详解《美国国家定位导航授时（PNT）韧性提升研发计划》

定位、导航和授时（PNT）指的是确定位置、沿某一路径寻到新位置以及了解当前时间的能力，所有这些都以很高精度实现。全球定位系统（GPS）是全球第一个PNT服务提供者，全球导航卫星系统（GNSS）是全世界PNT服务的主要来源，但任何系统、网络或功能，只要能为上述一个及以上要素的计算或增强这些要素的计算提供参考，都被视为提供PNT服务。

在过去的几十年里，PNT的使用巨幅增长，成为支撑众多技术、系统和服务的无形支柱，包括那些用于关键基础设施功能的技术、系统和服务。然而，包括GPS信号干扰和欺骗在内的有意和无意干扰也在相应增长，使美国基础设施面临更高风险。GNSS的大规模中断和被操控可能造成连锁反应，破坏基础设施，影响众多人口，威胁经济活动和美国国家安全。

美国出台了各种立法和行政政策指令，旨在降低潜在的PNT服务中断风险。关于美国天基定位、导航和授时政策的《7号太空政策指令》确立了提高GPS性能和韧性的总体政策。2018年的《美国国防授权法案》和《美国国家授时韧性和安全法案》授权为部分韧性增强工作提供资金，例如开发和演示备份GPS能力。2020年2月发布的第13905号行政令“通过负责任地使用定位、导航和授时服务增强国家韧性”提出了一种综合方法，利用风险管理提高依赖PNT服务的关键基础设施的韧性。该行政令还要求制定一个国家计划，研发不依赖GNSS的其他韧性PNT服务并进行试点测试，该计划需要包括整合和使用多种PNT服务的方法。

美国空间办公室2008年发布的《美国国家PNT体系结构研究》描述了随着应用和用户的扩展，满足未来韧性PNT企业预期需求所需的能力。GPS已经并将继续是美国PNT服务的基础，提高GPS和其他PNT来源的韧性将最有效满足维护美国国家和经济安全的战略目标需求。

韧性PNT企业需求包括：使用多种多样的PNT来源和数据路径；选择可最大限度减少攻击机会和重叠攻击向量的架构，从而加强保护或防止单点故障；利用深度防御（多层保护、缓解和响应）以及将现代网络安全原则以及其他关键韧性提升能力集成到更大的PNT企业中。PNT企业的其他需求包括在物理或电子阻碍环境中交付和使用PNT能力、持续提供更高精度和更强保证的能力、发布降级或误导信息的通知的能力、在高高度和太空中提供PNT服务能力，以及适当开发建模和模拟能力，包括预测PNT服务在城市环境中如何受影响的能力。

GPS是提供全球PNT服务的主要系统，为提高GPS增强系统和其用户接收机的能力和韧性而开展的研发活动是实施该战略的重要组成部分。然而，美国国家PNT架构战略和行政令都指出单靠GPS无法满足所有用户需求，以及对PNT整体韧性的期望。必须开发或改进不依赖卫星导航（GNSS）的其他PNT服务和系统满足这些需求，这些服务和系统的漏洞和故障模式应与GNSS有所区分。该研发计划的目标是促进韧性PNT技术和服务的全新理念的发展。

PNT韧性提升研发计划支持增强PNT服务韧性的3个总体目标，包括增强GPS韧性和开发其他PNT能力与服务，并对这3个总体目标中需进一步研究的14个研发目标进行优先排序。

这份研发计划对每个目标都进行了描述，还提出了关于哪些部门和机构（标注在每部分目标描述结尾的中括号内）应考虑在特定领域支持这项研发的建议。各机构应通过定期预算编制和规划进程，在机构间持续讨论和协调的基础上，酌情确定这些研发目标领域的优先次序。各机构还应进一步与各个州、地方、部落和地区政府、外国政府和组织、学术界以及私营企业协调这些研发活动。这种协调应该提供额外的机会，利用资源和能力来提高PNT企业的韧性，并更好地确保国家和经济安全。

