组合互补PNT是GNSS突破瓶颈的必由之路

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文章转载自微信公众号 上海 北研院，版权归原作者及刊载媒体所有。

科技发展日新月异，GNSS的重要性和用户数量与日俱增，为了弥补GNSS信号微弱带来的漏洞威胁，人们冥思苦想，采取多种多样的增强技术与方法，但是仍然没有找到一劳永逸的办法。那么GNSS需要突破的最为主要的瓶颈究竟是什么？主要瓶颈有三：一是要突破应用服务的可靠性确保性瓶颈，现在建立并且运营GNSS的各国都承诺，不收终端用户费，但是同时又明确表示，对于应用过程中出现的问题和事故，不承担任何责任；二是要突破难于全面满足精度、可用性、连续性和完好性多项指标的瓶颈，现在所有的增强举措，差不多全是用户群体自行解决，与系统关系并不大；三是突破全天时全天候保障服务的瓶颈，能够从室外进入室内，实现泛在应用服务，显然这不是GNSS力能所及的，也不是采取PTA（保护优化增强）就可以迎刃而解的。由此可见，GNSS三大瓶颈的突破不能仅仅依靠内生动力加以解决，而是必须同时依靠其他非GNSS技术手段来突破技术瓶颈和产业壁垒，让PNT技术走向升级换代的跨越发展之路。我们在2010年就提出，“美国搞PNT，中国创新时空”，作为一种技术对标，作为一种赶超目标，作为中国特色自主发展的方向。现在中国（北斗）新时空，已经从初露端倪，到现在大张旗鼓的发展前进，成为我国智能信息产业和中国服务国家品牌的主题曲、主旋律、主战场，加以塑造，加以推进，加以弘扬。

组合互补的PNT，也就是需要在非暴露空间进行时空服务的新兴技术有一大批，主要的还是低轨导航卫星星座、惯性导航系统、视觉导航系统、与无线电通信融合的导航系统（UWB、WiFi、蓝牙），以及多种多样的声光电机磁相关的导航计时系统。

随着四个完整的GNSS（全球导航卫星系统）部署完成，以及应用服务领域的日益广泛深入，人们对GNSS信号的脆弱性和局限性感到担忧也与日俱增。同时，相关的PNT补充源的开发和部署仍在继续加紧推进。而且对于PNT中的“T”的能力的应用服务，更加关注，与安全保障，特别是国家重大基础信息设施的安全紧密联系起来，它们包括现有和正在开发的天基和陆基系统，其中包括铱卫星、大型低轨星座，或电视广播塔等“机会灯塔”，以及基于网络的时间传输。

如斯普伦（Spirent）测试解决方案的灵活架构，确保了人们能够发现最适合自己的PNT项目。斯普伦公司是GNSS模拟器的先驱，先进的软件无线电技术仍然是他们平台的核心，还有高保真GNSS信号生成、惯性和互补PNT模拟、记录和回放系统、现场可升级的商用上架模拟器，都可以实现无缝集成，创建世界上最真实、最可靠的PNT测试环境。有哪些最有希望的PNT源互补方法和模拟技术又如何带来帮助？GNSS的脆弱性已得到普遍承认。传统的GNSS都在几乎相同的频率和功率水平上运行，所以它们存在一些重要的共同的脆弱性漏洞。人们对找到解决问题的方法非常感兴趣，办法是通过后备、补充甚至取代这些能力。其中有航位推算、磁力和惯性系统已经应用了很长一段时间。还有新兴市场需要开发，如使用替代无线电频率进行导航。在某些情况下，可以依靠通信（机会）信号，从中导出PNT信息。在其他情况下，可以使用新的PNT信号。它们可能使用不同的轨道的卫星与频率，不同的编码方案将它们区分开来，从传统的GNSS中分离出来，因此，在它们一起使用时，甚至在一个或多个其他系统可能会受到干扰的影响时，仍然能够提供更大的弹性。决不可忘记的是惯性导航。它虽然存在了很长一段时间，却仍然是一种航海标准。与GNSS组合在一起，它是一个很棒的导航系统。它几乎完全可以定义互补性，因为GPS易受攻击条件下，惯性导航可以填补GPS漂移的空白，两者组合配对，可构成一个非常强大的系统。

