中国定位、导航与定时2035发展战略
  2020 年,我国建设了具有自主知识产权的北斗全球卫星导航系统,标志着我国拥有了服务全球的空间定位、导航与定时基础设施,整体技术实力得到有力提升。《中国定位、导航与定时 2035 发展战略》在分析定位、导航与定时发展重大需求的基础上,回顾其技术发展历程,总结学科发展规律和特点,结合国际定位、导航与定时科学发展的整体趋势,阐述学科的科学意义与战略价值、技术体系形成、国内外发展现状、发展规律与启示、关键科学技术问题与发展方向,重点对不同导航技术进行深入分析,提出我国定位、导航与定时学科技术展望及相应的政策建议。
  本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引,为科研管理部门提供了决策参考,也是社会公众了解定位、导航与定时发展现状及趋势的重要读本。
项目组

总序

  党的二十大胜利召开,吹响了以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的前进号角。习近平总书记强调“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”,明确要求到 2035 年要建成教育强国、科技强国、人才强国。新时代新征程对科技界提出了更高的要求。当前,世界科学技术发展日新月异,不断开辟新的认知疆域,并成为带动经济社会发展的核心变量,新一轮科技革命和产业变革正处于蓄势跃迁、快速迭代的关键阶段。开展面向 2035 年的中国学科及前沿领域发展战略研究,紧扣国家战略需求,研判科技发展大势,擘画战略、锚定方向,找准学科发展路径与方向,找准科技创新的主攻方向和突破口,对于实现全面建成社会主义现代化“两步走”战略目标具有重要意义。

  当前,应对全球性重大挑战和转变科学研究范式是当代科学的时代特征之一。为此,各国政府不断调整和完善科技创新战略与政策,强化战略科技力量部署,支持科技前沿态势研判,加强重点领域研发投入,并积极培育战略新兴产业,从而保证国际竞争实力。

  擘画战略、锚定方向是抢抓科技革命先机的必然之策。当前,新一轮科技革命蓬勃兴起,科学发展呈现相互渗透和重新会聚的趋势,在科学逐渐分化与系统持续整合的反复过程中,新的学科增长点不断产生,并且衍生出一系列新兴交叉学科和前沿领域。随着知识生产的不断积累和新兴交叉学科的相继涌现,学科体系和布局也在动态调整,构建符合知识体系逻辑结构并促进知识与应用融通的协调可持续发展的学科体系尤为重要。

  擘画战略、锚定方向是我国科技事业不断取得历史性成就的成功经验。科技创新一直是党和国家治国理政的核心内容。特别是党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央明确了我国建成世界科技强国的“三步走”路线图,实施了《国家创新驱动发展战略纲要》,持续加强原始创新,并将着力点放在解决关键核心技术背后的科学问题上。习近平总书记深刻指出:“基础研究是整个科学体系的源头。要瞄准世界科技前沿,抓住大趋势,下好‘先手棋’,打好基础、储备长远,甘于坐冷板凳,勇于做栽树人、挖井人,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破,夯实世界科技强国建设的根基。”

  作为国家在科学技术方面最高咨询机构的中国科学院和国家支持基础研究主渠道的国家自然科学基金委员会(简称自然科学基金委),在夯实学科基础、加强学科建设、引领科学研究发展方面担负着重要的责任。早在新中国成立初期,中国科学院学部即组织全国有关专家研究编制了《1956—1967 年科学技术发展远景规划》。该规划的实施,实现了“两弹一星”研制等一系列重大突破,为新中国逐步形成科学技术研究体系奠定了基础。自然科学基金委自成立以来,通过学科发展战略研究,服务于科学基金的资助与管理,不断夯实国家知识基础,增进基础研究面向国家需求的能力。2009 年,自然科学基金委和中国科学院联合启动了“2011—2020 年中国学科发展战略研究”。2012 年,双方形成联合开展学科发展战略研究的常态化机制,持续研判科技发展态势,为我国科技创新领域的方向选择提供科学思想、路径选择和跨越的蓝图。

