2023年5月26日，由中國科學(xué)院和國家自然科學(xué)基金委員會聯(lián)合部署、學(xué)科領(lǐng)域知名院士專家共同研究編撰的《中國定位、導(dǎo)航與定時2035發(fā)展戰(zhàn)略》正式發(fā)布，該報告是“十四五”國家重大出版工程“中國學(xué)科及前沿領(lǐng)域2035發(fā)展戰(zhàn)略叢書”的分冊之一，為中國定位、導(dǎo)航與定時的未來發(fā)展指明了方向。報告中提到的PNT學(xué)科發(fā)展規(guī)律與特點(diǎn)、PNT技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，值得我們特別關(guān)注。

? ? ? ? 定位、導(dǎo)航與定時（positioning, navigation and timing，PNT）是關(guān)系國家安全和維持社會各行各業(yè)有序運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)，是推動國家信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防現(xiàn)代化的重要驅(qū)動力。2018 年，中國科學(xué)院與國家自然科學(xué)基金委員會聯(lián)合設(shè)立了“定位、導(dǎo)航和授時發(fā)展戰(zhàn)略研究（2021—2035）”項(xiàng)目。2018?—?2021 年，項(xiàng)目組通過召開專家咨詢會、開展調(diào)研和學(xué)術(shù)交流等方式，完成了“定位、導(dǎo)航和授時發(fā)展戰(zhàn)略研究（2021—2035）”學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究報告的編寫。2021?—?2022 年，項(xiàng)目組對我國“十三五”期間“導(dǎo)航時頻新技術(shù)”研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，總結(jié)了PNT 技術(shù)的發(fā)展歷程與發(fā)展規(guī)律，提出了2021?—?2035 年我國PNT 學(xué)科及技術(shù)發(fā)展方向。2022 年 3 月，研究報告通過了中國科學(xué)院地學(xué)部第十七屆常委會第5 次會議審定以及國家自然科學(xué)基金委員會的結(jié)題審核，交科學(xué)出版社出版。

? ? ? ?本書從定位、導(dǎo)航技術(shù)和時間頻率技術(shù)兩個方面，總結(jié)了PNT 技術(shù)的科學(xué)意義、戰(zhàn)略價值與技術(shù)發(fā)展歷程；根據(jù)物理原理，分類梳理了目前主要應(yīng)用的PNT 技術(shù)，并對各種PNT 技術(shù)的原理、特點(diǎn)及涉及的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題進(jìn)行了分析和梳理；結(jié)合PNT 學(xué)科及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，繪制了國家PNT 體系架構(gòu)，對未來特別是“十四五” 時期我國PNT 體系發(fā)展方向、技術(shù)路線進(jìn)行了深入的研究，并提出相關(guān)政策建議。

本書的部分內(nèi)容已為國家綜合PNT 體系建設(shè)論證提供了理論支撐；部分研究成果和建議被科學(xué)技術(shù)部“地球觀測與導(dǎo)航”重點(diǎn)專項(xiàng)管理辦公室采納，為重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目“國家PNT 體系彈性化架構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)示范驗(yàn)證”提供支持；部分成果為國防領(lǐng)域微型PNT 終端研制提供了支撐。

PNT 學(xué)科發(fā)展規(guī)律與特點(diǎn)

? ? ? ?伴隨理論學(xué)科的發(fā)展，人類對時空概念的認(rèn)識也在發(fā)生變化。時間和空間兩個概念隸屬于物理學(xué)范疇，在物理學(xué)發(fā)展的不同階段呈現(xiàn)出不同的關(guān)系。在伽利略和牛頓構(gòu)建的物理學(xué)框架下，空間和時間是相互獨(dú)立的；愛因斯坦創(chuàng)立的相對論更新了牛頓力學(xué)時空觀， 時間、空間成為相互依存的物理量。在無線電測量技術(shù)出現(xiàn)后，度量空間關(guān)系的距離測量轉(zhuǎn)化為精密時間測量，時間、空間之間的關(guān)系變得更加緊密。

? ? ? ? PNT 領(lǐng)域呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的趨勢。早期的PNT 技術(shù)大多涉及單一學(xué)科。在時間測量技術(shù)方面，觀星測日定時屬于大地天文學(xué)，電子時間測量屬于電磁學(xué)，原子鐘技術(shù)涉及量子力學(xué)等。在空間測量技術(shù)方面，傳統(tǒng)空間測量技術(shù)主要包括距離、弧度等幾何測量學(xué)內(nèi)容，以及光學(xué)天文測量、激光測月和測衛(wèi)等大地天文學(xué)內(nèi)容；重磁匹配導(dǎo)航涉及地磁測量、重力測量等物理大地測量學(xué)內(nèi)容；慣性導(dǎo)航涉及力學(xué)和控制學(xué)內(nèi)容。隨著時空測量手段復(fù)雜度的提升， PNT 技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出多學(xué)科融合的趨勢，尤其是衛(wèi)星導(dǎo)航這一巨型復(fù)雜系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得PNT 領(lǐng)域?qū)W科交叉的特色更為顯著。

