兰德-更具弹性的国家级卫星定位、导航和定时能力（英文）-2021.5-268页_2mb

总结：增强国家定位、导航与授时能力的分析

核心内容

本报告由美国国土安全部（DHS）资助，旨在评估替代和补充GPS定位、导航与授时（PNT）能力的技术需求，以提升国家在国家安全和关键基础设施方面的PNT系统韧性。报告基于2017年《国家防卫授权法案》（NDAA）的要求，分析了GPS可能面临的威胁、现有PNT生态系统的多样性以及不同替代技术的成本与效益。

主要观点

• GPS的重要性与脆弱性：GPS是当前国家PNT系统的核心，但其信号易受无意或有意的干扰，如电磁干扰、网络攻击、太阳风暴等，导致关键基础设施面临风险。
• PNT生态系统：国家PNT生态系统不仅包括GPS和全球导航卫星系统（GNSS），还包括多种传统技术（如惯性导航系统、指南针）以及新兴技术（如eLoran、智能手机的增强导航、计算机视觉等）。
• 现有替代技术：已有多种PNT替代技术，如备份时钟、分布式信号（如蜂窝或Wi-Fi信号）、eLoran等，这些技术在某些情况下可以有效补充GPS，增强系统韧性。
• 威胁场景与影响：不同规模的GPS威胁（如全国性中断或区域性干扰）对经济和社会的影响各异，但多数威胁的影响时间较短，通常在数天内。
• 经济影响评估：研究发现，即使在GPS全国性中断的情况下，考虑到已有替代技术和适应能力，实际经济损失远低于简单估算的数十亿美元，通常在数千万至数亿美元之间。
• 替代技术的成本与效益：现有替代技术的经济成本较高，而其带来的效益可能不足以证明政府大规模投资的合理性，尤其对于非关键用途的GPS备份。
• 政府角色与激励机制：政府可通过加强威胁检测和完整性监控，间接激励私营部门投资于PNT系统的多样性，从而增强整个系统的韧性。

关键信息

GPS的威胁与脆弱性

• GPS可能受到多种威胁，包括太阳风暴、恶意干扰（如欺骗和阻断）、网络攻击等。
• 大多数威胁影响时间较短（数小时至数天），仅有极少数高概率威胁可能造成更长期的影响。
• 现有PNT生态系统中，许多技术（如备份时钟、分布式信号）已具备一定的抗干扰能力。

PNT生态系统组成

• 卫星系统：包括GPS、Galileo、GLONASS等。
• 地面系统：如eLoran、惯性导航系统、参考点定位等。
• 新兴技术：如智能手机的增强导航、计算机视觉、集成授时与导航系统等。
• 现有技术的互补性：许多替代技术依赖GPS的精确定位能力，因此其存在增强了整个系统的鲁棒性。

经济分析与成本估算

• 全国性GPS中断成本：估算为每天数千万至数亿美元，远低于最初设想的数十亿美元。
• 区域性干扰成本：如对洛杉矶-长滩地区的干扰，估算为每天数百万美元。
• 替代技术成本：某些替代技术的成本较高，且无法完全覆盖GPS的全部功能，因此其投资回报有限。

替代技术评估

• eLoran：作为地面系统，具有抗干扰能力，但覆盖范围和精度不如GPS。
• 备份时钟：在金融、通信等领域已广泛使用，可有效应对GPS中断。
• 分布式信号：如蜂窝或Wi-Fi信号，可作为GPS的补充，但其可靠性取决于网络覆盖和基础设施。
• 新兴技术：如智能手机导航、计算机视觉等，有助于提升PNT系统的适应能力。

政府投资与政策建议

• 政府投资门槛高：基于现实成本与效益分析，政府在非关键用途的GPS备份系统上进行大规模投资的合理性较低。
• 公共-私营合作：如FirstNet项目，已为部分城市提供备份信号，增强了私营部门对PNT中断的应对能力。
• 威胁检测机制：政府可通过建立GPS完整性监控和干扰检测机制，降低GPS中断带来的风险，同时激励私营部门进行投资。

结论

• 现有系统足够应对多数威胁：当前PNT生态系统已具备一定的冗余和适应能力，能够有效降低GPS中断带来的影响。
• 替代技术的局限性：没有一种技术能完全替代GPS，且其成本效益比不高。
• 政府应关注策略性投资：应将重点放在提升整体系统的韧性上，而非单一技术的备份，以确保关键基础设施和国家安全在GPS中断时仍能维持基本功能。

附录与参考资料

• 附录A：展示了GPS对生产力的影响及其经济价值。
• 附录C：介绍了GPS增强技术和替代方案的性能特点。
• 附录D：比较了传统采购模式与公共-私营合作模式的经济性。
• 附录F：分析了太阳风暴对GPS卫星的影响。

总体建议

• 加强威胁检测与监控：通过技术手段提升对GPS干扰的识别和应对能力。
• 鼓励私营部门投资：通过政策激励，推动企业采用多种PNT技术，增强整体系统的韧性。
• 避免单一技术依赖：应维持PNT系统的多样性，确保在GPS失效时仍能提供必要的服务。

注：本总结基于文档内容，不反映官方立场。