中国民航在我国综合PNT体系建设中的作用
摘要：PNT系统是指可以提供定位（Positioning）、导航（Navigation）、授时（Timing）能力的系统，是未来国家安全和经济发展的重要支撑，可以为不同用户提供必要的时间或空间信息。全球导航卫星系统在应用中表现出的脆弱性，促使各主要国家相继开展了综合PNT体系规划研究工作，对未来PNT系统的发展建设提供指导建议。中国民航应从行业特点出发，积极参与我国综合PNT体系研究论证工作，推动我国以北斗系统为基石的国家综合PNT体系的建立和实现。
一、国家综合PNT体系概述
以GPS为代表的卫星导航技术不断发展，使得全球导航卫星系统正在成为一个国家信息化建设重要的基础设施，为多种不同用户提供定位、导航、授时（PNT）服务信息。随着卫星导航技术应用范围的逐步扩大，其自身的性能缺陷正逐渐显现，表现在易受电磁信号干扰影响、在地理环境遮蔽条件下（室内、地下、水下）难以实现定位等多个方面。因此，尽快建成多传感器高度集成，多信息源数据高度融合的，具有抗干扰、放欺骗、稳健可用、连续可靠等特征的国家综合PNT体系，弥补卫星导航系统在室内、水下、深空等领域的服务盲区，为国民经济、国防建设基础科研等提供可靠时空基准，显著提升国家时空信息服务能力，已成为一项国家战略〔1〕。在此背景下，我国自2010年起正式启动了综合PNT体系的研究、论证和规划建设工作，并于2015年11月公开发布“国家综合定位导航授时体系”第一批项目指南，其中包括深空、远程地基、水下定位、导航授时、技术路线图等9个研究专题。在2017年5月第八届中国卫星导航学术年会上，中国卫星导航系统管理办公室透露，“未来中国拟加快推进以北斗系统为核心的国家综合PNT体系建设，争取到2030年前后，构建基准统一、覆盖无缝、安全可信、高效便捷的国家综合PNT体系，显著提升国家时空信息服务能力，为全球用户提供更为优秀的服务”。
二、我国民航对PNT体系的应用需求
国际民航组织在2012年第12届航行大会上正式审议发布了《全球空中航行计划》及其附件《航空系统组块升级计划》，其中明确提出基于性能的导航（PNB）将在未来航行新技术规划中处于最高优先级；中国民航局也已将PBN列为我国民航将要重点推广的四大新技术之一，并在《中国民航基于性能的导航实施路线图》中提出“在2025年之前全国所有机场实施基于卫星导航的PBN运行”〔2〕。众所周知，卫星导航与传统地面设备相比具有覆盖范围广、应用成本较低、灵活性较强等优势，另一方面，由于卫星导航系统自身性能原因，其在实际应用中所暴露出的安全风险也引起了业内人士的广泛关注，主要体现在以下两方面〔3〕：
一是导航精度不能充分满足飞行全阶段需求。目前卫星导航的精度基本能够满足航路阶段要求，但在最后进近阶段，其精度只能达到非精密进近要求。现阶段国内外研究提出的各种类型的解决方案，包括星基增强技术、地基增强技术等，就是希望通过各种性能增强技术来提高卫星导航的精度和完好性，满足飞行最后阶段精密进近的运行需求。
二是电磁干扰对卫星导航的航空应用影响严重。卫星信号从上万公里的太空到达地面后已极其微弱，很容易成为被干扰对象。2012年8月美国纽约纽瓦克机场曾发生过车载GPS干扰仪对卫星增强系统影响的事件，显示了卫星导航极易受干扰的特性。同时，空间环境（如电离层闪烁等）可以造成卫星接收机所接收信号严重衰落，从而也成为卫星导航应用中广为关注的干扰影响因素。
针对卫星导航技术目前存在的问题，我国民航应从自身需求出发，结合行业特征，认真组织开展面向航空应用的PNT体系规划论证工作，通过推进卫星增强、多信息源融合处理等关键技术的研究与使用，着力解决现有卫星导航技术所存在的各种不足；自此基础上，进一步将航空应用PNT技术体系纳入我国国家综合PNT体系的规划建设中，推动民航行业向更高层面发展。
