+曹沖

面對(duì)一系列GNSS信號(hào)，和對(duì)這些信號(hào)有意和無意威脅的頻率和復(fù)雜場(chǎng)景，使得GNSS與其他定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）源（尤其是室內(nèi)和自主導(dǎo)航）之間集成的需求不斷增加，GNSS的一系列新應(yīng)用也是如此。作為回應(yīng)，GNSS模擬器的制造商，正在創(chuàng)建新的且經(jīng)過改進(jìn)的模型，從而能夠模擬所有這些新信號(hào)和場(chǎng)景。另外，隨著GNSS芯片組的進(jìn)一步商品化，模擬器制造商必須滿足GNSS接收機(jī)市場(chǎng)中新進(jìn)入者的需求，這些需求具有較低的精度要求和較少的技術(shù)知識(shí)，因此需要的設(shè)備更小、更便宜且接口更簡(jiǎn)單。

沒有任何一家制造商能夠應(yīng)對(duì)這些趨勢(shì)所帶來的全部挑戰(zhàn)。因此，盡管他們的產(chǎn)品在功能和SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）上重疊，但每個(gè)廠家都會(huì)選擇自己的市場(chǎng)定位和首選功能組合。即使在看似簡(jiǎn)單的“什么是GNSS模擬器？”定義問題上，也各有千秋，此處列舉的多個(gè)制造商也給出了不同的答案。

模擬器需要涵蓋以下功能：一是能夠模擬GNSS信號(hào)以及慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)；二是使用戶能夠在系統(tǒng)進(jìn)行部署之前在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試硬件、軟件和新解決方案；三是使用戶能夠在原始或極端條件（包括存在誤差條件）下測(cè)試系統(tǒng)；四是使用戶能夠在罕見的過渡和禁止的事件期間測(cè)試系統(tǒng)；五是幫助將現(xiàn)有設(shè)備改造成新的和新興的標(biāo)準(zhǔn)。

模擬器需要引入或開發(fā)的創(chuàng)新包括：一是有種消聲模擬器用來測(cè)試連續(xù)輻射圖天線（CRPA）；二是模擬完整的現(xiàn)代化M（軍）碼信號(hào)；三是軟件定義的模擬器；四是提高重復(fù)性任務(wù)的自動(dòng)化程度；五是記錄和回放真實(shí)信號(hào)的能力；六是在測(cè)試車輛所面臨的條件下記錄和同步數(shù)據(jù)的能力。

總之，在GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)的范圍不斷增長(zhǎng)和發(fā)展的同時(shí)，GNSS模擬器的范圍也在不斷進(jìn)步，甚至向前更邁進(jìn)了一步。

1.CAST 導(dǎo)航公司

在實(shí)驗(yàn)室中，模擬器使用戶可以在3D空間中“驅(qū)動(dòng)”設(shè)備，執(zhí)行飛行測(cè)試或檢查設(shè)備集成。模擬器還可以在飛行員派遣前驗(yàn)證其在飛程序（OFP），以確保軟件正常運(yùn)行。CAST的最新模擬器是CAST 5000波前發(fā)生器。它允許用戶驅(qū)動(dòng)代表連續(xù)輻射圖天線（CRPA）的GNSS信號(hào)和干擾信號(hào)，該輻射圖天線由多個(gè)較小的天線組成，這些天線全部組合為一個(gè)單元。在現(xiàn)實(shí)生活中，這些天線單元中的每一個(gè)都位于不同的位置。因此，當(dāng)它們從干擾機(jī)或任何GNSS衛(wèi)星接收信號(hào)時(shí)，人們將以與其他單元略有不同的相位看到該信號(hào)。模擬器使人們能夠向這些天線注入信號(hào)，這些信號(hào)模擬了在現(xiàn)實(shí)生活中看到的相同類型的相位微差分。CAST 導(dǎo)航會(huì)根據(jù)用戶反饋不斷改進(jìn)其軟件，正在增強(qiáng)用戶界面，使其功能更強(qiáng)大，但使用起來也更簡(jiǎn)單，硬件也在不斷改進(jìn)，最新的GNSS變化實(shí)施始終在清單中。

展望2022年，GNSS干擾和欺騙正變得越來越普遍，不僅對(duì)于軍方而且對(duì)于消費(fèi)者而言，同樣如此。消費(fèi)者開始遇到更多的干擾情況，他們的手機(jī)無法跟蹤GPS衛(wèi)星或傳輸不正確的GPS數(shù)據(jù)，因此他們的設(shè)備給他們的解決方案是不正確的。CAST專注于產(chǎn)品和功能，以幫助其客戶模擬這些類型的環(huán)境并減輕這些類型的反應(yīng)。

