29.精品—国家综合定位导航授时体系PNT之体系发展的技术背景
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测绘
多传感器定位系统 动态观测 地球信息系统
海底能源开发 核废料管理 天然气开采
潮汐测量 石油泄露探测 资源管理
能源 环境
授时 数据管理 金融操作
银行
海事
船舶进出港口 内陆湖泊导航 海上救援系统
武器系统
地型导航 导航制导系统 炮火制导系统
专用操作
水下导航 精确授时系统 秘密潜入
– 消除 SA
IIF: IIR-M 能力加上 • 第三个民用信号(L5) • 抗干扰功率调控
Block III(2017年)
Block IIIA:
• 增强抗干扰能力(功率) • 增加安全性 • 提高精度 • 导航保证 • 后向兼容 • 确实的可用性 • 可控的完好性 • 系统的长寿命可存活性 • 第四个民用信号 (L1C)
水下、室内、深空等 量子等新的物理机制
全球地表、近地空间人类活动 卫星导航为核心
第五阶段：未来
M-PNT
第四阶段：当前
远程陆路、海路、航空运输 无线电、电子
远洋航海、殖民地开发 机械仪表观测自然现象
人类迁徙、狩猎、农耕 目视观测自然现象
卫星导航 第三阶段 匹配导航 电罗经
无线电指向信标 天文导航
第二阶段
优 势
易用：可以软件或芯片形式嵌入手机等终端
廉价：消费制导
泛 监控、测控、搜救
应 用
通信、电力等时间基准
测绘、形变监测、地震预报
…
5
技术背景——导航定位授时（PNT）服务主要运营商
主要国家竞相发展卫星导航系统。
全球系统
区域系统
美国GPS
俄罗斯GLONASS 中国北斗
“增量计划”
Block IIIB/C:
• 提高导航精度 • 功率增强20dB • 增加搜索与救援功能 • 增加通信功能 • 卫星设计寿命12～18年 • 一箭双星发射 • 星座结构调整 11
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
积极探索脉冲星导航技术、支撑深空导航
➢XNAV（基于X射线源的自主导航定位验证）计划 ➢SBIR（利用X射线脉冲星的深空探测器自主导航技术研究）计划 ➢XTIM（X射线计时）计划 ➢SEXTANT（空间站X射线计时与导航技术试验）项目
——欧盟研究报告
自2000年9月起，未配备GPS接收机的飞机、舰船、 装甲车辆等将不能获得采购。
——美GPS2000法令
4
技术背景——导航定位授时（PNT）服务主要运营商
卫星导航：当今最重要的、应用最广泛的提供PNT服务的系统。
统一：陆海空天全域覆盖
独 特
精确：实时定位精度10米，授时精度数十纳秒
eLoran系统
上世纪50年代 60个台站（形成30个台链）
90-110KHz
上世纪90年代开展技术研究
美国1个发射台； 英国1个发射台，7个差分站
90-110KHz
数十kw至2Mw
数十KW至2MW
覆盖北半球大部分地区
海上1000海里，陆地1000公里
双曲线
双曲线、圆周、差分
0.25海里
差分20米，50ns
基本的GPS • 标准服务 (16-24m SEP)
–单频 (L1) –粗码捕获 (C/A) 码导航 • 精密服务 (16m SEP) –Y-码 (L1Y & L2Y) –Y-码导航
增强系统的能力
增加国防和民用的利益
Block IIR-M/ IIF (2005/2010年)
IIR-M: IIA/IIR 能力加上 • 笫二个民用信号 (L2C) • M-Code (L1M & L2M)
搜救
生还者探索系统 生命源探测
农业
耕种、施肥、收获 家畜跟踪系统
电力授时 故障监测 电力调度
电力
陆军
沙漠导航 机动协作 排雷
运输
智能运输系统 实时道路导航
通信
网络同步 通信同步 测距、定位 E911
娱乐
徒步旅行 划船 热气球
公共卫生安全
救火协调 地震预测 紧急事件车辆跟踪 被偷车辆定位