三、FAA在美国PNT体系研究中所发挥的作用
美国是世界上首个提出国家综合PNT体系概念并进行实际研究工作的国家，FAA在体系研究过程中积极参与，组织开展了大量工作，有力推动了体系发展建设进程〔4〕。
（一）通过广域增强系统实现GPS性能监测
GPS广域增强系统是由FAA最初提出并组织建设的星基增强系统，该系统最大的特征是可以对GPS系统进行性能监测。随着GPS系统性能的提升，导航卫星自身将具有完好性实现能力，但FAA仍然决定继续推进广域增强系统的建设与完善工作，并将其功能定位为对GPS性能进行监测，从而充分提升了GPS系统的安全裕度，最大化满足航空需求。
（二）参与并推进GPS现代化建设
美国自2000年就开始着手推进GPS的现代化进程，目前已完成GPS 三代卫星研制和地面控制系统升级工作。在此期间，FAA牵头并联合国内多家单位开展了GPS系统演化结构的研究工作，其目的是针对未来GPS系统的双频体制，研究在全球范围内实现航空器LPV-200进近的导航技术，以满足航空应用所需的卫星导航服务性能要求。FAA在研究过程中提出了“绝对RAIM”（ARAIM）、“相对RAIM” (RRAIM)等新概念，并对这些概念进行深入的技术研究。研究的成果被纳入了美国国家PNT体系研究规划中，确保了GPS系统的技术完善与民航业需求相互一致。
（三）积极开展“可替代GPS”的PNT技术研究
随着美国国家综合PNT体系研究工作的推进，FAA结合其在航空领域的应用，开展了PNT实现技术的研究，并重新修订了目前正在实施的新一代航空运输系统（NextGen）规划。在新的规划中，FAA提出了“可替代PNT”（APNT）的概念，其核心在于通过其他导航系统与技术的部署，实现与GPS互为备份。“可替代PNT”所建议采纳的技术包括地基/机载信标发射技术、地基伪卫星网络等，其最终目的是要建成可满足航空器全球航行所需要的导航定位手段，这些手段针对航空器飞行的不同阶段，可分别由卫星导航、可替代PNT，以及其它手段（如传统DME等导航设备）组成三重冗余的PNT实现能力〔5〕。
（四）主导国际标准的建立与制定
美国一直致力于将GPS建设成为全球领先的导航系统，以“保持GPS在世界上的领导地位”，为达到这一目标，美国主导制定发布了多部卫星导航领域的国际标准，如GPS标准服务性能标准、广域增强系统性能标准，以及GPS最小可用性能标准/机载设备标准等，以上标准都已成为一种既成事实标准，在提供给世界各国使用的同时，客观上迫使其它卫星导航应用大国按照这些标准制定本国相应的标准，或按上述标准进行系统建设。
（五）积极推动国际合作
卫星导航技术的对外发展离不开国际社会的认可，尤其是未来多卫星导航系统的兼容互操作更需要国家与国家之间的协调。FAA在GPS宣布达到“试运行能力”起，就开始致力于GPS的航空应用研究，陆续提出了“广域增强系统”、“局域增强系统”等技术概念，并向国际民航组织推荐将GPS作为航空应用导航手段。在后续工作中， FAA还进一步通过国际民航组织积极开展卫星导航技术应用交流，推动GPS及其技术的发展。随着国际卫星导航委员会在卫星导航技术合作中的地位日益提高，FAA正在推进在其相关工作组中开展卫星导航完好性技术合作研究，以保持美国在卫星导航领域的国际影响力。
可以看出， FAA在美国国家综合PNT体系的规划和建设中起到了重要作用。一方面，FAA根据自身应用需求不断推进PNT相关技术研究；另一方面，FAA作为重要的PNT使用部门，积极参与美国国家综合PNT体系的规划建设；在此基础上，FAA还利用其在国际民航组织、国际卫星导航委员会等国际组织中的特殊地位，间接推动着美国国家综合PNT体系的成熟与发展。
