近二十年來，隨著世界上多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)營，特別是北斗系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)營，可以毫不夸大地說，全世界進(jìn)入了GNSS時代。美國卻在2004年把GPS稱之為天基PNT，而且在2008年發(fā)布了2025年的PNT總體架構(gòu)，為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下一步系統(tǒng)集成和融合發(fā)展描繪出一幅遠(yuǎn)景藍(lán)圖。在這幅藍(lán)圖中，定位、導(dǎo)航和授時（PNT）已經(jīng)不單單是天基的事情，而是泛在的概念。在我們集中力量建設(shè)北斗系統(tǒng)的十多年內(nèi)，美國已經(jīng)在克服GPS脆弱性，開辟彈性可生存可確保的PNT方面取得了長足進(jìn)步。那么，美國是不是已經(jīng)進(jìn)入PNT時代了？下面我們作一探討。

近些年來，美國在一些重要報告和官方文件中，涉及到GPS服務(wù)的，一般都以PNT服務(wù)加以代替，為了克服GPS脆弱性，提出保護(hù)、優(yōu)化和增強(qiáng)（PTA）的政策舉措，提出彈性PNT的概念，在GPSIII衛(wèi)星上增強(qiáng)抗干擾能力，添加固有的信號完好性功能。而這兩、三年來，美國政府、軍方和民方發(fā)布的文件可以認(rèn)為是在為進(jìn)入PNT時代背書。

  2018年美國國防部提供了一份名為《國防部PNT戰(zhàn)略》的報告。報告指出，為了應(yīng)對在動態(tài)威脅環(huán)境中保持彈性的挑戰(zhàn)，需要在許多不同的國防部武器系統(tǒng)應(yīng)用中，實現(xiàn)新的PNT能力，而且要求達(dá)到迅速且可承受。該戰(zhàn)略考慮國防部所有構(gòu)成中發(fā)揮并且指導(dǎo)聯(lián)合和固有的行動的可操作與經(jīng)濟(jì)可行性，它要整合由現(xiàn)代化GPS與多種多樣的PNT信息附加資源提供的基礎(chǔ)能力，通過模塊化、開放性系統(tǒng)集成方法，以達(dá)到聯(lián)合軍事力量的彈性PNT效應(yīng)。覆蓋國防部PNT使命的這些行動是滿足國家和國防部軍用戰(zhàn)略目標(biāo)所必須的，該戰(zhàn)略旨在努力在現(xiàn)在和將來實現(xiàn)這些目標(biāo)。國防部承諾在所有的戰(zhàn)斗范疇內(nèi)保持和強(qiáng)化美國及其聯(lián)軍的軍用PNT優(yōu)勢。

該報告強(qiáng)調(diào)美軍要在研發(fā)和運(yùn)用PNT能力上繼續(xù)領(lǐng)先世界，該戰(zhàn)略所要求提供的和確保的PNT使命行動，相信能夠在PNT服務(wù)和能力上賦能現(xiàn)代戰(zhàn)爭的所有范圍，該戰(zhàn)略通過戰(zhàn)爭指揮也會賦能所有范圍的導(dǎo)航戰(zhàn)運(yùn)作，保持美國軍隊的PNT先進(jìn)性支持國家安全和戰(zhàn)略軍事目標(biāo)。

PNT使命行動涵蓋管控、能力、應(yīng)用及其效果，涉及到PNT信息源（全球的、區(qū)域的、本地的，和自然的與人為的），分發(fā)和管理PNT信息的手段，應(yīng)用和實施探索多種多樣的PNT信息組合，以及在進(jìn)行導(dǎo)航戰(zhàn)運(yùn)作中利用PNT信息的效果。

2019年聯(lián)邦無線電導(dǎo)航計劃（FRP）的發(fā)布，又是美國推進(jìn)PNT進(jìn)入新時代的一個行動。該計劃是盤點(diǎn)美國的PNT資源，及其梳理下一步發(fā)展的思路。