各机构应描述和模拟当前和未来的PNT系统和服务能力、性能特征、漏洞以及PNT用户未来预计需求。包括很多关键基础设施部门用户在内的许多PNT用户，可能没有充分认识到他们对PNT服务的依赖程度，也没有充分认识到服务中断对其业务造成潜在连锁影响的全部风险。确定有效韧性度量首先需要全面了解这些系统漏洞以及系统之间的相互联系和依赖。同样，开发新的或改进的PNT服务需要了解PNT应用不断变化的技术需求。本总体目标下提出了4个关键研发目标，有助于更好地了解PNT服务和系统的漏洞，以及PNT企业的能力和需求，还指出如何改进和使用建模和仿真工具以及测试能力，这些工具和能力可以为增强韧性技术和方法的发展提供信息。

1.1 描述PNT系统需求

各机构应描述PNT系统需求，以确保PNT服务在与该系统相关的各种运行条件下的性能、安全性和可靠性。不同的任务需求包括在城市峡谷、地下、太空、不同地理区域（全球和/或区域）、沿海地区从海洋到海岸以及电磁干扰条件下的行动。

各机构应定义这些任务要求，以帮助确定每个用例所需的其他PNT服务。各机构还应支持对不同业务的PNT性能需求进行研究，并在有/无GNSS的情况下提供其他PNT服务。【美国国土安全部、美国国家海洋和大气局、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

1.2 改进设备和服务评估所需的测试能力与测试协议

各机构应根据需要改进和扩大其测试设施和能力，以支持对用户设备和其他PNT技术的漏洞进行评估，从而能够验证包括韧性增强在内的各种新技术，并模拟实际用户环境和用例场景。这项研究应包括影响PNT服务有效性的人为因素。

各机构应支持制定必要的计划和协议，以确保PNT设备和服务的安全性、校准和鲁棒性。针对个人、商业和政府PNT用户和开发者的测试能力和协议的实施应根据应用的风险级别和设备的复杂程度采用不同的方法。

各机构应支持测试向量的开发和传播，以支持设备漏洞的自我评估。各机构应支持研发PNT测试技术，包括一系列运行条件和边缘案例。各机构应支持识别、监控和测试行业创新，以提高交通运输和其他关键部门的PNT数据完好性和可用性。【美国国家海洋和大气局、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

1.3 进行建模、仿真和测试以评估漏洞

各机构应支持增加研究，以开发模型、模拟和测试能力，确定PNT中断如何影响基本服务和应用，并制定策略来减轻消极后果。进一步研究的关键场景包括了解授时服务中断对电力、通信和金融部门的影响；干扰与欺骗干扰对海上导航的影响；以及GNSS中断对飞机系统、正向列车控制、联网/自主车辆和国家空域系统（NAS）基础设施的影响。在可行的情况下，计算分析结果应通过硬件测试进行验证。

各机构应关注进一步增强实时测试环境，并对关键基础设施和商业设备（包括固定和移动资产）进行漏洞测试，以发现易受自然和人为干扰以及操纵GPS和PNT增强信号的漏洞。

各机构应支持研发分析PNT设备和系统，以便在广泛采用之前评估漏洞和攻击媒介。最后，各机构应支持研发进行测试，以评估GNSS、GNSS增强系统和其他PNT服务的性能，从而确定误差来源（包括人为因素），并确定纠正这些误差的方法。【美国国土安全部、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

1.4 开发工具，根据功能要求确定合适的PNT服务源

各机构应支持研究开发工具，以评估PNT设备和服务在各种限制和运行条件下的独立性能和在集成系统中的性能。这些工具分析高级威胁，并评估PNT性能变化对任务有效性的影响。各机构应支持发展对GPS可用性和精度所受限制进行仿真的能力，以便能够评估广泛的候选PNT技术组合。这些工具还应模拟不同级别GPS可用性和完好性情景的影响，以帮助评估和找到可接受的更多PNT源组合，从而保证任务性能的持续性。【美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

