文| 環(huán)球新時空(北京)信息技術研究院有限公司 中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會 曹沖

2018年9月，歐洲全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)局（GSA）的《GNSS用戶技術報告（2018）》正式發(fā)表，這是國內外業(yè)界的一件大事。歷年來，GSA在不斷提供《GNSS市場報告》和《GNSS用戶技術報告》，報告質量高、大眾化，信息豐富、深入淺出，觀點明確頗具說服力。

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）已成為一種無處不在的技術，現(xiàn)在每個人都在口袋里攜帶一個衛(wèi)星信號接收機，利用衛(wèi)星于出行移動、休閑玩耍和工作學習。這個時代剛剛開始，更加重要的事情還在未來。記得在我們小時候，就盼著機械化、電氣化、自動化的實現(xiàn)，GNSS的出現(xiàn)和普及，人工智能崛起，信息時代從數(shù)字化、網絡化，走向智能化，GNSS所提供的時間空間信息與服務，成為核心主線、關鍵共性基礎，成為自動化的主旋律。

來自基于位置服務（LBS）市場的支持證據是，2018年5月第一款雙頻智能手機問世。當我們接近GNSS設備的門檻時，衛(wèi)星導航將作為數(shù)字連接世界的支柱。隨著位置、速度和時間的信息驅動增長，在廣泛的上下文感知應用與服務中，GNSS將成為從物聯(lián)網到增強現(xiàn)實和自動駕駛汽車的重要推動者。

《GNSS用戶技術報告（2018）》共分五章：GNSS用戶技術概述，大眾市場解決方案，運輸安全和關鍵責任應用解決方案，高精度與授時解決方案，以及編輯按：自動化。報告引言的標題定為：新時代的曙光，走向自動化系統(tǒng)。可見GNSS為開拓自動化系統(tǒng)在時間空間上，奠定了定位導航授時（PNT）基礎。而PNT才是服務自動化的正宗能力，也就是說，PNT系統(tǒng)技術是可以實現(xiàn)自動化智能定位系統(tǒng)的未來，而其必須具備精準度、泛在性、安全性，以及連接性四大功能性能，才能真正為現(xiàn)代自動化和環(huán)境智能提供發(fā)展基礎。

PNT技術驅動力金字塔圖中（圖1），明確要求其有四大功能性能，主要是要確保在所有應用場景化環(huán)境中保持所需要的性能，那就要融合多種定位技術和傳感器。其精準度的確保是依托多星座、多頻率GNSS，以及通過單點精密定位-實時動態(tài)監(jiān)測（PPP-RTK）服務與慣性導航（INS）和其他傳感器混合加以增強；其連接性的實現(xiàn)是依托衛(wèi)星與地面網絡，如5G、低軌道衛(wèi)星（LEO）或低功耗廣域網絡（LPWAN）；其泛在性的提供是依托互補的定位技術和傳感器組合；其安全性的獲得是依托獨立的冗余技術、網絡安全和確權認證。

在《GNSS用戶技術報告（2018）》中，體現(xiàn)出以下三個方面發(fā)展特點。

圖1 PNT技術驅動力金字塔圖

1.GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)概念變成現(xiàn)實，多星座多頻率工作已經從系統(tǒng)變成為實際應用與服務，多系統(tǒng)標配化體現(xiàn)在接收機中

2020年，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)兩個新的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）和印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NavIC），將具備全面運作能力。同時，GPS和GLONASS的現(xiàn)代化進程也在不斷前進中。因此，在短短幾年內將有多個全球和區(qū)域導航系統(tǒng)開展全面服務，并有超過100顆衛(wèi)星，包括通過使用多個頻率提供PNT信息創(chuàng)新服務。而且，諸如廣域擴增系統(tǒng)（WAAS）、歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）之類的公共增強系統(tǒng)也正在發(fā)展成為多星座和多頻率。

當前絕大多數(shù)的接收機都是多星座的, 而提供多星座支持的最流行的方法是涵蓋所有可用星座的衛(wèi)星，采用GNSS兼容互操作技術是最佳途徑?，F(xiàn)在只有約30%的接收機僅使用 GPS單系統(tǒng)；在這個問題中發(fā)現(xiàn)的最重要的新趨勢是多頻率的快速采用，包括消費類設備，正如市場上推出的雙頻智能手機所證明的那樣。

2.增強服務、增值服務的快速增長，安全性和可靠性成為重要考慮因素

除了核心上游基礎設施（GNSS，衛(wèi)星無線電導航業(yè)務，星基增強系統(tǒng)）的成熟和演變發(fā)展，以及提供所提到的可能性之外，人們還觀察到系統(tǒng)提供商本身或私營企業(yè)提供的新增值服務的增長。對于高精度服務尤其如此，直到最近，這些服務主要針對測量、測繪、工程機械或精準農業(yè)領域，但現(xiàn)在正在向大眾市場傳播，不僅適用于無人駕駛汽車，還包括各種增強現(xiàn)實應用。新的服務提供商出現(xiàn)，新的聯(lián)盟出現(xiàn)，并提出了新的分銷方法，包括通過移動電話網絡，以服務于新興的“所有”市場的高精度。免費的伽利略高精度服務（HAS）和QZSS厘米級精度服務，就是這種趨勢的典型例子。

