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杨元喜院士:《北斗+与综合PNT体系》

2018.11.20
PNT定位导航授时,是我们生活当中的必备要素,PNT服务要求同一个载体需要唯一的PNT的服务,否则它就会乱套,我们最常见的PNT当然是GNSS提供的,北斗、GPS、GLONASS、Galileo等等,但是GNSS不等于PNT,而PNT的范畴要广泛的多,GNSS只是PNT服务的一种工具。
 
PNT是国家信息建设的基石,基础要素,我们生活当中80%的信息和PNT有关联,经济的全球化,没有PNT是不可能实现的。一带一路的建设是国家战略,但是没有PNT信息的支持也是很困难的。所以我们提出一带一路建设不仅要有公路、铁路、航路、水路,还要有PNT信息公路。
 
我们经常说互联网+,不光需要网,还需要PNT的支持,我们说智慧城市,如果没有PNT,它就不能智慧,智慧海洋,如果没有PNT的支持,海洋不可能是一个智慧海洋,我们所说的大数据,大数据是靠PNT进行数据挖掘的,如果没有PNT的支撑,大数据就是一堆乱数据、杂数据。所以说大数据是靠定位、导航、授时来寻找它的规律,发现它的线索而提供决策的。云平台如果没有统一的PNT支撑,云平台也会乱套,交通、管理、物流,没有一样不需要PNT。
 
当我们说PNT不能不想到GNSS,很遗憾的是,无论是北斗、Galileo、GPS、GLONASS等等,信号是最弱的,信号从几万公里传到地球来,极容易被干扰,易容易被遮蔽,信号弱,很容易被欺骗。另外室内、涵洞等等都不可能提供服务,空间内的载荷出现任何异常,地面控制端出现任何的故障,都可能导致GNSS的PNT服务中断。
 
所以我们希望构建一个未来的综合PNT。所谓的综合PNT,我想给它这么一个定义:基于不同原理,多种信息源,经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据的融合,生成时空基准统一的、且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的全空间PNT服务体系。
 
它的核心要素在于,不同的原理,不同的信息源,要形成网络,要经过云平台控制,最后实现智能化的服务。
 
第一种信息源,我们说的综合PNT不能不说信息源。综合PNP的第一道信息源就是高低轨天基无线电PNT信息,所谓高轨信息,再加上低轨的通讯卫星、遥感卫星等等各类卫星,都可以作为各类导航PNT的信息源,都可以为导航的增强,时间的增强等等提供重要的信息。一方面信息多源,第二个方面信息的冗余度会增加,这样它的兼容性就要被考虑,互操作性也要被考虑。
 
地基无线电也可以提供综合PNT服务,比如多普勒、罗兰、塔康、Omega、伏尔、阿尔法系统等等,但是这些地基信息源作用距离是非常有限的,同样它的信号也容易被干扰,被欺骗。还有一种自主PNT,不需要外部交换,都可以提供导航,但是它没有时间。当然也有一种卫星自主的PNT,就是指同系统星座之间的互相跟踪,卫星自测轨道、自测钟差,实现短时间内无地面支持的GNSS  PNT服务。
 
还有其他重要的信息源,比如微原子钟重力匹配导航、磁力匹配导航、影像匹配导航、地理信息匹配导航。还有水下声纳导航,天文导航,当然不同的原理可以互相补充。
 
美国麻省理工学院也提出了一个量子导航QPS,量子定位可以采用纠缠和压缩特性的光子进行测时然后进行定位。我们把量子导航可以分成三类:一个是测定点的主动定位方法,主动定位就是我们测定点自己进行发送具有纠缠特性的光子脉冲,送到已知点,测来回的时间,可以算距离,如果有三个以上的已知点,就可以把这一点的位置定出来。
 
还有一种被动定位,三个以上的框架点对安置干频仪,发送纠缠光子对,利用每一对光子的二阶相关性,确定未知点坐标。
 
待定点的主动定位方法,是待定点发送若干个脉冲道不同的参考点,测量这些发送的脉冲到达时间的相关性,就可以测定距离,由距离可以算三维坐标。被动定位方法可以通过若干独立的基线,它们可以生成纠缠的双光子,然后我们地面只要一个接收机接收他们发送的光子,测时间延迟,就可以确定位置。
 
假设我们通过若干个基线队,R1、R2坐标是已知的,坐标X1、Y1都是已知的,通过双光子一致性的计书率,然后用户终端通过角隅反射境就可以进行距离的测定,然后进行定位。
 
量子陀螺导航系统是另外一种原理,通过原子干涉仪用一冷Rb或Cs原子束以两个不同的拓扑路径传播,测量两原子束通过不同路径引起的相位差。利用原子干涉仪测定光和原子相互作用中的光场相位改变测量惯性力,比如感知地球磁场和重力场的变化,再进行位置的计算。
 
量子陀螺仪比传统的陀螺仪精度高出好几个数量级,可能是未来的重点发展方向。从这个意义上说,可以再拓展我们的思路,如果希望从深海到深空,都有PNT服务的话,在水下放置若干个声纳导航装置,也能传递PNT的信息,那么就可以形成从海底到深空的PNT的服务。
 
从这个意义上说可以把未来的综合PNT,第一层是BDS、GPS、GLONASS、Galileo等等,第二层是低轨卫星,QPS、QINS就是量子惯导以及惯性导航,脉冲星、天文定位等等,把这些所有的信息源都作为我们未来的综合PNT的信息源,我们就可以有无处不在的PNT服务。
 
信息源的迅速增加下,我们如何为客户提供高效的服务,比如说芯片化的集成,无线电、惯性和微型原子钟的组成,还有芯片级的IMU、芯片级的原子钟、加上GNSS的芯片集成在一起,形成一个综合PNT的服务。在量子导航方面也有很多关键技术,比如量子纠缠源的制备,量子压缩等等。
 
在函数模型方面,我们希望不同的物理源,不同的传感器构建的函数模型至少要有公共参数和非公共参数两个部分,另外数据处理方法,当信息源越来越多,我们需要高效的计算能力,比如并行计算。
 
不同的信息源对应不同的函数模型和不同的随机模型,经过云平台的控制进行自适应融合,然后再进行智能化综合PNT服务。
 
综合PNT是PNT未来的发展方向,信息要多元化,空天地一体化。传感器的高度集成化和小型化,PNT的时空基准一定要归一化,我们的运控手段要云平台化,PNT信息融合要自适应化,PNT的终端要稳健化,日后它的服务模式要智能化。
 
在核心技术方面我们设计了多源信息的同化和归一化问题,超稳芯片级原子钟技术,超稳惯导器件和自主导航传感器,多源传感器的芯片化集成,量子导航系统及组合导航理论与装备等。
 
综合PNT的性能方面应该有所提升,原理要实行多样性,信息冗余性,误差补偿性,结果容错性,信息可用性,系统完好性,服务连续性,结果可靠性,整体稳健性。
 
最后我要说,在中国构建的综合PNT一定是以中国的北斗卫星导航系统的PNT为核心,这样的云PNT应该是北斗、GNSS、QPS、HINS,所以未来的综合PNT应该叫“BDS+”。

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