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。