2.杰克遜實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司

杰克遜實(shí)驗(yàn)室（Jackson Labs）的模擬器獲取定位、導(dǎo)航或授時(shí)信號(hào)，通過GPS仿真程序?qū)⑵渲匦戮幋a為RF信號(hào)，并輸出實(shí)時(shí)的RF信號(hào)，該信號(hào)在幾毫秒內(nèi)對(duì)定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）信息進(jìn)行編碼形成射頻信號(hào)，可以饋入現(xiàn)有設(shè)備。杰克遜實(shí)驗(yàn)室提出了一種通用的模擬器，它基本上是一種簡(jiǎn)潔、低成本、高精度、高度穩(wěn)定、高度可靠、非常小的GPS模擬器。它僅提供GPS L1仿真，以降低產(chǎn)品成本，因?yàn)镚PS L1 C/ A代碼是生成準(zhǔn)確而有保證的PNT修復(fù)所需的唯一代碼，并且因?yàn)檎诳紤]對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行仿真，因此只需要一個(gè)L1 C/ A代碼模擬器即可。

杰克遜實(shí)驗(yàn)室的模擬器不需要外部計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或控制。這樣一來，像豐田這樣的公司就有可能將該單元插入裝配線上的汽車中，并產(chǎn)生RF輸出，該輸出被饋送到基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)中，以通過生產(chǎn)線上的最終質(zhì)量保證檢查。杰克遜實(shí)驗(yàn)室（Jackson Labs）期望進(jìn)一步降低SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的要求，并可能增加其他信號(hào)。還希望將模擬器與現(xiàn)有的其他產(chǎn)品線相結(jié)合，例如互補(bǔ)的原子鐘產(chǎn)品線。

圖2 CAST 導(dǎo)航的模擬器圖片

圖3 杰克遜實(shí)驗(yàn)室模擬器

展望2022年。杰克遜預(yù)測(cè)該行業(yè)將分為兩條路徑：一個(gè)具有制造和部署能力的工業(yè)部門，以及以更低的價(jià)格、更小的SWaP，以及更多的模塊化部署引入新興GNSS系統(tǒng)的公司。杰克遜說，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）對(duì)于在欺騙和干擾事件期間的自動(dòng)駕駛和有保證的功能至關(guān)重要。如今不可能非常容易地模擬INS裝置。在整合軍方稱為“確保PNT”的方面，創(chuàng)新市場(chǎng)存在，其中包括雙重導(dǎo)航。

3.奧羅利亞（Orolia）公司

根據(jù)奧羅利亞的哈邁爾所言，模擬器的目的是雙重的：首先，它必須重現(xiàn)威脅；其次，必須證明驗(yàn)證解決方案有效。當(dāng)Skydel解決方案在三月份加入奧羅利亞時(shí)，它帶來了一個(gè)專業(yè)的軟件定義的模擬器，這使快速的原型設(shè)計(jì)和縮短開發(fā)周期成為可能。它集成了高級(jí)干擾模擬，可以同時(shí)模擬數(shù)百種威脅。哈邁爾說：“當(dāng)您想重復(fù)一個(gè)步驟時(shí)，自動(dòng)化是關(guān)鍵?！薄拔覀兊哪M器可以教您如何自動(dòng)化，只需單擊一個(gè)按鍵并生成源代碼即可。” 2018年，Skydel推出了一種消聲模擬器來測(cè)試接收方向圖受控天線（CRPA）。波形模擬器也很新，因此可以以傳導(dǎo)（而不是輻射）的方式測(cè)試CRPA單元。

在接下來的三年中，Orolia考慮添加Galileo PRS，GPS M代碼或下一代信號(hào)。哈邁爾說：“軟件定義意味著我們非常靈活，我們可以讓我們的合作伙伴開發(fā)自己的插件?！薄八麄兛梢詷?gòu)建自定義信號(hào)，受限的或現(xiàn)代化的信號(hào)。我們的模擬器將處理信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，我們的合作伙伴可以專注于信號(hào)的特性，秘密的、機(jī)密的東西，或者只是想保護(hù)其IP的東西。”

展望2022年。在奧羅利亞的榜單上，抵御嚴(yán)重的欺騙和干擾威脅具有很高的抵抗力，并且可以在GPS阻斷的環(huán)境中確保安全或有效的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）。替代信號(hào)、傳感器和增加的復(fù)雜性需要模擬器來解決所有這些問題。開發(fā)復(fù)雜專有硬件平臺(tái)的公司將面臨挑戰(zhàn)，以跟上不斷增加的復(fù)雜性。軟件定義的方法將是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

