多星多頻時(shí)代來臨：第三版《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》發(fā)布

文|曹沖 環(huán)球新時(shí)空（北京）信息技術(shù)研究院有限公司

2020年10月，歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）發(fā)布第三版《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》），旨在幫助用戶了解接收機(jī)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)，幫助業(yè)界制定相關(guān)技術(shù)開發(fā)、采購、應(yīng)用規(guī)劃與決策?！秷?bào)告》重點(diǎn)關(guān)注全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）多星座、多頻率、多信號(hào)發(fā)展的新形勢(shì)。

一、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展迅速

2020年，美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS）、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供全球服務(wù)，在軌的GNSS衛(wèi)星超過100顆。圖1為20年來GNSS衛(wèi)星數(shù)量的增長(zhǎng)情況（僅統(tǒng)計(jì)MEO軌道）。日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）、印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）提供區(qū)域服務(wù)，各星基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)持續(xù)推進(jìn)。

圖1 2000-2020年GNSS衛(wèi)星數(shù)量增長(zhǎng)情況

GNSS地面運(yùn)行控制系統(tǒng)不斷升級(jí)。目前，GPS和GLONASS的地面系統(tǒng)都在進(jìn)行現(xiàn)代化升級(jí)，以適應(yīng)GPS-3、GLONASS-K2等最新一代衛(wèi)星的要求。例如，GPS下一代運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCX）擁有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)安全性、信號(hào)強(qiáng)度、精度和抗干擾能力。GPS OCX Block 1系統(tǒng)已經(jīng)完成開發(fā)，預(yù)計(jì)于2021年交付。

兼容與互操作成為發(fā)展主流。多個(gè)全球和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/增強(qiáng)系統(tǒng)提供商加強(qiáng)兼容與互操作協(xié)調(diào)，采用兼容頻率的開放信號(hào)，通用多址接入方案和調(diào)制方案，有利于多星座GNSS芯片組和接收機(jī)的設(shè)計(jì)，并最終為用戶謀利。全球和區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均在多個(gè)頻率中開放信號(hào)，使多頻率成為GNSS發(fā)展的重要特征之一。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從量變到質(zhì)變的發(fā)展，由于多星座、多頻率、多信號(hào)的工作狀態(tài)，使得定位精度、可用性、連續(xù)性、完好性、魯棒性等性能指標(biāo)均有明顯改進(jìn)，將引領(lǐng)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)向產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度和廣度進(jìn)軍。

二、支持多星座、多頻率的接收機(jī)

基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢(shì)，接收機(jī)采用多星座和多頻率，通過不同的位置處理方法以及信號(hào)處理和天線技術(shù)的創(chuàng)新，有望提供更精準(zhǔn)、更省電且更可靠的定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）服務(wù)。

支持多星座成為接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)?！秷?bào)告》指出，目前大部分接收機(jī)（76%）均支持多星座，其中52%的接收機(jī)覆蓋四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，這一比例在過去2年中增長(zhǎng)了20%，主要是由于支持Galileo和北斗系統(tǒng)的接收機(jī)增加（圖2）。

圖2 支持多星座的接收機(jī)占比

支持多頻率以提升接收機(jī)性能。各星座的時(shí)間、坐標(biāo)、軌道和信號(hào)體制均有差異，帶來了信號(hào)處理和位置計(jì)算的復(fù)雜性。為了實(shí)現(xiàn)更好的性能，目前，傳統(tǒng)高精度應(yīng)用之外的接收機(jī)現(xiàn)在都具有多頻支持，約30%的接收機(jī)已支持雙頻定位（圖3）。

圖3 支持多頻的接收機(jī)占比

三、GNSS的脆弱性及其防護(hù)

《報(bào)告》特別提出，應(yīng)關(guān)注GNSS和其他方面的漏洞給PNT帶來的影響，并介紹了相關(guān)措施抵御日益嚴(yán)重的GNSS干擾或欺騙威脅，確保PNT在安全和責(zé)任關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用與服務(wù)。

GNSS身份驗(yàn)證是應(yīng)用服務(wù)安全性的必要組成部分，可以區(qū)分真實(shí)信號(hào)與偽造信號(hào)，從而防止欺騙。同時(shí)，采用多源融合的組合定位，加強(qiáng)與5G等其他技術(shù)的互補(bǔ)，也有助于提升可靠性。例如，手機(jī)終端定位可以利用的定位源包括了GNSS、通信基站、慣性元器件、藍(lán)牙和視覺設(shè)備等。

四、技術(shù)解決方案及其用例

《報(bào)告》的第二部分介紹了具體的技術(shù)解決方案及其用例，主要分為以下四類：

一是大眾市場(chǎng)設(shè)備（大批量設(shè)備），即大量為消費(fèi)類應(yīng)用服務(wù)制造的器件和設(shè)備（芯片組、模塊和接收機(jī)），涵蓋汽車、消費(fèi)級(jí)無人機(jī)、智能手機(jī)，以及移動(dòng)醫(yī)療（mHealth）和機(jī)器人等專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。如圖4所示，不同設(shè)備的市場(chǎng)成熟度不同，LBS導(dǎo)航、汽車導(dǎo)航等應(yīng)用已成熟，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)和移動(dòng)醫(yī)療應(yīng)用正在走向成熟，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人技術(shù)、智能服裝等應(yīng)用是新興市場(chǎng)。

圖4 大眾市場(chǎng)設(shè)備成熟度

二是安全和責(zé)任關(guān)鍵設(shè)備，涵蓋了航空、海事、鐵路和公路運(yùn)輸中用于安全和責(zé)任關(guān)鍵應(yīng)用的接收機(jī)技術(shù)。這其中的一個(gè)重要進(jìn)展是在交通管理系統(tǒng)中進(jìn)行車輛跟蹤管理。

三是高精度設(shè)備，為農(nóng)業(yè)、測(cè)量、采礦、GIS行業(yè)提供高精度解決方案。隨著多星多頻的應(yīng)用、數(shù)字化服務(wù)、與傳感器的融合、與AI支持的數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合，高精度行業(yè)正在發(fā)生重要變化。

四是授時(shí)設(shè)備，為電信、能源、金融或運(yùn)輸行業(yè)提供授時(shí)解決方案。該類解決方案最重要的參數(shù)是完整性和魯棒性，以增強(qiáng)抵御GNSS系統(tǒng)故障、干擾或欺騙的能力。同時(shí)，隨著5G和自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，對(duì)提高授時(shí)精度、連續(xù)性和可用性的需求日益增長(zhǎng)。

第三版《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》的發(fā)布，正值全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，特別是Galileo系統(tǒng)的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期，全球衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。新的應(yīng)用出現(xiàn)，需要定制的、復(fù)雜的接收機(jī)技術(shù)，越來越多的雙頻接收機(jī)可用于大眾市場(chǎng)解決方案。在GNSS技術(shù)領(lǐng)域中，來自電信、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和IT領(lǐng)域的眾多參與者躍躍欲試，未來將向企業(yè)和大眾用戶提供更多的定位、導(dǎo)航和授時(shí)解決方案。應(yīng)該指出，從安全性出發(fā)，身份認(rèn)證技術(shù)措施是一個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)，還有高精度條件下的快速首次定位時(shí)間，以及全球性實(shí)時(shí)分米級(jí)定位也值得關(guān)注。