6年。由于大多数卫星设计寿命为10年,目前,北斗系统已开始考虑对组网卫星进行升级部署。在加强北斗组网服务能力的同时,下一代北斗卫星导航系统将在北斗三号的基础上,进一步提高基本导航、星基增强、短报文通信、国际搜救、精密定位、星间链路六个方面的能力,同时更好地融入国家网络信息体系。以北斗为核心的国家综合PNT(位置、导航和定时)体系不是所有PNT技术与系统的简单集合,更不是另起炉灶,而是统筹、融合、协调,从满足最大共性需求出发,提供一个标准化的解决方案。

中国国家综合PNT体系建设重点可概括为“5+1+N”,“5”指5大基础设施,包括重点推进下一代北斗卫星导航系统、积极发展低轨导航增强系统、按需发展水下导航系统、大力发展惯性导航系统、积极探索脉冲星导航系统;“1”是实现1个融合发展,即加快推进北斗与以5G移动通信为代表的网络信息体系的深度融合;“N”主要是突破一系列新兴技术,包括超稳芯片级原子钟、仿生导航技术等。到2020年,已完成PNT体系总体方案设计与论证,建设仿真试验设施,突破系列关键技术,并探索基于量子、微纳加工等新兴PNT技术。 到2025年,完善PNT体系框架,完成相关接口协议与标准规范制定,确保北斗系统稳定运行,完成性能提升演示验证,完成高精度的时空基准动态维持和传递、导通融合、低轨导航增强等系统关键技术演示验证。到2035年,完成下一代北斗系统星座组网,建成时空信息服务的备份增强系统,部署多源融合高可信的PNT终端,完成室内、水下、太空等特殊区域的PNT技术试验应用,完成国家综合PNT体系建设,提供体系化的PNT服务。

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。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。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。

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。

综合PNT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。

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。面对千变万化的PNT应用环境,弹性PNT应用模式还将被赋予智能化要素,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。返回搜狐,查看更多

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