4.賽樂（Racelogic）公司

賽樂的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星（LabSat）是個(gè)帶有播放器的記錄器，在室外記錄衛(wèi)星信號(hào)，然后在實(shí)驗(yàn)室中重放?，F(xiàn)在，賽樂的模擬器還可以使用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行仿真，以生成信號(hào)，就像它們是由衛(wèi)星發(fā)送的一樣。

賽樂在2018年推出了寬帶LabSat，該寬帶信號(hào)使用了該公司的SatGen軟件。它以56MHz的頻率和高達(dá)6位的分辨率進(jìn)行記錄，并將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絻?nèi)部SSD硬盤驅(qū)動(dòng)器。它還可以重放真實(shí)世界的仿真或使用SatGen生成的仿真。對(duì)于汽車世界，它可以記錄和重放CAN、RS232、RS485、IMU和其他數(shù)據(jù)通道等信號(hào)，并同時(shí)進(jìn)行同步。VBOX允許用戶使用在LabSat上進(jìn)行的完美同步錄制來錄制和重播視頻。托馬斯說：“您確切地看到了測(cè)試車輛或接受測(cè)試的人的各種狀況?！?/p>

賽樂在一個(gè)小型電池供電的設(shè)備中提供了更寬的帶寬，更大的比特?cái)?shù)和更多的通道，可記錄更多信號(hào)，包括激光雷達(dá)，EtherCAT（汽車以太網(wǎng)格式）和CAN-FD（CAN格式的更快版本）。它將能夠與多臺(tái)攝像機(jī)同步，而不僅僅是高分辨率攝像機(jī)。托馬斯說：“它與我們出售的產(chǎn)品基本相同?！?/p>

展望2022年，隨著多GNSS成為主流，芯片制造商和模擬器制造商都將面臨測(cè)試設(shè)備成本的挑戰(zhàn)。芯片制造商需要能夠在其生產(chǎn)線上測(cè)試新信號(hào)，而模擬器制造商則需要以較低的價(jià)格提供設(shè)備，并為技術(shù)要求不那么嚴(yán)格或稍低的客戶提供易于使用的設(shè)備。托馬斯說：“他們需要更簡(jiǎn)單的界面和更小、更便宜的單元?！?/p>

5.羅德與施瓦茨公司

圖4 奧羅利亞公司設(shè)備圖示

圖5 羅德與施瓦茨的產(chǎn)品

越來越多的GNSS應(yīng)用依賴于多頻GNSS。作為回應(yīng)，羅德與施瓦茨公司在其入門級(jí)和中檔測(cè)試解決方案中增加了多頻測(cè)試功能?！拔覀円呀?jīng)基于新的中檔矢量信號(hào)發(fā)生器R＆S SMBV100B內(nèi)，推出了新的GNSS模擬器”。簡(jiǎn)單靈活的選件概念，使用戶可以將儀器變成功能齊全且功能強(qiáng)大的GNSS信號(hào)源。它涵蓋了從單頻和多頻產(chǎn)品測(cè)試到多頻接收器表征的廣泛測(cè)試應(yīng)用。該儀器可配備內(nèi)部噪聲發(fā)生器，使用戶無需額外的外部硬件即可模擬GNSS加上噪聲或CW干擾。

R＆S的GNSS測(cè)試解決方案基于通用矢量信號(hào)發(fā)生器。使用這種方法，可以在同一臺(tái)儀器中同時(shí)生成GNSS和其他信號(hào)，從而無需額外的外部信號(hào)源即可進(jìn)行共存和干擾測(cè)試。由于這帶來了緊湊且易于使用的測(cè)試解決方案，R＆S將繼續(xù)使用此方法進(jìn)行即將到來的產(chǎn)品升級(jí)和增強(qiáng)，以及用于其下一代GNSS測(cè)試解決方案。該公司即將開展的活動(dòng)將主要集中在高端領(lǐng)域，其中具有多達(dá)4個(gè)RF輸出和多達(dá)144個(gè)通道的R＆S SMW200A，滿足多天線和多車輛GNSS測(cè)試應(yīng)用的需求。