2010年美国停发信号，英国、俄 美国将重启建设，提供国土授时；
罗斯等在用
英国计划2019年初始运行
14
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
促进导航通信融合、提升用户体验
A-GPS技术迅速发展
2004年 3GPP (国际标准化组织)对 A-GPS 进行了扩展，引入了全球卫星导航 系统 GNSS 的概念
防灾减灾
灾害监测 救援救生
3
技术背景——导航定位授时（PNT）服务应用需求
经济社会与国家安全高度依赖PNT服务。
85%的信息与位置、时间相关搜索自2007年4月起，所有在美国销售的手机必须具备 位置服务（LBS）功能。
——美E911法令
卫星导航服务中断2天就将给欧洲带来10亿欧元经 济损失。
惯性导航 测高仪
六分仪
陆基无线电导航 多普勒导航雷达
第一阶段
航海钟 测速仪
指南针
原子钟
日晷 司南 罗盘 测深仪
人工地形标记
两大发展引擎： １）需求牵引； ２）技术推动。
2
技术背景——导航定位授时（PNT）服务应用需求
航空
飞行管理/导航系统 精密进近着陆系统 燃料智能化管理系统
航天
发射火箭跟踪系统 卫星导航系统 弹道导航防御系统
17
美国海底观测网络
国外
国内
海底大地 基准网
美、欧、日都已建立
尚无
水下导航 系统
DARPA发布“深海导航定位系统” 计划，2018年海试。2016年，俄罗 斯公布了水下“格洛纳斯”计划。
方案与可行性论证
水下定位 法国的GAPS联合惯性和水声技术，
试验精度10‰斜距
技术
定位精度达到2‰斜距
水下“格洛纳斯”
卫星导航仍然无法作为唯一可依赖的PNT服务的提供手段。
信号弱：接收信号功率-160dBw，易被干扰和阻断； 障碍穿透能力弱：水下、室内、城市峡谷、森林等场景无法覆盖； 覆盖地球空间：难以为深空提供服务。
8
技术背景——卫星导航的固有缺陷
行业用户服务性能要求越来越高
➢ 民航用户：高完好性（生命安全） ➢ 测绘用户：事后高精度 ➢ 关键基础设施（金融、电网）用户：高安全性（高可用、抗欺骗），不满足 ➢ 自动驾驶、智能交通用户：实时高精度（动态分米厘米级）、高完好性，不满足 ➢ 泛在需求：实时、高精度、高完好性、高可用性……
欧盟伽利略
+
日本QZSS
印度IRNSS
6
技术背景——导航定位授时（PNT）服务主要运营商
卫星导航系统行业应用规模与经济效益
2018年，在用设备接近80亿台
2018年，总产值约2700亿欧元
增长率：11%
（
增长率：8.3%
（
亿
亿
欧
台
元
）
）
在可预计的将来仍然是不可替代的
7
技术背景——卫星导航的固有缺陷
数据通道 13
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
复兴远程地基导航、保持强对抗条件下最低限度能力
研制年代 台站数 工作频段 辐射功率 覆盖范围 定位体制
精度 现状
欧米伽系统 上世纪60～70年代
8个台站 10.2～13.6KHz
10kw 全球覆盖 双曲线 2～4海里；差分1海里 1997年关闭
罗兰C系统
9
技术背景——卫星导航的固有缺陷
卫导信号的“脆弱性”导致复杂环境下的应用受限
➢ 复杂地形环境：易受遮挡、多径复杂 ➢ 复杂电磁环境：易受干扰和欺骗
10
技术背景——卫星导航系统的现代化
持续实施GPS现代化，保持其领先地位
增加新信号 提升安全性 扩展功能
Block IIA/IIR (1990/1997年)
12
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
积极发展低轨增强星座，全方位提升卫星导航系统性能
Iridium
iGPS
STL
基于铱星低轨星座（66颗） 1616～1626.5 MHz下行频段 采用信息/信号增强方式 实现增强PNT服务