  联合开展“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”,是中国科学院和自然科学基金委落实新时代“两步走”战略的具体实践。我们面向 2035 年国家发展目标,结合科技发展新特征,进行了系统设计,从三个方面组织研究工作:一是总论研究,对面向2035 年的中国学科及前沿领域发展进行了概括和论述,内容包括学科的历史演进及其发展的驱动力、前沿领域的发展特征及其与社会的关联、学科与前沿领域的区别和联系、世界科学发展的整体态势,并汇总了各个学科及前沿领域的发展趋势、关键科学问题和重点方向;二是自然科学基础学科研究,主要针对科学基金资助体系中的重点学科开展战略研究,内容包括学科的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点、发展现状与发展态势、发展思路与发展方向、资助机制与政策建议等;三是前沿领域研究,针对尚未形成学科规模、不具备明确学科属性的前沿交叉、新兴和关键核心技术领域开展战略研究,内容包括相关领域的战略价值、关键科学问题与核心技术问题、我国在相关领域的研究基础与条件、我国在相关领域的发展思路与政策建议等。

  三年多来,400 多位院士、3000 多位专家,围绕总论、数学等18 个学科和量子物质与应用等 19 个前沿领域问题,坚持突出前瞻布局、补齐发展短板、坚定创新自信、统筹分工协作的原则,开展了深入全面的战略研究工作,取得了一批重要成果,也形成了共识性结论。一是国家战略需求和技术要素成为当前学科及前沿领域发展的主要驱动力之一。有组织的科学研究及源于技术的广泛带动效应,实质化地推动了学科前沿的演进,夯实了科技发展的基础,促进了人才的培养,并衍生出更多新的学科生长点。二是学科及前沿领域的发展促进深层次交叉融通。学科及前沿领域的发展越来越呈现出多学科相互渗透的发展态势。某一类学科领域采用的研究策略和技术体系所产生的基础理论与方法论成果,可以作为共同的知识基础适用于不同学科领域的多个研究方向。三是科研范式正在经历深刻变革。解决系统性复杂问题成为当前科学发展的主要目标,导致相应的研究内容、方法和范畴等的改变,形成科学研究的多层次、多尺度、动态化的基本特征。数据驱动的科研模式有力地推动了新时代科研范式的变革。四是科学与社会的互动更加密切。发展学科及前沿领域愈加重要,与此同时,“互联网 +”正在改变科学交流生态,并且重塑了科学的边界,开放获取、开放科学、公众科学等都使得越来越多的非专业人士有机会参与到科学活动中来。

  “中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”系列成果以“中国学科及前沿领域 2035 发展战略丛书”的形式出版,纳入“国家科学思想库 - 学术引领系列”陆续出版。希望本丛书的出版,能够为科技界、产业界的专家学者和技术人员提供研究指引,为科研管理部门提供决策参考,为科学基金深化改革、“十四五”发展规划实施、国家科学政策制定提供有力支撑。

  在本丛书即将付梓之际,我们衷心感谢为学科及前沿领域发展战略研究付出心血的院士专家,感谢在咨询、审读和管理支撑服务方面付出辛劳的同志,感谢参与项目组织和管理工作的中国科学院学部的丁仲礼、秦大河、王恩哥、朱道本、陈宜瑜、傅伯杰、李树深、李婷、苏荣辉、石兵、李鹏飞、钱莹洁、薛淮、冯霞,自然科学基金委的王长锐、韩智勇、邹立尧、冯雪莲、黎明、张兆田、杨列勋、高阵雨。学科及前沿领域发展战略研究是一项长期、系统的工作,对学科及前沿领域发展趋势的研判,对关键科学问题的凝练,对发展思路及方向的把握,对战略布局的谋划等,都需要一个不断深化、积累、完善的过程。我们由衷地希望更多院士专家参与到未来的学科及前沿领域发展战略研究中来,汇聚专家智慧,不断提升凝练科学问题的能力,为推动科研范式变革,促进基础研究高质量发展,把科技的命脉牢牢掌握在自己手中,服务支撑我国高水平科技自立自强和建设世界科技强国夯实根基做出更大贡献。