在這里，重點(diǎn)介紹美國的《聯(lián)邦無線電導(dǎo)航計劃-2019》的第六章PNT體系架構(gòu)的評估與演變的簡要內(nèi)容。開發(fā)國家PNT體系架構(gòu)是一項前瞻性計劃和遠(yuǎn)景藍(lán)圖，旨在幫助美國有效、高效地提供政府PNT系統(tǒng)和服務(wù)。該體系架構(gòu)的指導(dǎo)原則代表了美國在PNT中的角色的總體構(gòu)想，實現(xiàn)該構(gòu)想的體系架構(gòu)策略，并且可以在PNT體系架構(gòu)最終報告及其相關(guān)的國家PNT體系架構(gòu)中找到實施計劃所必不可少的四個提供指導(dǎo)的支撐向量。PNT體系架構(gòu)展示了企事業(yè)界對未來PNT環(huán)境的看法，可以作為參與USG的部門和機(jī)構(gòu)采取單獨(dú)行動的參考框架。自從《PNT體系架構(gòu)報告和實施計劃》發(fā)布以來，各個部門和機(jī)構(gòu)正在不同程度地實施愿景、戰(zhàn)略和指導(dǎo)，該過程將繼續(xù)。如果這些努力導(dǎo)致將來更改由聯(lián)邦提供的PNT系統(tǒng)和服務(wù)，則這些更改的計劃將記錄在《聯(lián)邦無線電導(dǎo)航計劃》后續(xù)版本中。

該體系架構(gòu)策略被稱為“最大公約數(shù)”原則，旨在使更多的通用核心功能可用于無限數(shù)量的用戶，同時通過自定義解決方案滿足特殊用戶的獨(dú)特需求。架構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，大量的PNT用戶具有一組共同的需求，與多個定制系統(tǒng)相比，標(biāo)準(zhǔn)解決方案可以更有效地滿足這些需求。因此，該策略的關(guān)鍵要素是利用GPS現(xiàn)代化，從而為無限數(shù)量的用戶在全球范圍內(nèi)提供增強(qiáng)的功能。支持此策略的是以下歸納出來的四個支撐向量：一是多種現(xiàn)象學(xué)—多種現(xiàn)象學(xué)是指各種物理現(xiàn)象，例如射頻、慣性傳感器和場景映射，以及使用這些物理現(xiàn)象的各種源和數(shù)據(jù)路徑（例如，多個無線電頻率），以向用戶提供可互換的解決方案以確保功能強(qiáng)大的可用性；二是可互換的解決方案—可互換的解決方案或具有高度互操作性的解決方案，意味著能夠?qū)碜远鄠€數(shù)據(jù)源的信號組合到單個PNT解決方案中，以及在沒有主要來源的情況下能夠從替代來源提供解決方案的可用能力；三是PNT與通信的融合協(xié)同作用—數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)可以通過提供PNT輔助和增強(qiáng)數(shù)據(jù)、地理空間信息等來支持PNT功能。但是，與功能更強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)的連接性的增強(qiáng)也提供了將這些網(wǎng)絡(luò)用作PNT來源的機(jī)會，而不僅僅是作為PNT輔助和增強(qiáng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道；四是合作協(xié)同組織機(jī)構(gòu)—促進(jìn)機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)與合作，以確保有效的運(yùn)營、有效的獲取和相關(guān)的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用服務(wù)開發(fā)。隨著PNT解決方案更多地依賴于多個PNT來源的集成，提供商之間的合作變得更加重要。