抗干扰：落地信号电平提升30dB 高精度：大幅缩短载波相位收敛时间 完好性：提供精度和完好性增强观测量和
2008.12 3GPP启动了 LTE（第四代移动 通信）系统中的定位标准化工 作，LTE 支持辅助定位技术。
15
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
大力发展Micro-PNT等不依赖GPS的定位与制导技术
器件技术：已完成0.01°/h高精度MEMS陀螺样机，精度达到5×10-11、体积仅16cm3芯片级原子钟研制。
技术背景——何为宇宙？
《淮南子•原道篇》 四方上下曰宇，古往今来曰宙
《互动百科》
宇宙是万物的总称。 是时间和空间的统一。 时间、空间、质量是宇宙的
三要素。
目前，人类对于宇宙万物局限于“四维”层面的认知。 在我们人类看来，时间、空间是宇宙万物的基本属性。
1
技术背景——时空感知
人类对于时空的认知，离不开提供时空信息的定位、授时服务,导航、定位、授时（P ositioning, Navigation, Timing）技术的发展史就是人类活动空间不断扩展的历史。
2008.5 引入 GANSS 的概念，UMTS （通 用移动通信系统）支持GPS 外五 种卫星定位系统
2000年 R99 UMTS(3G) 支持辅助 GPS（A-GPS： Assisted-GPS）；
2007年 3GPP 实现 UTRAN（陆地无线接入网） 的 A-GNSS 功能，完成了对 GPS 和 GALILEO 两种导航系统的支持；
三轴陀螺
高精度MEMS陀螺
SA.45s芯片原子钟
系统技术：Michigan大学已完成单片集成样机的验证。Carnegie Mellon大学完成了单兵演示验证。
Michigan大学单片集成样机
Carnegie Mellon大学单兵演示验证
16
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
发展水下导航、填补覆盖空白 美、欧、日都建立了海底大地基准网。
多传感器定位系统 动态观测 地球信息系统
海底能源开发 核废料管理 天然气开采
潮汐测量 石油泄露探测 资源管理
能源 环境
授时 数据管理 金融操作
银行
海事
船舶进出港口 内陆湖泊导航 海上救援系统
武器系统
地型导航 导航制导系统 炮火制导系统
专用操作
水下导航 精确授时系统 秘密潜入
– 消除 SA
IIF: IIR-M 能力加上 • 第三个民用信号(L5) • 抗干扰功率调控
Block III(2017年)
Block IIIA:
• 增强抗干扰能力(功率) • 增加安全性 • 提高精度 • 导航保证 • 后向兼容 • 确实的可用性 • 可控的完好性 • 系统的长寿命可存活性 • 第四个民用信号 (L1C)
水下、室内、深空等 量子等新的物理机制
全球地表、近地空间人类活动 卫星导航为核心
第五阶段：未来
M-PNT
第四阶段：当前
远程陆路、海路、航空运输 无线电、电子
远洋航海、殖民地开发 机械仪表观测自然现象
人类迁徙、狩猎、农耕 目视观测自然现象
卫星导航 第三阶段 匹配导航 电罗经
无线电指向信标 天文导航
第二阶段
优 势
易用：可以软件或芯片形式嵌入手机等终端
廉价：消费制导
泛 监控、测控、搜救
应 用
通信、电力等时间基准
测绘、形变监测、地震预报
…
5
技术背景——导航定位授时（PNT）服务主要运营商
主要国家竞相发展卫星导航系统。
全球系统
区域系统
美国GPS
俄罗斯GLONASS 中国北斗
“增量计划”
Block IIIB/C:
• 提高导航精度 • 功率增强20dB • 增加搜索与救援功能 • 增加通信功能 • 卫星设计寿命12～18年 • 一箭双星发射 • 星座结构调整 11
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
积极探索脉冲星导航技术、支撑深空导航