各机构应通过开发具有更好性能指标（例如精度、可用性、连续性、覆盖范围和完好性）的PNT设备，在整个企业范围内改进和扩展PNT服务和能力，从而增强韧性并推动创新（例如尺寸、重量、功耗和成本）刺激应用发展。使用PNT信息的新应用，以及改进现有应用的期望，将对PNT服务提出更严格的技术要求。而PNT能力的提升将推动新应用开发和现有应用增强。开发周期中的这种推拉效应能够推动整个PNT企业的迭代和持续改进。增强校准和溯源技术并结合干扰探测与消减，可以保障PNT服务。以下5个韧性提升研发目标涵盖了概念、开发和运行阶段。

2.1 提高PNT服务保持能力

依赖PNT信息的系统如果有自己的内部PNT信号复制能力，例如时钟和惯性测量单元，就可以在一段时间内不需要外部的PNT服务独立运行，这种能力被称为“保持”。然而，系统保持能力会偏离真实测量值，包括位置和时间测量值，最终超出应用可接受的误差极限。根据具体的系统和应用，超出误差极限所需的时间可能从几秒到几个月不等。同时，误差累积的速率会因设备的物理环境而异。延长保持时间可以有效缓解PNT中断期间的问题，使系统架构减少对外部PNT源的依赖，从而减少用户设备的漏洞。

各机构应支持研究提高内部PNT资源的性能，同时降低其尺寸、重量、功耗和成本，以满足尽可能多的用户需求。短期内需要关注的具体技术包括加速度计、陀螺仪、重力场建模和时钟。从长远来看，量子传感可以带来突破。各机构应支持研究平均故障间隔时间更长的便携式光学点阵和芯片级原子钟，以及符合光学时钟性能的新时间和频率传送方法。

各机构应支持研发授时保持能力，包括增加稳定性的本地时钟网络、时钟与美国国家标准技术研究院（NIST）光学时钟基础设施间的直接链接，以及通过相对论时差确定高度。各机构还应通过开发垂直控制和重力场模型来延长惯性测量单元独立运行的时间，支持研究提高保持能力。【美国国家标准技术研究院、美国国家海洋和大气局、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

2.2 开发和改进外部其他PNT服务

各机构应支持研究开发和改进其他PNT源，这些PNT源可以作为下一代韧性PNT架构的一部分进行评估和部署。对其他PNT来源的研究应包括多种多样的特征，包括地区、区域和全球覆盖范围，以及对低地球轨道星座的考虑；地月空间覆盖范围和应用；相对和绝对PNT信息；故障模式；和电磁频谱波段。这些来源及其相应服务需要进行评估，以便适当应用于从深空探测到固定位置地面关键基础设施设备的各种用例。

各机构应该支持研发应对PNT新兴需求，其中一项是航天工业对在轨、地月空间PNT服务的需求正在增长，这方面的选择较少，因为大多数PNT服务都是面向地球。各机构应支持深空定位信号研究，包括与低频、远程信号相关的特定技术。各机构应支持研发合成孔径雷达（SAR）和干涉合成孔径雷达（InSAR），以监测基础设施位置并更新动态。各机构还应支持授时信号分发研究，包括但不限于通过光纤网络分发时间（光纤网络可以延伸到偏远地区并保证必要的时间精度），以及地面导航系统研究，包括伪卫星和分布式原子钟。

各机构应支持利用自然环境获取PNT信息的替代相对导航方法研究。其中包括但不限于视觉辅助和基于地形的地面导航、空中磁场和重力场测绘、海上海图绘制和水深测量以及空间X射线和光源。

除了开发和部署PNT系统，各机构还应支持研究如何利用现有信号来支持PNT韧性。如果PNT服务中断或被拒止，可利用机会信号（SOO）和其他现有信号（如WWVB）验证PNT信号或近似PNT信息。机会信号还可用于为相对授时应用分配频率，或通过共视法提供授时。各机构应支持研究如何在没有大规模基础设施投资的情况下利用调幅和调频无线电信号、广播电视和蜂窝基站信号等机会信号提升PNT的多样性。【美国国土安全部、美国国家标准技术研究院、美国国家海洋和大气局、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