除了高精度的發(fā)展趨勢之外，人們越來越意識到需要確保PNT解決方案的安全性和保全性。這種趨勢在自動化控制環(huán)路的驅動器中尤為重要，例如在自動船舶、無人駕駛汽車或無人機中。伽利略身份驗證服務，即導航電文身份驗證（NMA）和信號身份驗證服務（SAS），是對此安全性的重要貢獻。目前至少有一家領先的私營GNSS增值服務提供商已經開始通過“實時星歷數(shù)據和導航電文認證”，營銷“可信（確保）定位”，由此可見，確認高精度不是最終結果，而“可信和有彈性”的高精度保持是其最終目標。

多種核心和增強服務的蓬勃發(fā)展，意味著接收機制造商、系統(tǒng)集成商和應用服務開發(fā)商的可以選擇的選項比以往任何時候都要多樣化。在大眾市場領域, 我們看到了在“入門級”IoT產品中優(yōu)化的芯片組之間的鴻溝, 其中每次定位的能耗降低是主要驅動因素, 而“高端”產品中定位性能則更重要。前者通常強調單（或雙）星座、單頻、窄帶，所有的措施有助于滿足低功耗需求要素。后者已廣泛采用多個星座（四大全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）, 更寬闊的頻段處理, 多達百余個通道, 以及最先進的版本現(xiàn)在就能提供雙頻能力, 這將導致更高的精度；使用的頻率范圍，從支持所有應用領域的單一的L1/E1，到支持專業(yè)領域應用的四個頻率。顯示最大的增長是雙頻解決方案：L1/E1 和L5/E5, 但傳統(tǒng)的L1/E1 和L2 仍在使用中。

3.確保的PNT技術及其提供的泛在、精準、安全和連接性能，需要生態(tài)系保障

所有解決方案提供商都強調了確保 PNT 解決方案的安全和保全的必要性, 特別是在脫離人類控制的環(huán)路系統(tǒng)中, 例如在自主船只、無人駕駛汽車或無人機中。交通運輸和關鍵安全領域，傳統(tǒng)上受到規(guī)則和標準的束縛，因此減慢了新技術的采用，這種情況現(xiàn)在已經開始發(fā)生重大變化的趨勢表明，新興的無人駕駛汽車，專業(yè)或“專業(yè)消費者”無人機的出現(xiàn)，以及自主船舶開發(fā)，現(xiàn)在正在以非常快的速度開放這些尚未受到行業(yè)監(jiān)管的應用領域。多個星座、多頻率、慣性導航系統(tǒng)混合和多傳感器融合，都用于促進所需的“確保的”和安全的定位解決方案。雖然目前的解決方案表明，對于自動化應用的高精度基本上是可以實現(xiàn)的，但是真正的實際工作仍然需要解決高水平的完好性、連續(xù)性和安全性，這些對于保證生命安全應用都是必不可少的。

在專業(yè)領域，利用三頻或四頻接收機，使用所有的GNSS星座和信號，以及RTK，和網絡RTK（NRTK）與更高的實時PPP增強服務，達到高精度。接收機甚至有幾百個通道，并已開始配置檢測某些非預期的（干擾、欺騙或多徑）信號。顯而易見，由私營企業(yè)和公共系統(tǒng)運營商提出的PPP/ RTK服務的興趣與日俱增, 這導致了新的PPP / RTK概念, 旨在解決高精度以外的廣大客戶群，也就是向大眾化市場進軍。強大的移動計算機、平板電腦，甚至于智能手機，以及開發(fā)面向大眾市場的價格低廉的雙頻率的芯片組，這些措施合并應用使得人們在諸如此類設備上，運行高精度小批量過程驗證測試（PVT）解決方案成為可行。同時借助于特定的應用軟件，所形成的組合開發(fā)，使測繪、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據采集和潛在的消費電子設備上的測量應用均將變成可能的現(xiàn)實，在Android設備上獲得GNSS原始測量數(shù)據的實現(xiàn)進一步支持了這一趨勢。

在PNT生態(tài)體系圖中（圖2），可以看到為了確保四大功能性能的實現(xiàn)，需要PNT技術的集聚和非PNT的支撐技術，累加起來達到近30項技術，當然實際應用中，在某些場合就不需要全部技術的堆積，而是優(yōu)選其中若干技術形成相關應用系統(tǒng)。正如技術集聚圖中所示（圖3），針對室內、室外，相對、絕對定位會有不同的組合和分野。同時可以看到，只有在技術總體上有所把握，才能理清思路，獲得價廉物美、配置上佳的應用與服務終端產品的優(yōu)勢解決方案。

在部分或完全自動化的任務和功能中，GNSS發(fā)揮著日益顯著的作用。尤其是在交通運輸領域中發(fā)現(xiàn)，隨著無人駕駛汽車、自動船舶和自主無人機應用與服務中，人們不難看到，基于GNSS的自動化應用服務遠遠超出了交通運輸范疇。

圖2 PNT生態(tài)體系圖

圖3 技術集聚圖

觀察到的許多技術進步，正在或者將要被GNSS導出的位置和時間所驅動，不僅僅是用于信息目的，也用于監(jiān)測和日益增加的控制任務，這正是在機器人，或者各種無人系統(tǒng)載體的導航中的難題?？偠灾?，這個專門問題就是自動化，在部分或完全自動化的任務和功能中，GNSS發(fā)揮著日益顯著的作用。尤其是在交通運輸領域中發(fā)現(xiàn)，隨著無人駕駛汽車、自動船舶和自主無人機應用與服務中，人們不難看到，基于GNSS的自動化應用服務遠遠超出了交通運輸范疇。