集成GNSS，还剩下的一些挑战是什么？带有惯性传感器的GNSS接收器，同样，模拟技术是如何进行帮助的？惯性导航通过整合传感器测量值来工作，出现的任何误差都会随着时间累积起来，影响到导航解决方案。所以，必须重点关注误差模型的更新，这样日常用户就可以使用它们，并从中获得真正的活生生型的性能。有一种趋势是将GPS-INS集成为一个包。然而，现在的推动力是更多的集成但未打包的分布式系统。在应对城市峡谷可持续发展的挑战方面做了大量工作，但是模拟技术对此又有何帮助？城市峡谷是GNSS信号最可怕的噩梦。如果接收终端被高楼包围，信号就会被阻断。在直接视距环境中，可能只有很少甚至没有卫星，而有许多反射信号和多径效应。当然，GNSS多星座越多的卫星，会有更好的机会接收到良好的信号。但与之互补的是雷达和视觉系统。这些都将在城市峡谷应用中脱颖而出，尤其是可以读取街道标志的视觉系统，查看路边的位置，寻找停着的车。可以观察在实际环境中发生了什么，并对其进行模拟。也可以使用有效的预测工具。

展望未来，仿真技术如何帮助传感器融合？要想知道系统是如何工作的，那必须测试每个部件。系统是这里的关键词。模拟能够生成信号并将其结合在一起，进入传感器融合引擎。还可以测试不同的算法。这肯定比试着制造要便宜得多，也快得多，测试成功后，将其转化为产品，然后进行再测试。

GNSS存在信号弱的问题，通过低地球轨道（LEO）卫星星座可以通过提供时间和位置参数，补充中地球轨道（MEO）星座的这些服务能力。第一是提供完全独立的PNT来源。其次，关注卫星在授时和定位方面的高功率启用，可以到达室内和其他GNSS无法到达的地方。还有就是专注于改善信号的室内穿透能力，加强信号设计和做一些其他的事情。第三，使用现代密码技术确保系统安全，特别是免受故意误导攻击。应该指出，在此没有任何考虑用LEO PNT替代MEO GNSS的想法。

5G是未来最有前途的。目前主要的无线运营商看到越来越多的机遇，他们推出的5G基础设施正在发展，实现GNSS信号无法到达室内定位，可以提供可靠的计时能力。创造了很有希望的PNT互补方法和模拟技术。在基础设施、速度、精度、可靠性和行业应用方面，5G在一定程度上优于GNSS，可提供替代的机会信号，以及和新型商用卫星供应商作为额外的弹性层，也是很有价值的。然而，5G的PNT尚未完全就绪。会有的是PNT系统使用条件下，GNSS和这些机会信号同时出现，因此模拟测试面临主要星座信号，能够在相同的环境和相同的潜在威胁条件下，进行任何互补信号的接收。集成了抗干扰天线和构建干扰检测和缓解（IDM）方法进入产品提供互补替代信号，与行业一起创新，提供边缘时间服务器，能够自动添加可追踪时间服务。如果5G PNT成为一个标准，提供主要的验收测试解决方案，提供INS组件组合，尽可能解决多种多样的PNT挑战，特别是针对干扰和欺骗带来的挑战，在寻址中提供最有用的互补PNT。IMU的集成提供了连续PNT解决方案，结合抗干扰天线技术和IDM软件，一个强大的PNT解决方案始终可用。仿真模拟有助于：（1）识别漏洞和不断演变的威胁；（2）验证总体集成弹性，在数以百计卫星的条件下，频谱信号、自定义信号和硬件，至集成IMU到1000 Hz的迭代速率，验证复杂GNSS抗干扰天线系统。

最有希望的互补PNT方法是什么？模拟技术有帮助吗？有两种特别有益的方法：首先是LEO卫星星座系统可以提供互补和潜在更多安全的导航方法，具有单一系统能够实现全球覆盖。第二个是视觉辅助的使用。通过传感器融合，如激光雷达和摄像机，可以提供相对定位（或绝对定位，在映射空间），可以使用SLAM算法。而这个可能会增加车载硬件依赖性，它创建了一个本地化的导航系统可以更好地免受恶意行为者的攻击。相反，闭环系统可以着眼于基于基础设施的系统，允许在基础设施所在的特定区域，设置可能更可靠PNT的来源，尤其是室内这样GNSS不可用的地方。超宽带（UWB）无疑是这里的新兴技术，但是Wi-Fi、摄像头、蓝牙和其他技术也在使用中。在许多领域中，允许用户进行大规模仿真模拟测试，与真实世界测试相比，这样做入门门槛更低，制作更容易，通过迭代更改以找到最佳解决方案。

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