2.3 建立校准和追溯技术

校准和可追溯性对于维持PNT系统的性能指标至关重要。各机构应支持开发和验证PNT服务校准方法和大地测量基础设施，为广泛终端用户建立追溯和质量系统。具体目标应包括GNSS卫星轨道建模和地面监测站网络，以建立信任控制作为校准手段，同时提供更好的可追溯性，以应对有意干扰、欺骗或其他无意干扰。

各机构应支持金融部门等行业内的校准方法和追溯能力研发，以确保与协调世界时（UTC）间的计量追溯性。各机构还应支持其他研究领域，例如开发GNSS信号和其增强部分的天线校准方法，以减少对对手实体的依赖，并更好地维持校准标准。【美国国家标准技术研究院、美国国家海洋和大气局、美国地质勘探局】

2.4 改进和扩展中断检测工具和缓解方法

干扰检测与缓解（IDM）能力对于韧性PNT架构至关重要。各机构应支持研发各种方法和工具，以帮助在系统级和终端用户PNT设备上进行干扰检测与缓解，包括相邻频带发射和带内干扰自动检测方法，以及PNT中断和干扰缓解方法。这包括能够检测信号功率异常和相关性（可以指示欺骗企图）的传感器，涵盖整个射频处理链上所有检测器的反欺骗工具包，以及其他各种干扰和欺骗检测和测量工具与技术。

各机构还应研发基于天线的PNT干扰缓解和检测方法，包括针对不同形状民用天线（包括用于嵌入式设备的贴片天线）的波束成形/调零技术。各机构应支持软件定义无线电（SDR）、传感器（包括定向天线）和高度自动化系统软件的研发和测试。各机构应支持开发多种方法减少干扰与欺骗识别报告过程中产生的延迟。各机构应支持进一步开发算法验证和整合能够执行干扰检测与缓解的多PNT源，从而发现影响精度的问题。各机构还应该支持仿真工具研发，以帮助开发下一代韧性PNT架构。

各机构应支持进一步研究创建干扰检测与缓解监控系统，该系统需要集成对关键基础设施中接收机信号的实时大规模监控，并将结果报告给中央数据处理系统，用于企业趋势分析和数据挖掘。这一系统将使各机构和行业之间加强合作，分析和分享趋势，制定及时的联合拦截对策，并酌情向公众提供通知，不断改进PNT技术，并确定应对严重中断的应急行动。

各机构应支持人工智能和机器学习研究，帮助识别PNT源（如连续运行参考站（CORS）网络）的不连续性和中断，这可以提醒分析师注意GPS干扰和其他自然因素导致的中断（如地震）。各机构应支持对授时源传感器融合的研究，以帮助检测突然偏移和细微漂移的被操纵信号和错误信号。【美国国土安全部、美国国家海洋和大气局、美国交通部、美国航天局】

2.5 新PNT服务原型开发和演示

机构应支持针对其他PNT服务（如本章3.2中讨论的那些）部署验证开展研发、试点测试和演示活动。各机构还应支持其他PNT服务的试点测试项目，这些服务可能会提高城市峡谷中的定位精度，例如基于车联万物（V2X）技术的位置校正系统。【美国国土安全部、美国国家标准技术研究院、美国交通部、美国宇航局】

各机构应该通过原型系统开发和演示来集成和部署韧性PNT架构。PNT韧性不仅来自于改进和扩展PNT服务、异常检测能力和保持技术，同样重要的是如何将这些功能和组件集成到用户设备中。设计和架构原则应用于绝对参考系中给定应用的PNT解决方案，适当情况下应用于相对参考系（导航或授时）。通过制定和使用标准与最佳实践，PNT企业韧性将进一步提升。开发标准和其他指南，向设计者和制造商传播有用的信息，并促进PNT方法、架构和接口的统一性和通用性，也扩展了韧性PNT的可用性和应用。这一总体目标下列出了5个研发目标。