“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”

联合领导小组            

2023 年 3 月            

前言
  定位、导航与定时(positioning, navigation and timing,PNT)是关系国家安全和维持社会各行各业有序运转的重要基础,是推动国家信息产业发展、国民经济建设、国防现代化的重要驱动力。2018 年,中国科学院与国家自然科学基金委员会联合设立了“定位、导航和授时发展战略研究(2021—2035)”项目。2018~2021年,项目组通过召开专家咨询会、开展调研和学术交流等方式,完成了“定位、导航和授时发展战略研究(2021—2035)”学科发展战略研究报告的编写。2021~2022年,项目组对我国“十三五”期间“导航时频新技术”研究成果进行了系统梳理,总结了PNT技术的发展历程与发展规律,提出了2021~2035年我国PNT学科及技术发展方向。2022年 3 月,研究报告通过了中国科学院地学部第十七届常委会第5次会议审定以及国家自然科学基金委员会的结题审核,交科学出版社出版。
  本书从定位、导航技术和时间频率技术两个方面,总结了PNT 技术的科学意义、战略价值与技术发展历程;根据物理原理,分类梳理了目前主要应用的PNT技术,并对各种PNT技术的原理、特点及涉及的关键科学技术问题进行了分析和梳理;结合PNT学科及技术发展现状,绘制了国家PNT体系架构,对未来特别是“十四五”时期我国PNT体系发展方向、技术路线进行了深入的研究,并提出相关政策建议。
  本书的部分内容已为国家综合PNT体系建设论证提供了理论支撑;部分研究成果和建议被科学技术部“地球观测与导航”重点专项管理办公室采纳,为重点研发计划项目“国家PNT体系弹性化架构设计与关键技术示范验证”提供支持;部分成果为国防领域微型PNT终端研制提供了支撑。
  感谢中国科学院学部学科发展战略研究项目(编号:XK2019DXC004)以及国家自然科学基金专项项目(编号:L1924033)的支持。在本书的撰写过程中,贾小林作为主笔撰写了国家综合PNT体系设计相关内容和卫星导航相关章节;毛悦、宋小勇、秦显平、冯来平、任红飞参与撰写了天文导航、无线电导航和其他导航技术相关章节;蒋庆仙参与撰写了惯性导航技术相关章节;乌萌、杨秀策、宗文鹏、马越原、欧阳明达参与撰写了匹配导航技术相关章节;蔺玉亭、张慧君参与撰写了时间频率技术章节;孙碧娇、徐天河、卢晓春参与了国内外PNT相关政策的技术素材准备,任夏、赵润、邹德才对本书文稿进行了校对。
  感谢所有为本书编制付出智慧及劳动的同事和朋友。
  杨元喜
  《中国定位、导航与定时2035发展战略》项目组组长
  2022年11月
摘要
  1. 定位、导航与定时重大需求
  PNT信息是人类活动的基础支撑信息之一。从早期依靠测日观星的经验定时定位,到借助钟摆、经纬仪等机械仪器定时定位,到使用石英钟、全站仪等电子仪器定时定位,到如今依靠卫星系统定时定位,PNT信息早已渗透科技、经济、民生、国防的各个方面,是国家建设、大众生活以及社会进步不可或缺的基础信息。