? ? ? ?衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)科是幾何學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)、大地測量學(xué)等交叉形成的學(xué)科。導(dǎo)航學(xué)科本來屬于空間大地測量學(xué)科范疇，但是衛(wèi)星軌道測定與預(yù)報屬于天體力學(xué)，導(dǎo)航信號涉及麥克斯韋電磁學(xué)，定位系統(tǒng)誤差又涉及愛因斯坦相對論等。此外，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的推廣和重要性的提升，衛(wèi)星導(dǎo)航已逐漸成長為一門獨(dú)立的學(xué)科。未來，基于新物理原理的感知手段的出現(xiàn)，將催生出新的學(xué)科。

PNT 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

? ? ? ? 所有導(dǎo)航定位系統(tǒng)都有其自身的脆弱性。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法覆蓋深空、深海、室內(nèi)、地下，并且信號本身存在落地信號弱、易被干擾和欺騙的弱點(diǎn)；慣性導(dǎo)航存在誤差累積，無法滿足長航時導(dǎo)航定位需求；地基無線電導(dǎo)航僅能覆蓋部分區(qū)域，同樣存在易被干擾和遮蔽的問題；重磁匹配導(dǎo)航精度有限，分辨率較低，技術(shù)尚不成熟。于是，依靠任意一種PNT 技術(shù)都不能滿足任意場景下任意用戶的PNT 需求，必須建設(shè)全域覆蓋、多物理原理信息源的PNT 基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，形成多源數(shù)據(jù)融合、多技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)的PNT 應(yīng)用和服務(wù)體系，這不僅是國際PNT 體系發(fā)展的必然趨勢，也是推廣PNT 應(yīng)用、提升PNT 服務(wù)性能的必由之路。

? ? ? ? 從國際PNT 體系發(fā)展現(xiàn)狀來看，美國是PNT 基礎(chǔ)設(shè)施最完善、技術(shù)最先進(jìn)的國家，對新原理感知手段的探索也常常處于領(lǐng)先地位， 但缺乏對PNT 體系的整體統(tǒng)籌規(guī)劃。隨著GPS 脆弱性問題的暴露， 美國總統(tǒng)先后簽發(fā)了《美國國家天基定位、導(dǎo)航與定時政策》（2004）、《2018 年國家定時安全與彈性法案》（2018）、《通過負(fù)責(zé)任地使用定位、導(dǎo)航與定時服務(wù)來增強(qiáng)國家彈性》（2020）、《7 號太空政策指令（SPD-7）》（2021）等政策指令，在繼續(xù)依靠GPS 的同時，通過建設(shè)GPS 備份系統(tǒng)來增強(qiáng)PNT 系統(tǒng)彈性，確保GPS 服務(wù)異常時軍民用戶仍可獲得安全可靠的、抗干擾能力強(qiáng)的PNT 服務(wù)。此外，美國國防部、運(yùn)輸部、國土安全部等也多次出臺相關(guān)的指令、政策、規(guī)劃等， 梳理出特定領(lǐng)域的PNT 能力建設(shè)和應(yīng)用發(fā)展需求，并提供有針對性的指導(dǎo)和建議。

? ? ? ?與美國類似，俄羅斯、歐盟的PNT 體系也以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，并分別將地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)恰卡（Chayka）和羅蘭C 作為GLONASS 和Galileo 系統(tǒng)的備份與補(bǔ)充，以構(gòu)建多手段融合的PNT 服務(wù)體系。

? ? ? ?我國在PNT 技術(shù)方面的進(jìn)步令人矚目，但仍存在PNT 體系發(fā)展不均衡的問題。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)取得了重大突破，服務(wù)性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，但慣性導(dǎo)航研究和應(yīng)用存在很大差距，重力導(dǎo)航、磁力導(dǎo)航等地球物理場匹配導(dǎo)航技術(shù)離工程化、實(shí)用化還有一定差距，深空PNT 技術(shù)和水下PNT 技術(shù)亟待突破。此外，部分PNT 核心傳感器制造技術(shù)尚未突破，高端重、磁、震、聲等裝備大多依賴進(jìn)口，存在“卡脖子”風(fēng)險。國產(chǎn)PNT 裝備多屬于中低端產(chǎn)品，與國際先進(jìn)水平的差距是5～10 年。

? ? ? ? 目前，我國已開展PNT 體系論證工作，旨在建強(qiáng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的同時，依托地基無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航和匹配導(dǎo)航等多種技術(shù)手段形成對北斗的冗余備份，同時開展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)和水下導(dǎo)航技術(shù)的探索研究，填補(bǔ)深空、深海PNT 服務(wù)空白。我國2021～2035 年P(guān)NT 體系規(guī)劃應(yīng)當(dāng)從PNT 信息源、PNT 終端、PNT 信息融合理論和PNT 應(yīng)用服務(wù)等方面做好頂層設(shè)計，構(gòu)建以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的國家綜合PNT 體系基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)以微PNT 終端和彈性PNT 應(yīng)用為基本架構(gòu)的PNT 應(yīng)用終端型譜，推進(jìn)以智能PNT 服務(wù)為目標(biāo)的國家PNT 體系架構(gòu)。