展望2022年。隨著自動(dòng)駕駛或飛機(jī)著陸應(yīng)用的安全要求，多頻測(cè)試將成為標(biāo)準(zhǔn)。由于此類應(yīng)用必須具有足夠的魯棒性以抵御欺騙和干擾威脅，因此越來越需要測(cè)試導(dǎo)航系統(tǒng)以防此類影響?！皟H模擬GNSS是不夠的。”“用于自動(dòng)駕駛的測(cè)試解決方案將需要應(yīng)用或模擬其他幾種技術(shù)和信號(hào)，例如RTK/ PPP或其他車輛傳感器的輸出來執(zhí)行傳感器融合?！?/p>

6.思博倫聯(lián)邦系統(tǒng)公司

思博倫的模擬器使用“真實(shí)世界”信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并允許在原始條件或極端條件下進(jìn)行測(cè)試，而這些條件在現(xiàn)實(shí)世界中可能永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生，包括帶有誤差的條件。2018年12月，思博倫發(fā)布了SimMNSA，它提供了完整的M代碼現(xiàn)代化信號(hào)解決方案。直到現(xiàn)在，GPS Directorate都將M代碼模擬限制為偽M代碼，偽M代碼提供相同的擴(kuò)頻，但使用商業(yè)加密標(biāo)準(zhǔn)，或回放一組預(yù)先限定于某些衛(wèi)星、日期和時(shí)間的M代碼。通過更改策略，思博倫現(xiàn)在可以基于現(xiàn)代化的Navstar安全算法（MNSA）實(shí)施M代碼，并且現(xiàn)在既提供SimMNSA提供的M代碼解決方案，又提供SimSAAS提供的完整Y代碼。

思博倫計(jì)劃為客戶提供更多的信道，以幫助他們針對(duì)多路徑、干擾和欺騙性，測(cè)試多星座、多頻率接收機(jī)。哈特說：“我們?cè)诓粚ｉT使用GNSS的AV、UAV等方面正處于激烈的發(fā)展時(shí)期?！彼疾﹤愓谘芯縂NSS/傳感器融合平臺(tái)的測(cè)試。

展望2022年?！半S著新接口規(guī)范的發(fā)布，我們將積極開發(fā)新信號(hào)，”哈特說。思博倫還支持實(shí)現(xiàn)有保證的PNT解決方案的努力。它正在研究緩解干擾的技術(shù)，例如算法、定向天線和其他抗干擾技術(shù)。信號(hào)認(rèn)證是另一個(gè)需求。哈特說：“隨著系統(tǒng)變得越來越集成和網(wǎng)絡(luò)化，我們意識(shí)到網(wǎng)絡(luò)安全威脅，并正在尋找這一領(lǐng)域?！?/p>

7.同步（Syntony）GNSS公司

GNSS接收機(jī)制造商，在無法通過實(shí)際數(shù)據(jù)清晰評(píng)估的嚴(yán)峻形勢(shì)下，使用模擬器來確保其產(chǎn)品具有強(qiáng)大的性能。這就是說：“GNSS模擬器發(fā)揮作用的地方，是它提供了可控且可重復(fù)的方案?！?/p>

同步公司的新型偽隨機(jī)噪聲代碼（PRN代碼）服務(wù)器，使GNSS模擬器用戶可以動(dòng)態(tài)發(fā)送調(diào)制載波的偽隨機(jī)序列。對(duì)于測(cè)試加密信號(hào)（例如GPS軍事信號(hào)或IRNSS RS信號(hào)）特別有用。對(duì)于仿真器制造商而言，訪問加密密鑰非常困難。但是，模擬器實(shí)際上不需要了解那些加密密鑰，同步公司的 PRN服務(wù)器允許用戶動(dòng)態(tài)地將要在目標(biāo)載波上調(diào)制的偽隨機(jī)序列動(dòng)態(tài)輸入到模擬器中。

同步公司的下一個(gè)模擬器將模擬欺騙和同步多天線信號(hào)，以進(jìn)行CRPA和天線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。

展望2022年。隨著欺騙和干擾的威脅增加，接收器行業(yè)將不得不制定對(duì)策和緩解策略。最好的方法之一仍然是使用天線陣列。“天線陣列可以進(jìn)行空間辨別，特別有效地抵抗欺騙、故意干擾或意外干擾。為了滿足行業(yè)的未來需求，同步 GNSS公司已經(jīng)致力于天線陣列的精確仿真，同時(shí)考慮到諸如天線間相位和幅度之類的固有誤差、偏移和所要克服的障礙，包括模擬器RF通道輸出處的相位相干性?！?/p>

圖6 思博倫的設(shè)備照片

圖7 同步GNSS公司的模擬器設(shè)備