  PNT信息是国防安全的信息基石。武器精确打击、联合作战指挥、部队机动部署都离不开PNT信息的支持;高速武器、无人平台的运行控制都必须基于高精度、统一的时间和位置信息。
  PNT信息是国家“新基建”的重要基础。电力安全、并网发电需要高精度时间同步;高速公路建设、高速铁路建设与道路检测等需要高精度且基准统一的位置、导航和时间信息支持;通信、互联网等需要时间与位置信息;金融需要高精度的时间信息;“一带一路”建设中无论是实体航路建设还是网络空间的信息高速公路建设都需要精确的位置和时间基准。
  PNT信息是社会稳定运行的重要支撑。城市管理、河道管理、交通管理、安全出行、安全管控、抢险救灾等所有与人们生活密切相关的社会活动都需要时间和位置信息;环境监测、灾害监测与预警等都需要高精度和高分辨率的位置变化信息和时间信息的支持。
  PNT信息是产业及经济模式创新的重要支撑。PNT信息和技术融入农业,可以促进精密农业甚至智慧农业的发展;PNT信息和技术融入渔业,可以支撑数字渔业的发展;PNT信息和技术与物联网和大数据等技术结合,可以促进数字经济的发展。
  PNT信息是社会智能化的基础。智慧城市、智慧海洋、智能驾驶、智能终端等的安全稳定运行无一不需要PNT信息的支持;所有无人操控的平台或动态载体的安全运行都需要PNT信息的支持。同时PNT信息还是深空、深地、深海和地球系统—“三深一系统”科学研究的重要支撑。
  可以说,PNT基础设施是国家其他重要基础设施的基础,为国家经济建设、国防建设、大众生活和科学研究提供了基础服务信息。
  2. PNT技术发展历程
  完整的PNT信息包括时间信息和空间信息两部分,其理论与技术经历了朴素的时空观到现代时空观的发展。
  时间是人类最早认识的物理概念,远古时期人类基于天体现象(如观测太阳和月亮的视位置)划分年、月、日,后来人类发明了日冕、圭表、漏壶等工具细化一日内的时间。然而,传统天文定时手段受天气等观测条件和地球自转不均匀性的影响,测量精度不高。17世纪,以钟摆为代表的机械计时工具和石英晶体振荡器的出现,使计时技术在精度、稳定性和便捷性方面实现了跨越式发展。20世纪,量子物理的发展进一步改变了计时科学与技术,利用原子在不同能级之间跃迁所发射或吸收的电磁波频率作为标准频率建立的量子频标的准确度已达10–16数量级。近年来,随着科学技术的不断发展,新的物理技术和光学技术的进步,尤其是激光冷却囚禁原子技术、激光半导体技术和超稳激光技术的发展,极大地促进了原子钟技术的进步,形成了以冷原子喷泉钟、光钟等为代表的新型原子钟。相较于传统的原子钟,新型原子钟在准确性、稳定性等方面也有了极大的提升。
  空间位置信息与定位和导航相关,定位与导航技术既古老又年轻,两者密不可分。可以说,定位是导航的基础,有多少种定位手段,就有多少种导航手段。
  古代,人类依靠地形、日月位置和自然标记物等确定空间位置并进行导航,并未形成明确的空间位置和导航概念,处于经验导航时期。进入文明社会后,人类开始借助天文、地磁等物理现象确定自己的空间位置,并发明了六分仪、指南针等辅助工具,形成了具有科学意义的定位与导航理论和技术。第一次世界大战前后,地基无线电导航技术诞生,并在第二次世界大战中得到了迅猛发展。至