➢XNAV（基于X射线源的自主导航定位验证）计划 ➢SBIR（利用X射线脉冲星的深空探测器自主导航技术研究）计划 ➢XTIM（X射线计时）计划 ➢SEXTANT（空间站X射线计时与导航技术试验）项目
——欧盟研究报告
自2000年9月起，未配备GPS接收机的飞机、舰船、 装甲车辆等将不能获得采购。
——美GPS2000法令
4
技术背景——导航定位授时（PNT）服务主要运营商
卫星导航：当今最重要的、应用最广泛的提供PNT服务的系统。
统一：陆海空天全域覆盖
独 特
精确：实时定位精度10米，授时精度数十纳秒
eLoran系统
上世纪50年代 60个台站（形成30个台链）
90-110KHz
上世纪90年代开展技术研究
美国1个发射台； 英国1个发射台，7个差分站
90-110KHz
数十kw至2Mw
数十KW至2MW
覆盖北半球大部分地区
海上1000海里，陆地1000公里
双曲线
双曲线、圆周、差分
0.25海里
差分20米，50ns
基本的GPS • 标准服务 (16-24m SEP)
–单频 (L1) –粗码捕获 (C/A) 码导航 • 精密服务 (16m SEP) –Y-码 (L1Y & L2Y) –Y-码导航
增强系统的能力
增加国防和民用的利益
Block IIR-M/ IIF (2005/2010年)
IIR-M: IIA/IIR 能力加上 • 笫二个民用信号 (L2C) • M-Code (L1M & L2M)
搜救
生还者探索系统 生命源探测
农业
耕种、施肥、收获 家畜跟踪系统
电力授时 故障监测 电力调度
电力
陆军
沙漠导航 机动协作 排雷
运输
智能运输系统 实时道路导航
通信
网络同步 通信同步 测距、定位 E911
娱乐
徒步旅行 划船 热气球
公共卫生安全
救火协调 地震预测 紧急事件车辆跟踪 被偷车辆定位
2010年美国停发信号，英国、俄 美国将重启建设，提供国土授时；
罗斯等在用
英国计划2019年初始运行
14
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
促进导航通信融合、提升用户体验
A-GPS技术迅速发展
2004年 3GPP (国际标准化组织)对 A-GPS 进行了扩展，引入了全球卫星导航 系统 GNSS 的概念
防灾减灾
灾害监测 救援救生
3
技术背景——导航定位授时（PNT）服务应用需求
经济社会与国家安全高度依赖PNT服务。
85%的信息与位置、时间相关搜索自2007年4月起，所有在美国销售的手机必须具备 位置服务（LBS）功能。
——美E911法令
卫星导航服务中断2天就将给欧洲带来10亿欧元经 济损失。
惯性导航 测高仪
六分仪
陆基无线电导航 多普勒导航雷达
第一阶段
航海钟 测速仪
指南针
原子钟
日晷 司南 罗盘 测深仪
人工地形标记
两大发展引擎： １）需求牵引； ２）技术推动。
2
技术背景——导航定位授时（PNT）服务应用需求
航空
飞行管理/导航系统 精密进近着陆系统 燃料智能化管理系统
航天
发射火箭跟踪系统 卫星导航系统 弹道导航防御系统
17
美国海底观测网络
国外
国内
海底大地 基准网
美、欧、日都已建立
尚无
水下导航 系统
DARPA发布“深海导航定位系统” 计划，2018年海试。2016年，俄罗 斯公布了水下“格洛纳斯”计划。
方案与可行性论证
水下定位 法国的GAPS联合惯性和水声技术，
试验精度10‰斜距
技术
定位精度达到2‰斜距
水下“格洛纳斯”
卫星导航仍然无法作为唯一可依赖的PNT服务的提供手段。
信号弱：接收信号功率-160dBw，易被干扰和阻断； 障碍穿透能力弱：水下、室内、城市峡谷、森林等场景无法覆盖； 覆盖地球空间：难以为深空提供服务。
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技术背景——卫星导航的固有缺陷
行业用户服务性能要求越来越高