四、中国民航在国家综合PNT体系规划建设中的工作建议
我国民航局一直高度重视北斗卫星系统及其增强系统的应用工作，并积极利用国际民航组织及相关多边外交平台推动其在国际民航中的标准化工作。在中国卫星导航系统管理办公室和民航局的共同努力下，2017年10月，北斗星基增强系统服务商标识号和系统标准时间标识号获得国际民航组织会议的通过，标志着北斗星基增强系统建设取得阶段性成果。
在我国规划的“以北斗系统为基石的国家综合PNT体系”建设中，作为民航主管部门，民航局应从行业发展特征及实际需求出发，充分借鉴FAA在美国PNT体系研究建设过程中所发挥的作用，进一步积极推进我国国家综合PNT体系的论证、建设与发展，具体可以考虑从以下几方面开展工作。
（一）推进面向民航应用的综合PNT体系规划、论证和建设工作
民航局应重点开展面向民航应用的综合PNT体系研究工作，并将其纳入到国家综合PNT体系中。具体而言，应根据PBN实施路线图内容及其相关研究，结合卫星导航技术发展趋势与特征，以及国家综合PNT体系建设规划，提出面向民航应用的综合PNT解决方案。
（二）深度参与北斗系统建设和应用工作
民航行业与旅客生命安全息息相关，对导航卫星的性能有严格的要求。民航局应根据行业发展实际需求，提出北斗卫星系统及其增强系统的需求方案，组织建设独立的北斗增强系统或北斗性能监测系统，评估北斗卫星及其增强系统性能满足航空应用的能力，开展面向民航应用的卫星导航技术研究，提出适合于民航应用的技术实现途径，并纳入我国北斗全球系统建设以及后续的系统升级发展中，从根本上推进北斗系统有序发展，提高北斗导航系统的竞争力。
（三）积极参与卫星导航相关国际合作
北斗导航卫星系统作为我国国家综合PNT体系的发展基石，应大力推进系统的建设、完善和增强。将北斗导航技术纳入国际行业应用并制定相关应用标准，是推进北斗系统发展的重要途径。民航局应通过国际民航组织以及其它国际合作平台，加快推进将北斗相关标准纳入国际民航应用标准体系；在此基础上，积极参与卫星导航在民航应用领域的国际技术合作、卫星导航系统及设备国际标准制定、卫星导航在民航应用领域相关国际法律法规的制定等工作，推进北斗系统的国际化应用。
五、结束语
随着卫星导航技术研究的不断深入以及应用领域的不断拓展，从根本上建立更为综合全面的PNT系统是定位、导航、授时技术应用的发展趋势，因此，应从国家层面上统筹开展综合PNT体系的规划论证工作。民航作为一个重要而且具有特殊需求的PNT应用领域，是国家综合PNT体系建设中的重要组成部分，民航各相关部门应主动作为，从系统规划、建设、应用，以及国际合作等多个方面，积极投身于我国国家综合PNT体系的建设中，推动体系论证、规划和建设发展。
参考文献
[1] 杨元喜，综合PNT体系及其关键技术[J]，测绘学报，2016年5月，45(5)。
[2] 中国民航局，中国民航基于性能的导航实施路线图[Z]，2009年10月。
[3] 吴健，甄卫民，刘钝，美国PTA计划及对我国PNT体系建设的启示[J]，北斗导航，2016年2月，总第59期。
[4] National Security Space Office，National Positioning, Navigation, and Timing Architecture Study[M],September,2008.
[5] Karen Van Dyke, National PNT Architecture Implementation[C]//FAA APNT Industry Day, May 2012.