  20世纪50年代,地基无线电导航已基本实现全球覆盖。同一时期,人造地球卫星的成功发射为星基无线电技术的发展奠定了基础,首个卫星导航系统—子午仪系统应运而生。20世纪70年代,美国国防部开始研制由美国空军控制的全球定位系统(global positioning system,GPS)。GPS具有全球覆盖、全天时、全天候、高精度PNT 服务的优势,结合其在海湾战争中表现出的巨大军事潜能,在全球迅速得到推广和应用。然而,俄罗斯、中国和欧洲联盟(Europ?ische Union,EU)等重要经济体逐渐意识到,在国防建设及经济稳定运行方面仅依靠GPS是不安全的,于是开始建设自主可控的全球卫星导航系统,日本、印度则建设了区域卫星导航系统。
  惯性导航是一种得到广泛应用的自主导航技术。惯性导航利用其惯性元件测量载体本身的加速度,经过积分计算得到载体的速度和位置差,进而实现对载体进行导航定位的目的。惯性导航既不依赖任何外部信息,也不向外部辐射能量,因此具有隐蔽、连续、稳定、自主等优势,在航空、航海等多个领域得到应用。
  为了适应多行业需要,视觉、重力、磁力、地形等匹配导航技术也得到了快速发展。匹配导航属于非接触、低成本、便捷化的导航手段,在无人平台以及武器制导方面得到应用。此外,量子、5G 等新空间感知手段逐渐走入导航定位领域,成为新的可用PNT信息源。
  基于不同原理的PNT信息源为用户提供了丰富、冗余的PNT 信息,多技术优势互补、多源传感器深度优化集成、多源信息交叉融合成为PNT领域发展的重要方面。
  3. PNT学科发展规律与特点
  伴随理论学科的发展,人类对时空概念的认识也在发生变化。时间和空间两个概念隶属于物理学范畴,在物理学发展的不同阶段呈现出不同的关系。在伽利略和牛顿构建的物理学框架下,空间和时间是相互独立的;爱因斯坦创立的相对论更新了牛顿力学时空观,时间、空间成为相互依存的物理量。在无线电测量技术出现后,度量空间关系的距离测量转化为精密时间测量,时间、空间之间的关系变得更加紧密。
  PNT领域呈现出多学科交叉融合的趋势。早期的PNT技术大多涉及单一学科。在时间测量技术方面,观星测日定时属于大地天文学,电子时间测量属于电磁学,原子钟技术涉及量子力学等。在空间测量技术方面,传统空间测量技术主要包括距离、弧度等几何测量学内容,以及光学天文测量、激光测月和测卫等大地天文学内容;重磁匹配导航涉及地磁测量、重力测量等物理大地测量学内容;惯性导航涉及力学和控制学内容。随着时空测量手段复杂度的提升,PNT技术逐渐呈现出多学科融合的趋势,尤其是卫星导航这一巨型复杂系统的出现,使得PNT领域学科交叉的特色更为显著。
  卫星导航学科是几何学、电磁学、力学、大地测量学等交叉形成的学科。导航学科本来属于空间大地测量学科范畴,但是卫星轨道测定与预报属于天体力学,导航信号涉及麦克斯韦电磁学,定位系统误差又涉及爱因斯坦相对论等。此外,随着应用领域的推广和重要性的提升,卫星导航已逐渐成长为一门独立的学科。未来,基于新物理原理的感知手段的出现,将催生出新的学科。
  4. PNT技术发展现状及趋势
