文|曹沖 環(huán)球新時空(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)報告》(以下簡稱《報告》),旨在幫助用戶了解接收機技術(shù)及其發(fā)展趨勢,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?!秷蟾妗分攸c關(guān)注全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)多星座、多頻率、多信號發(fā)展的新形勢。
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)星導航系統(tǒng)(BDS)和歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(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)量的增長情況(僅統(tǒng)計MEO軌道)。日本準天頂衛(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),各星基增強系統(tǒng)建設(shè)持續(xù)推進。
圖1 2000-2020年GNSS衛(wèi)星數(shù)量增長情況
GNSS地面運行控制系統(tǒng)不斷升級。目前,GPS和GLONASS的地面系統(tǒng)都在進行現(xiàn)代化升級,以適應(yīng)GPS-3、GLONASS-K2等最新一代衛(wèi)星的要求。例如,GPS下一代運行控制系統(tǒng)(OCX)擁有更強的網(wǎng)絡(luò)安全性、信號強度、精度和抗干擾能力。GPS OCX Block 1系統(tǒng)已經(jīng)完成開發(fā),預計于2021年交付。
兼容與互操作成為發(fā)展主流。多個全球和區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)/增強系統(tǒng)提供商加強兼容與互操作協(xié)調(diào),采用兼容頻率的開放信號,通用多址接入方案和調(diào)制方案,有利于多星座GNSS芯片組和接收機的設(shè)計,并最終為用戶謀利。全球和區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)均在多個頻率中開放信號,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、魯棒性等性能指標均有明顯改進,將引領(lǐng)衛(wèi)星導航應(yīng)用服務(wù)向產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度和廣度進軍。
基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢,接收機采用多星座和多頻率,通過不同的位置處理方法以及信號處理和天線技術(shù)的創(chuàng)新,有望提供更精準、更省電且更可靠的定位導航授時(PNT)服務(wù)。
支持多星座成為接收機的標準?!秷蟾妗分赋觯壳按蟛糠纸邮諜C(76%)均支持多星座,其中52%的接收機覆蓋四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),這一比例在過去2年中增長了20%,主要是由于支持Galileo和北斗系統(tǒng)的接收機增加(圖2)。
圖2 支持多星座的接收機占比
支持多頻率以提升接收機性能。各星座的時間、坐標、軌道和信號體制均有差異,帶來了信號處理和位置計算的復雜性。為了實現(xiàn)更好的性能,目前,傳統(tǒng)高精度應(yīng)用之外的接收機現(xiàn)在都具有多頻支持,約30%的接收機已支持雙頻定位(圖3)。
圖3 支持多頻的接收機占比
《報告》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)措施抵御日益嚴重的GNSS干擾或欺騙威脅,確保PNT在安全和責任關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用與服務(wù)。
GNSS身份驗證是應(yīng)用服務(wù)安全性的必要組成部分,可以區(qū)分真實信號與偽造信號,從而防止欺騙。同時,采用多源融合的組合定位,加強與5G等其他技術(shù)的互補,也有助于提升可靠性。例如,手機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、藍牙和視覺設(shè)備等。
《報告》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:
一是大眾市場設(shè)備(大批量設(shè)備),即大量為消費類應(yīng)用服務(wù)制造的器件和設(shè)備(芯片組、模塊和接收機),涵蓋汽車、消費級無人機、智能手機,以及移動醫(yī)療(mHealth)和機器人等專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備。如圖4所示,不同設(shè)備的市場成熟度不同,LBS導航、汽車導航等應(yīng)用已成熟,消費級無人機和移動醫(yī)療應(yīng)用正在走向成熟,增強現(xiàn)實、機器人技術(shù)、智能服裝等應(yīng)用是新興市場。
圖4 大眾市場設(shè)備成熟度
二是安全和責任關(guān)鍵設(shè)備,涵蓋了航空、海事、鐵路和公路運輸中用于安全和責任關(guān)鍵應(yīng)用的接收機技術(shù)。這其中的一個重要進展是在交通管理系統(tǒng)中進行車輛跟蹤管理。
三是高精度設(shè)備,為農(nóng)業(yè)、測量、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。
四是授時設(shè)備,為電信、能源、金融或運輸行業(yè)提供授時解決方案。該類解決方案最重要的參數(shù)是完整性和魯棒性,以增強抵御GNSS系統(tǒng)故障、干擾或欺騙的能力。同時,隨著5G和自動駕駛技術(shù)的發(fā)展,對提高授時精度、連續(xù)性和可用性的需求日益增長。
第三版《GNSS用戶技術(shù)報告》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)折時期,全球衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。新的應(yīng)用出現(xiàn),需要定制的、復雜的接收機技術(shù),越來越多的雙頻接收機可用于大眾市場解決方案。在GNSS技術(shù)領(lǐng)域中,來自電信、網(wǎng)絡(luò)運營和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、導航和授時解決方案。應(yīng)該指出,從安全性出發(fā),身份認證技術(shù)措施是一個重點目標,還有高精度條件下的快速首次定位時間,以及全球性實時分米級定位也值得關(guān)注。