2020年2月12日，美國總統(tǒng)發(fā)布了第13905號行政命令（EO），“通過負(fù)責(zé)任地使用定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)來增強(qiáng)國家適應(yīng)能力。” 該命令確立了美國政策，以確保PNT服務(wù)不被破壞或惡意操縱，保障其關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的可靠和高效運(yùn)行。該命令明確要求聯(lián)邦部門和機(jī)構(gòu)為使用或依賴于PNT服務(wù)的所有關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施實施計劃、測試和配置文件。該命令試圖通過以下方法確保PNT服務(wù)的中斷或被惡意操縱不會損害關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性或效率：一是提高對關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)在多大程度上依賴PNT服務(wù)的認(rèn)知度；二是確保關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)可以承受PNT服務(wù)的破壞或被惡意操縱；三是與公共和私營部門合作，促進(jìn)對PNT服務(wù)的負(fù)責(zé)任使用。第13905號行政長官分配了行政部門的職責(zé)，以提高人們對基礎(chǔ)設(shè)施對GPS和其他GNSS服務(wù)（包括運(yùn)輸部門）的依賴的認(rèn)識。職責(zé)包括開發(fā)描述部門特定機(jī)構(gòu)（SSA）關(guān)鍵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用和依賴性的PNT概要文件，進(jìn)行PNT服務(wù)的測試，并按照科學(xué)技術(shù)政策辦公室的指示，整合多個不依賴于GNSS的PNT服務(wù)。此外，本報告中描述的決策框架為GNSS提供了相關(guān)信息和候選功能獨(dú)立的PNT服務(wù)選項，可提高關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施對GPS中斷或操縱的適應(yīng)能力。為了鼓勵主要利益相關(guān)者及時了解變化，美國政府采取了具體政策，以促進(jìn)“關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所有者和運(yùn)營商對PNT服務(wù)的負(fù)責(zé)任使用。”在這種情況下，“負(fù)責(zé)任”是指“有意地，有風(fēng)險意識地使用PNT服務(wù)，包括其獲取、集成和部署，以使PNT服務(wù)的中斷或操縱對國家安全，經(jīng)濟(jì)，公共衛(wèi)生和聯(lián)邦政府的職能危急情況的影響最小。根據(jù)行政命令，基于“負(fù)責(zé)任地使用PNT”的這些配置文件，應(yīng)該包括標(biāo)準(zhǔn)、指南和“針對特定系統(tǒng)選擇的特定部門的要求一致，以解決PNT服務(wù)的潛在中斷或操縱”。隨著其他設(shè)備的可用，還需要并行努力，在所有者和運(yùn)營商內(nèi)部創(chuàng)造更多需求，以提供更安全，更具堅韌性的設(shè)備。在它們進(jìn)行生命周期替換時，舊設(shè)備將被更新的設(shè)備取代。”歸根結(jié)底，這是關(guān)于更安全和更具堅韌性的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，而更安全和更具堅韌性的PNT就是其中的一部分。這些問題不可能在一夜之間得到解決，但確實希望看到能夠在未來幾年內(nèi)取得重大的增量改進(jìn)。

2020年12月9日美國白宮以總統(tǒng)令方式發(fā)布了新版的第七號《國家空間政策》文件，與上一版奧巴馬政府頒布的國家空間政策相隔整整十年。該文件著重強(qiáng)調(diào)了美國如今對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的強(qiáng)烈依賴，并提出美國應(yīng)因此做出一些準(zhǔn)備以應(yīng)對某天GPS無法正常使用的情況。 美國太空軍運(yùn)行了一個由31顆GPS衛(wèi)星組成的星座，該星座通過無線電導(dǎo)航向全球的軍事和民用用戶提供位置、導(dǎo)航和授時信息。太空中的衛(wèi)星也依賴于GPS來進(jìn)行導(dǎo)航、姿控、空間態(tài)勢感知以及包括無線電掩星在內(nèi)的多種新型科學(xué)應(yīng)用。 該指令文件還強(qiáng)調(diào)了美國對基于天基的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)與日俱增的依賴。然而，由于GPS信號容易受到干擾，所以政府部門和商業(yè)機(jī)構(gòu)都應(yīng)掌握備用的PNT技術(shù)來應(yīng)對未知的問題。 文件提到，軍事、民用和商業(yè)應(yīng)用對GPS激增的依賴也凸顯了GPS系統(tǒng)的脆弱性，文件強(qiáng)調(diào)“GPS用戶應(yīng)該做出備用方案以應(yīng)對可能發(fā)生的信號中斷，建立規(guī)范的程序來檢驗接收到的GPS信號和測距信號的完好性。對于那些一旦發(fā)生一些小故障就有可能引發(fā)生命財產(chǎn)損失的應(yīng)用領(lǐng)域，這些舉措更是不可或缺的。” 文件強(qiáng)調(diào)，美國“鼓勵開發(fā)能夠融入新技術(shù)和服務(wù)的PNT服務(wù)與保障的替代技術(shù)，比如量子傳感、相對導(dǎo)航以及由政府或私人所有和運(yùn)行的PNT替代服務(wù)。” 文件還提到，美國支持使用國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及服務(wù)來補(bǔ)充GPS。新服務(wù)的融入可以改善GPS的精度、可用度和恢復(fù)力。然而，該文件強(qiáng)調(diào)，美國政府“并不確保國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及服務(wù)的可靠性和真實性”。“接收機(jī)制造商應(yīng)持續(xù)提升產(chǎn)品的產(chǎn)品的安全性、完好性和恢復(fù)力，以此來應(yīng)對日益嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)威脅”。