  所有导航定位系统都有其自身的脆弱性。卫星导航系统无法覆盖深空、深海、室内、地下,并且信号本身存在落地信号弱、易被干扰和欺骗的弱点;惯性导航存在误差累积,无法满足长航时导航定位需求;地基无线电导航仅能覆盖部分区域,同样存在易被干扰和遮蔽的问题;重磁匹配导航精度有限,分辨率较低,技术尚不成熟。于是,依靠任意一种PNT技术都不能满足任意场景下任意用户的PNT需求,必须建设全域覆盖、多物理原理信息源的PNT基础设施网络,形成多源数据融合、多技术优势互补的PNT应用和服务体系,这不仅是国际PNT体系发展的必然趋势,也是推广PNT应用、提升PNT服务性能的必由之路。
  从国际PNT体系发展现状来看,美国是PNT基础设施最完善、技术最先进的国家,对新原理感知手段的探索也常常处于领先地位,但缺乏对PNT体系的整体统筹规划。随着GPS脆弱性问题的暴露,美国总统先后签发了《美国国家天基定位、导航与定时政策》(2004)、《2018年国家定时安全与弹性法案》(2018)、《通过负责任地使用定位、导航与定时服务来增强国家弹性》(2020)、《7号太空政策指令(SPD-7)》(2021)等政策指令,在继续依靠GPS的同时,通过建设GPS备份系统来增强PNT系统弹性,确保GPS 服务异常时军民用户仍可获得安全可靠的、抗干扰能力强的PNT服务。此外,美国国防部、运输部、国土安全部等也多次出台相关的指令、政策、规划等,梳理出特定领域的PNT能力建设和应用发展需求,并提供有针对性的指导和建议。
  与美国类似,俄罗斯、欧盟的PNT体系也以卫星导航系统为主,并分别将地基无线电导航系统恰卡(Chayka)和罗兰C作为GLONASS和Galileo系统的备份与补充,以构建多手段融合的PNT 服务体系。
  我国在PNT技术方面的进步令人瞩目,但仍存在PNT体系发展不均衡的问题。北斗卫星导航系统建设取得了重大突破,服务性能达到国际先进水平,但惯性导航研究和应用存在很大差距,重力导航、磁力导航等地球物理场匹配导航技术离工程化、实用化还有一定差距,深空PNT技术和水下PNT技术亟待突破。此外,部分PNT核心传感器制造技术尚未突破,高端重、磁、震、声等装备大多依赖进口,存在“卡脖子”风险。国产PNT装备多属于中低端产品,与国际先进水平的差距是5~10年。
  目前,我国已开展PNT体系论证工作,旨在建强北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)的同时,依托地基无线电导航、惯性导航和匹配导航等多种技术手段形成对北斗的冗余备份,同时开展脉冲星导航技术和水下导航技术的探索研究,填补深空、深海PNT服务空白。笔者认为,我国2021~2035年PNT 体系规划应当从PNT信息源、PNT终端、PNT信息融合理论和PNT应用服务等方面做好顶层设计,构建以北斗卫星导航系统为核心的国家综合PNT体系基础设施,建设以微PNT终端和弹性PNT 应用为基本架构的PNT应用终端型谱,推进以智能PNT服务为目标的国家PNT体系架构。