? ? ? ?國家綜合PNT 體系是指，基于多物理原理構(gòu)建的從深空到深海、全域無縫覆蓋的PNT 信息源基礎(chǔ)設(shè)施。在深空，可依托脈沖星構(gòu)建深空基準(zhǔn)，為深空航天器提供自主PNT 服務(wù)；在地月系拉格朗日點(diǎn)上可構(gòu)建導(dǎo)航星座，既可接收脈沖星信號，又可播發(fā)與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）同頻的信號，形成深空導(dǎo)航與近地導(dǎo)航的中轉(zhuǎn)；在近地空間以GNSS 為主，依托低軌通信、遙感星座，形成對中高軌北斗導(dǎo)航星座的增強(qiáng)；在城市和室內(nèi)等應(yīng)用場景，地基無線電、5G、Wi-Fi 和各類匹配導(dǎo)航技術(shù)可輔助衛(wèi)星導(dǎo)航；水下可以布設(shè)類似于GNSS 的聲吶信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水下潛器的安全導(dǎo)航。此外，基于量子測距、量子感知等新物理原理的導(dǎo)航技術(shù)手段也應(yīng)同步開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建從深空到深海、從室外到室內(nèi)、從暴露空間到非暴露空間的泛在PNT 信息源基礎(chǔ)設(shè)施。

? ? ? ? 綜合PNT 解決的是PNT 信息源問題，彈性PNT 解決的是PNT 信息源最優(yōu)組合問題，微PNT 解決的是PNT 終端微型化和低功耗問題。但是對于廣大的PNT 用戶，尤其是非PNT 專業(yè)用戶，有了PNT 基礎(chǔ)設(shè)施和彈性融合準(zhǔn)則還不夠，還必須解決智能化應(yīng)用問題。未來PNT 服務(wù)應(yīng)該是智能化的，即提取大多數(shù)PNT 專家的思想，形成共性化知識，再將該知識邏輯化、模型化形成專家系統(tǒng)， 通過計算機(jī)分析、挖掘知識間的規(guī)律和聯(lián)系，進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器可識別的知識圖譜，最后針對特定用戶、特定場景和特定需求實(shí)現(xiàn)PNT 智能保障和智能服務(wù)。

? ? ? ? ? 本文摘編自《中國定位、導(dǎo)航與定時2035發(fā)展戰(zhàn)略》，項(xiàng)目組組長為中國科學(xué)院院士楊元喜，標(biāo)題和內(nèi)容有調(diào)整。

內(nèi)容簡介

2020 年，我國建設(shè)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，標(biāo)志著我國擁有了服務(wù)全球的空間定位、導(dǎo)航與定時基礎(chǔ)設(shè)施，整體技術(shù)實(shí)力得到有力提升?！吨袊ㄎ?、導(dǎo)航與定時2035 發(fā)展戰(zhàn)略》在分析定位、導(dǎo)航與定時發(fā)展重大需求的基礎(chǔ)上，回顧其技術(shù)發(fā)展歷程，總結(jié)學(xué)科發(fā)展規(guī)律和特點(diǎn)，結(jié)合國際定位、導(dǎo)航與定時科學(xué)發(fā)展的整體趨勢，闡述學(xué)科的科學(xué)意義與戰(zhàn)略價值、技術(shù)體系形成、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展規(guī)律與啟示、關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題與發(fā)展方向，重點(diǎn)對不同導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行深入分析， 提出我國定位、導(dǎo)航與定時學(xué)科技術(shù)展望及相應(yīng)的政策建議。

本書為相關(guān)領(lǐng)域戰(zhàn)略與管理專家、科技工作者、企業(yè)研發(fā)人員及高校師生提供了研究指引，為科研管理部門提供了決策參考，也是社會公眾了解定位、導(dǎo)航與定時發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢的重要讀本。

項(xiàng)目組組長簡介

楊元喜，中國科學(xué)院院士，大地測量與衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域資深專家，IAG Fellow、ION Fellow，全球前2%高影響力學(xué)者，現(xiàn)任我國北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)副總設(shè)計師，測繪衛(wèi)星工程總師。2項(xiàng)成果獲國家科技進(jìn)步二等獎，8項(xiàng)成果獲省部級科技進(jìn)步一等獎以上獎勵；先后獲“求是”杰出青年實(shí)用工程獎，何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎，中國航天基金會“錢學(xué)森杰出貢獻(xiàn)獎”；共發(fā)表論文400余篇，其中SCI論文80余篇，被引超過15000次。