2021年1月美國運(yùn)輸部發(fā)布了《互補(bǔ)PNT和GPS備份技術(shù)演示驗證報告》，這一演示驗證行動計劃是2017年就開始授權(quán)的。該文件指出，安全是美國運(yùn)輸部（DOT）的頭等大事。DOT必須確保提供精準(zhǔn)與可靠的定位、導(dǎo)航和授時（PNT）源，例如全球定位系統(tǒng)（GPS），以滿足當(dāng)前和新興的應(yīng)用，以及支持的基礎(chǔ)設(shè)施（例如，通信、能源和信息系統(tǒng)），以減少所有運(yùn)輸方式中的死亡和傷害，確保美國的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)保持安全和技術(shù)先進(jìn)，并總體上保護(hù)依賴可靠PNT服務(wù)的所有關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。PNT技術(shù)的研發(fā)對于所有運(yùn)輸方式的效率和安全性至關(guān)重要。諸如通信、銀行、電網(wǎng)和水壩等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施部門的安全性，取決于對PNT技術(shù)精度和彈性的提高的承諾。為了自主平臺（例如自動車輛（AV）和無人機(jī)系統(tǒng)（UAS））的安全，還需要包括天基技術(shù)和地面技術(shù)有所改進(jìn)的PNT系統(tǒng)?；A(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸安全還取決于合理、有效的頻譜管理策略，從而允許各種通信和PNT系統(tǒng)和諧共存。彈性PNT不僅對支持運(yùn)輸部門的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施很重要，而且對國家和經(jīng)濟(jì)安全也至關(guān)重要。支持關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)的主要且最知名的PNT服務(wù)是GPS。但是，由于GPS依賴于中地軌道（MEO）中的衛(wèi)星廣播的信號，因此接收機(jī)處的信號強(qiáng)度較低，因此容易受到有意和無意的干擾，顯示出其脆弱性弱點(diǎn)。

參與這次演示驗證測試的公司共有11家，主要圍繞泛在定位和授時兩個方面進(jìn)行，有四個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：一是所有符合技術(shù)實現(xiàn)水平（TRL）資格的供應(yīng)商都展示了PNT的某些價值表現(xiàn)，但是只有一個供應(yīng)商下一代導(dǎo)航（NextNav）在所有適用的用例場景中都得到了展示；二是兩種eLORAN技術(shù)都無法在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境“地下室”授時方案中獲得成功；三是中頻（MF）頻帶中的一種技術(shù)R-Mode不滿足最低TRL；四是部署工作和覆蓋范圍（每單位面積的基礎(chǔ)設(shè)施）都是重要的成本因素。

OPNT的蒙蒂·約翰遜演示驗證了通過100公里纏繞的光纜的精確時間傳輸。

該演示驗證測試表明存在合適的、成熟的和可商用的技術(shù)來備份或補(bǔ)充GPS提供的授時服務(wù)。但是，該演示還表明，沒有一個系統(tǒng)可以通用地備份GPS及其增強(qiáng)功能提供的定位和導(dǎo)航功能。關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施定位和導(dǎo)航要求千差萬別，因此需要功能齊全、應(yīng)用可行以及滿足最終用戶需求的特定的定位和導(dǎo)航解決方案。這需要多種多樣的定位和導(dǎo)航技術(shù)相互融合。此外，成本是任何PNT投資決策中的核心考慮因素。該演示還產(chǎn)生了足夠的信息，可以估算每種技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施與覆蓋區(qū)域關(guān)系的線性模型。同樣，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的所有者和運(yùn)營商可以使用合適且成熟的技術(shù)來加入補(bǔ)充的PNT服務(wù)，作為GPS的備份?；诖搜菔?，這些技術(shù)是用于PNT功能的LF和UHF地面和L波段衛(wèi)星廣播，并支持對發(fā)射機(jī)/控制段的光纖授時服務(wù)。從該演示中提出了兩項建議：一是DOT應(yīng)該為支持安全關(guān)鍵服務(wù)的PNT功能制定系統(tǒng)要求；二是DOT應(yīng)該制定標(biāo)準(zhǔn)，測試程序和監(jiān)測能力，以確保PNT服務(wù)以及使用它們的設(shè)備達(dá)到確定的必要的安全性和彈性水平。認(rèn)識到運(yùn)輸部門在精度、完好性、可用性和可靠性方面具有最嚴(yán)格的性能要求，因此開發(fā)側(cè)重于安全性和彈性的系統(tǒng)要求，將能夠確定當(dāng)前功能滿足了哪些要求，以及哪些要求可能需要進(jìn)一步的商業(yè)創(chuàng)新。DOT支持開放的安全標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)私營部門創(chuàng)新和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。