  国家综合PNT体系是指,基于多物理原理构建的从深空到深海、全域无缝覆盖的PNT信息源基础设施。在深空,可依托脉冲星构建深空基准,为深空航天器提供自主PNT服务;在地月系拉格朗日点上可构建导航星座,既可接收脉冲星信号,又可播发与全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)同频的信号,形成深空导航与近地导航的中转;在近地空间以GNSS为主,依托低轨通信、遥感星座,形成对中高轨北斗导航星座的增强;在城市和室内等应用场景,地基无线电、5G、Wi-Fi和各类匹配导航技术可辅助卫星导航;水下可以布设类似于GNSS的声呐信标,实现水下潜器的安全导航。此外,基于量子测距、量子感知等新物理原理的导航技术手段也应同步开展关键技术攻关,构建从深空到深海、从室外到室内、从暴露空间到非暴露空间的泛在PNT信息源基础设施。
  综合PNT解决的是PNT信息源问题,弹性PNT解决的是PNT 信息源最优组合问题,微PNT解决的是PNT终端微型化和低功耗问题。但是对于广大的PNT用户,尤其是非PNT专业用户,有了PNT基础设施和弹性融合准则还不够,还必须解决智能化应用问题。未来PNT服务应该是智能化的,即提取大多数PNT专家的思想,形成共性化知识,再将该知识逻辑化、模型化形成专家系统,通过计算机分析、挖掘知识间的规律和联系,进一步将其转化为机器可识别的知识图谱,最后针对特定用户、特定场景和特定需求实现PNT智能保障和智能服务。
  5. PNT领域发展的相关政策建议
  国家PNT相关政策法规决定了国家PNT体系建设规划、PNT 应用规则和PNT应用标准,直接影响PNT整个学科的发展。目前,美国、欧盟等都在强调PNT体系的弹性化建设,主动拥抱大数据、人工智能等先进技术,研究多技术手段融合发展模式,并积极探索基于新物理原理的PNT感知技术。2020年8月,白宫科技政策办公室(O?ce of Science and Technology Policy)通过“联邦公报”网站发布《关于定位、导航与定时弹性信息》的征询书,向民众征集弹性PNT项目,欧盟也准备开展PNT弹性化研究。尽管我国北斗卫星导航系统建设取得了重要的阶段性成果,但是仍然面临复杂的PNT应用环境和复杂的市场竞争。为了在PNT体系研究、终端研制和应用环节都能适应复杂的国际竞争,必须加强PNT学科发展及创新性探索研究,加大PNT感知和应用新原理研究的支持力度,加大PNT各类智能终端和重点仪器研发的支持强度。在项目的支持方面,可以采取“项目群”支持模式,以国家PNT体系建设重大项目为主线,带动一批围绕PNT关键技术攻关和典型示范应用的小项目群,充分发挥举国体制优势,短时间集智攻关,取得一些有影响的PNT 理论创新成果和应用模式创新成果。
  针对PNT技术学科交叉的特点,在遴选项目评审专家时,采用交叉学科评审机制,拓展评审专家研究领域至物理学、电子信息、空间物理、大地测量学、天文学、海洋学、环境科学、精密仪器制造、航空航天等学科,使得重大项目群的每个领域都有专家参评,保证评选工作的全面性与公平性。
  国家PNT体系涉及的学科领域多、技术复杂,需要交叉融合理论知识体系,因此在人才培养和资助方面,可对交叉学科背景申请人设立单独指标,进行选拔。
  在国际合作方面,应在卫星轨道和信号频率资源协调、深空探测和南北极导航、退役卫星处理、空间安全等多方面开展国际合作。在开展国际合作时,应优先加强与友好国家在系统兼容与互操作、系统安全、系统增强、监测评估及联合建设参考站等方面的合作。
  