3.1 确定安全集成多个PNT服务源的概念和技术

标准滤波算法可以集成多个PNT信号源。然而，各机构应该支持额外的研究来开发安全、有效且完整地进行这种集成的技术。各机构应支持研发下一代韧性PNT接收机，这种接收机采用模块化架构，具备通过标准通用接口将多个PNT源（内部和外部）整合在一起的即插即用能力，这些接口不仅将PNT数据传递给系统，还将视情况将每个来源的质量度量传递给系统。这些质量指标有助于为系统的韧性PNT融合算法提供信息，但同时也应该考虑到度量本身可能是错误的或被欺骗的。

为了利用多源PNT数据，各机构应该支持研发韧性融合算法，该算法可以利用每个来源的各种质量度量，推断随着时间的推移这些信号的不同信任度和完好性，并产生可靠性高出单一PNT信号的混合来源解决方案。绝对或几何参考系是用于确定该参照系中物体的位置、速度和轨迹的一组坐标；而相对参考系内不同参考系相对于彼此移动。相对参考系可以补充几何参考系提高PNT韧性，各机构应支持更多研究，以实现潜在的韧性效益。此外，各机构应支持研究应用之间和/或多个应用之间的相对授时。

各机构应支持研究分析来自不同PNT源的信号完好性，以识别异常信号，并隔离损坏信号，使其不会破坏其他接收机功能。各机构还应支持研究确定应整合哪些PNT信号源组合来提供PNT解决方案，并了解哪些条件会导致用户切换到不同组合。

此外，随着PNT系统开始纳入更多PNT源，重要的是要认识到每个额外的PNT来源都会来带来新的潜在风险。为防止引入新漏洞，各机构应支持研究PNT系统多源集成以及相关缓解措施设计。

最后，各机构应支持研究认证算法和接收机设计、原型开发、测试和验证，并根据这些工作结果更新PNT系统标准。【美国国土安全部、美国国家标准技术研究院、美国交通部、美国宇航局】

3.2 通用硬件平台

下一代PNT系统将包含更多PNT信号源，各机构应支持将多种PNT信号源集成到通用硬件平台上的研究，以降低用户设备的尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）。否则，每种PNT源配备单独的硬件和天线可能会成为用户系统采用不同PNT源的障碍。各机构应该支持研究软件定义无线电，作为实现这一目标的可能途径。各机构应支持研发可集成波束形成/调零天线的架构设计，以增强抗干扰和反欺骗能力。通用硬件平台容易受到共模故障的影响，各机构应该支持研发用户设备标准，确保这些标准包括对硬件多样性的适当要求。【美国国土安全部、美国交通部、美国宇航局】

3.3 开发韧性PNT系统架构

PNT能力的不断扩展，包括新的PNT服务、更好的中断检测工具和改进的保持设备等，对提高PNT韧性非常重要。各机构应支持研发下一代PNT用户设备，以及如何集成这些组件，并设计具有韧性和鲁棒性的系统架构。各机构应支持研究如何有效地重新设计接收机系统架构，减少对外部来源的依赖，并提高在PNT源出现问题和中断的情况下继续安全运行的能力。这种方法还应该纳入美国国土安全部发布的《韧性PNT一致性框架》文件下的的网络安全和韧性原则。

这一框架和其他标准应提升自动化系统特别是自动化运输的安全性。各机构应支持开发整合和协调网络空间能力的工具和技术，以确保PNT信息的完好性。各机构应支持额外的研究，评估定期更新至世界协调时的区域时钟联合授时网络的可行性，并开发符合光学时钟性能的新时间和频率传送方法。【美国国土安全部、美国国家标准技术研究院、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

3.4 研究将内部运行系统作为PNT服务主要来源

严格控制外部对系统的访问来限制攻击和干扰机会，可以提高系统韧性。限制访问的一种方法是利用内部资源作为主要的PNT解决方案。外部访问被完全阻止，直到系统需要验证其PNT数据，并通过参考外部PNT源校正可能发生的漂移，该过程随机间隔进行。各机构应支持研究探索哪些应用以及在什么样的保持阈值下有益于系统和系统之系统。各机构应支持对监测除GNSS以外的用于定位/导航的其他PNT信号的系统研究。各机构应支持演示测试和原型系统的开发，以验证方法的有效性。【美国国土安全部、美国国家标准技术研究院、美国国家海洋和大气局、美国交通部、美国航天局】