➢ 民航用户：高完好性（生命安全） ➢ 测绘用户：事后高精度 ➢ 关键基础设施（金融、电网）用户：高安全性（高可用、抗欺骗），不满足 ➢ 自动驾驶、智能交通用户：实时高精度（动态分米厘米级）、高完好性，不满足 ➢ 泛在需求：实时、高精度、高完好性、高可用性……
欧盟伽利略
+
日本QZSS
印度IRNSS
6
技术背景——导航定位授时（PNT）服务主要运营商
卫星导航系统行业应用规模与经济效益
2018年，在用设备接近80亿台
2018年，总产值约2700亿欧元
增长率：11%
（
增长率：8.3%
（
亿
亿
欧
台
元
）
）
在可预计的将来仍然是不可替代的
7
技术背景——卫星导航的固有缺陷
数据通道 13
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
复兴远程地基导航、保持强对抗条件下最低限度能力
研制年代 台站数 工作频段 辐射功率 覆盖范围 定位体制
精度 现状
欧米伽系统 上世纪60～70年代
8个台站 10.2～13.6KHz
10kw 全球覆盖 双曲线 2～4海里；差分1海里 1997年关闭
罗兰C系统
9
技术背景——卫星导航的固有缺陷
卫导信号的“脆弱性”导致复杂环境下的应用受限
➢ 复杂地形环境：易受遮挡、多径复杂 ➢ 复杂电磁环境：易受干扰和欺骗
10
技术背景——卫星导航系统的现代化
持续实施GPS现代化，保持其领先地位
增加新信号 提升安全性 扩展功能
Block IIA/IIR (1990/1997年)
12
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
积极发展低轨增强星座，全方位提升卫星导航系统性能
Iridium
iGPS
STL
基于铱星低轨星座（66颗） 1616～1626.5 MHz下行频段 采用信息/信号增强方式 实现增强PNT服务
抗干扰：落地信号电平提升30dB 高精度：大幅缩短载波相位收敛时间 完好性：提供精度和完好性增强观测量和
2008.12 3GPP启动了 LTE（第四代移动 通信）系统中的定位标准化工 作，LTE 支持辅助定位技术。
15
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
大力发展Micro-PNT等不依赖GPS的定位与制导技术
器件技术：已完成0.01°/h高精度MEMS陀螺样机，精度达到5×10-11、体积仅16cm3芯片级原子钟研制。
技术背景——何为宇宙？
《淮南子•原道篇》 四方上下曰宇，古往今来曰宙
《互动百科》
宇宙是万物的总称。 是时间和空间的统一。 时间、空间、质量是宇宙的
三要素。
目前，人类对于宇宙万物局限于“四维”层面的认知。 在我们人类看来，时间、空间是宇宙万物的基本属性。
1
技术背景——时空感知
人类对于时空的认知，离不开提供时空信息的定位、授时服务,导航、定位、授时（P ositioning, Navigation, Timing）技术的发展史就是人类活动空间不断扩展的历史。
2008.5 引入 GANSS 的概念，UMTS （通 用移动通信系统）支持GPS 外五 种卫星定位系统
2000年 R99 UMTS(3G) 支持辅助 GPS（A-GPS： Assisted-GPS）；
2007年 3GPP 实现 UTRAN（陆地无线接入网） 的 A-GNSS 功能，完成了对 GPS 和 GALILEO 两种导航系统的支持；
三轴陀螺
高精度MEMS陀螺
SA.45s芯片原子钟
系统技术：Michigan大学已完成单片集成样机的验证。Carnegie Mellon大学完成了单兵演示验证。
Michigan大学单片集成样机
Carnegie Mellon大学单兵演示验证
16
技术背景——多种导航定位手段竞相发展
发展水下导航、填补覆盖空白 美、欧、日都建立了海底大地基准网。