以下文章来源于科学人文在线 ，作者杨元喜 等
本文摘编自《中国定位、导航与定时2035发展战略》，项目组组长为中国科学院院士杨元喜，标题和内容有调整。
内容简介
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。
项目组组长简介
杨元喜，中国科学院院士，大地测量与卫星导航领域资深专家，IAG Fellow、ION Fellow，全球前2%高影响力学者，现任我国北斗全球卫星导航系统副总设计师，测绘卫星工程总师。2项成果获国家科技进步二等奖，8项成果获省部级科技进步一等奖以上奖励；先后获“求是”杰出青年实用工程奖，何梁何利基金科学与技术进步奖，中国航天基金会“钱学森杰出贡献奖”；共发表论文400余篇，其中SCI论文80余篇，被引超过15000次。
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。
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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。
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。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。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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