3.5 制定网络安全标准、最佳实践和其他指南

除了硬件和软件开发之外，各机构还应支持提升对PNT要素韧性和脆弱性的了解，从而为行业和PNT用户制定和发布更好的网络与物理安全标准、最佳实践和其他指南。各机构应将本研发计划下其它目标研究成果也纳入本项工作。各机构应支持研发、测试和验证新的更多PNT服务，以符合新的和现有的网络安全标准。为了实现持续和韧性PNT服务，各机构还应与负责频谱治理和监管政策的联邦利益相关机构保持联系，并就当前国家频谱治理和监管政策如何影响PNT运行进行交流。各机构应支持开发一致性框架，用于定义在这些治理架构下具有更高韧性的PNT设备。

各机构应支持编制最佳实践文档，整理软件、硬件以及其他PNT源的使用情况。各机构应通过与学术界和工业界的伙伴关系，支持制定和采用网络安全原则。各机构应支持为包括贸易/技术学校在内的所有相关群体，制定和颁布培训目标和标准。各机构应支持制定用户设备指导文件和GPS接口控制文件，规定何时、如何以及使用何种服务进行PNT数据同步。各机构还应支持制定包括卫星增强系统（SBAS）航空接收机认证算法在内的其他标准，这些标准可作为更全面使用信号和数据认证协议的样板。

各机构应确保测试和验证平台的可用性，以确保符合网络安全标准和最佳实践，并支持频谱系统认证和获得联邦许可。这些研究工作可在美国国家标准技术研究院PNT规范的指导下进行，并纳入现有网络安全标准和最佳实践的更新工作中，如美国国家标准技术研究院网络安全框架，该框架通过与行业、学术界和政府的合作开发和采用。【美国国土安全部、美国国家标准技术研究院、美国地质勘探局、美国交通部、美国航天局】

这份报告还强调整个美国政府都需要参与实施这项国家PNT韧性提升研发计划。

许多机构通过积极的研发计划参与维持和提高美国的PNT能力。通过几十年的研究努力，一些机构已经发展了巨大的知识库和广泛的技术能力。在一个合作框架内利用政府各部门的这些资源可以提高研发活动的效率，并有助于避免不必要的重复。美国国家天基PNT执行委员会将参与机构间协调流程，与政府各部门合作，帮助避免重复先前与GPS相关的韧性研究。

联邦政府以外的组织也需要提高关键基础设施抵御PNT服务中断的能力。美国州、地方、部落和地区政府对某些类型的基础设施拥有直接控制权，它们关注保护位于其管辖范围内的基础设施的运营能力。此外，大多数美国基础设施由私营企业实体拥有或运营，许多额外的PNT资源已作为商业资产开发和部署。

私营企业与政府的协作有利于提高韧性，这种合作应该包括共享适当的测试数据，以了解PNT威胁以及如何减轻这些威胁，还包括组织行业日，举办竞赛，以及促进接口开发的数据交换。各机构应支持和利用合作研发协议（CRADA）和其他技术转让机制，与产业界结成伙伴关系。

最后，许多外国政府和组织也关注于提高他们本国基础设施的PNT韧性。与这些实体协作不仅提高世界各地基础设施的韧性，也提供了额外的国际合作渠道，并帮助美国的国家安全行动扩大研发范围，以更快的速度扩大PNT韧性知识库。各机构应与这些组织合作，并利用外部能力和资源增强PNT企业。

实施美国国家PNT韧性提升研发计划将协调一致、经济高效地提高整个PNT企业的韧性和效率。联邦机构应继续评估其不断变化的PNT需求和研发需求。该计划将至少每四年审查一次，并根据需要进行更新，通过定期评估反映重大变化。未来更新将继续促进新的研发活动与机构职责保持一致，并确定共同感兴趣的领域，促进合作且避免重复工作，争取最大收益。另外，与联邦政府之外的实体协作将为有效利用资源提供更多机会，增强国家韧性，确保国家和经济安全。