  Abstract
  Positioning, navigation and timing (PNT) information provides essential support to human activities. From the solar/stellar observation in the early period to mechanical instruments represented by the pendulum and theodolite, electrical instruments like the quartz clock and total station, and the satellite system at present, technologies for acquiring PNT information have undergone tremendous development. PNT information has already penetrated into all aspects of science and technology, economy, people’s livelihood and national defense, and become indispensable for national construction, public life and social progress.
  Oriented to the requirements of national PNT strategy, this book discusses the history of PNT technology, discipline development rules and characteristics, technology development status and trends, related policies and recommendations. The scientifc signifcance, strategic value, development status, key scientifc and technological issues, development directions and related policies of different branches of the PNT technology are discussed as well, such as astronomical navigation, radio navigation, inertial navigation, matching navigation, bionic navigation, acoustic navigation, quantum navigation and time-frequency technology.
  At present, China has launched the construction of PNT system, aiming to strengthen the BeiDou Navigation Satellite System and establish the backup redundancy for the BDS by means of a variety of technologies such as ground-based radio navigation, inertial navigation and matching navigation. Meanwhile, explorations and researches on pulsar navigation and underwater navigation technologies are carried out to fll the gaps of PNT services in deep space and deep sea. The PNT system plan from 2021 to 2035 should create a top-level design from the aspects of PNT information source, PNT terminal, PNT information fusion theory and PNT application service. It is suggested that China should construct the national comprehensive PNT system infrastructure with the BDS as its core, develop a variety of PNT application terminals based on the micro-PNT and resilient PNT frame, and promote the development of the national PNT architecture aiming at providing intelligent PNT services.
  The national comprehensive PNT system refers to the seamless coverage of PNT information source infrastructure from deep space to deep sea based on diferent physical principles. In the deep space, pulsars can be used to construct the deep space datum and provide autonomous PNT services for deep space spacecraft; a navigation constellation similar to the GNSS can be constructed at the Lagrange points of the Earth-Moon system, which will not only receive the pulsar signals, but also broadcast signals with the same frequency as the GNSS; in the near Earth space, the GNSS will be enhanced by the LEO communication and remote sensing constellations; in cities and indoors, the GNSS can be complemented by the ground-based radio, 5G, Wi-Fi and various matching navigation technologies; under the water, sonar beacons similar to the GNSS can be deployed to realize the safe navigation for underwater vehicles. In addition, researches on navigation technology based on new physical principles such as quantum ranging, quantum perception should be carried out simultaneously, and a ubiquitous PNT information source infrastructure from deep space to deep sea, from outdoor to indoor, and from exposed space to unexposed space should be built.
  Comprehensive PNT enriches the source of PNT information, resilient PNT realizes the optimal combination of PNT information sources, and micro-PNT achieves the miniaturization and low power consumption of PNT terminals. However, for mass PNT users, especially nonprofessional subscribers, it is not enough to just provide PNT infrastructure or resilient integration criteria, and the intelligent application must be realized. In the future, PNT services should be intelligent. Expert systems should be developed by processing and modelling the collection of common knowledge of PNT experts, and the internal links between the knowledge should be autonomously analyzed and mined, which will then be processed to knowledge maps that can be recognized by machine. Finally, intelligent PNT support and services oriented to specifc users in specifc scenarios and for specifc requirements can be realized. 
  In order to adapt to the international competition in PNT system research, terminal development and application, it is necessary to strengthen the PNT discipline development and innovative exploration and research, provide more support for researches on new principles of PNT perception and application, and increase the investment in various PNT intelligent terminals and key instruments. Considering the interdisciplinary characteristics of the PNT technology, the selection of project review experts should adopt the interdisciplinary review mechanism, and experts from different fields should be invited to participate in reviewing major projects to ensure the comprehensiveness and fairness. In terms of talent funding, the autonomy in talent training and selection should be strengthened, and separate indicators can be set for applicants with interdisciplinary backgrounds if necessary. In terms of international cooperation, it is proposed that the coordination of satellite orbit and signal frequency resources, deep space exploration and NorthSouth polar navigation, retired satellite processing and space security should be emphasized, and priorities should be given to cooperation with friendly countries in system compatibility and interoperability, system security, system enhancement, monitoring and evaluation and joint construction of reference stations.
  Yang Yuanxi, professor at Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, is an academician of Chinese Academy of Sciences and the deputy chief engineer of the Chinese BeiDou Navigation Satellite System. He has been elected as the IAG Fellow in 2007 and the ION Fellow in 2018, and won the Ho Leung Ho Lee Award in 2011. He serves as the chief editors of Satellite Navigation (since 2020) and Acta Geodaetica et Cartographica Sinica (since 2014).
  Prof. Yang has been dedicated to the research of geodesy and satellite navigation technology. As the creator of the theories of robust estimation for correlated observations and the adaptively robust navigation, he has built the bifactor equivalent weights model, and developed the robust covariance estimation algorithm and the adaptively robust estimation algorithm. As the deputy chief engineer of the BDS, he has made a lot of breakthroughs in key technologies such as the model of BDS contribution on global PNT users, the optimal combination model for BDS triple-frequency signals, and the adaptively autonomous orbit determination algorithm. Besides, he initiated the research on comprehensive PNT and resilient PNT supporting the construction of the national PNT system. 
  Prof. Yang has published more than 400 peer-reviewed papers, including 60 plus SCI papers, and many of them are highly cited, with the total citations of more than 14000. He is among the world’s top 2% scientists list named by Stanford University in 2021 and 2022 .
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