美国韧性PNT技术发展研究

　　2021年5月，美国兰德公司发布了《更具韧性的美国定位、导航和授时（PNT）能力分析》报告，报告研究了美国可用于补充GPS系统的PNT能力。该报告提出并评估了几个提升PNT韧性的技术选项，主要包括如下6类，表1对这些技术类别进行了总结：
　　第一类是无线PNT信号，即系统向用户设备提供PNT专用RF信号，可根据已知天基或地面发射机位置计算本地PNT解；
　　第二类是使用射频＂机会信号＂的技术，即利用播发的非用于导航或时间传递用途的所谓射频＂机会信号＂通过三角测量找到接收机的估计位置，从而用于导航；
　　第三类是射频时间信号，只用于提供时间；考虑到其发射机网络设计，此类信号无法用于位置计算；
　　第四类是有线时间信号，访问或计算精确时间所需信息均在有线网络上（如地面通信、光纤或其他专用网络）传输。这些方法只用于时间传递，而不用于定位或导航；
　　第五类是所有只涉及PNT相关用户设备而不涉及射频信号的选项，包括＂保持＂PNT（最初是根据GPS或其他源进行校准），并在GPS中断期间利用保持技术继续活动。守时时钟和惯性导航系统（INS）就是其中的关键技术之一；
　　第六类是一些PNT韧性技术选项；这些选项并非是新的补充性PNT备选方案，而是使GPS用户设备能继续使用的措施，尽管使用中会存在威胁。由于这些选项可能会影响补充性PNT系统的需求或选择，因而也应考虑。
　　表1 补充性PNT选项
　　由于篇幅所限，本文仅就其中使用最为广泛也是最受关注的无线信号PNT技术进行介绍，包括使用专用无线PNT信号和机会信号的技术，表2为使用这两类信号的技术在定位和授时方面的性能特征。
　　表2 使用无线PNT信号与机会信号的技术性能特征
　　一、无线PNT信号
　　许多技术选项（包括广域技术和可在较小区域实现的系统）都是基于无线信号，利用无线PNT信号能用单台用户接收机进行定位，无需连接到物理基础设施就能获取授时信息。这些方法多使用4个独立信号来计算三维位置和时间，如果位置或高度已知，则可使用更少的信号。
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　　多全球导航卫星系统（GNSS）接收机
　　对于主要使用GPS的设备而言，也使用其他现有（或未来）全球导航卫星系统（GNSS）信号同样具有很大优势。除GPS之外，俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略、中国的北斗、日本准天顶卫星系统（QZSS）和印度区域导航卫星系统（IRNSS）都可以成为额外的卫星PNT数据源。使用更多GNSS信号可以提高PNT精度，并且减少性能问题——如个别卫星信号被地形或建筑物阻挡时出现性能下降。多个冗余信号还支持接收机对使用不同系统的结果进行对比，从而更容易监测结果的不一致和欺骗攻击等威胁。如果一个芯片可以处理四种主要GNSS星座（GPS、GLONASS、北斗、伽利略）信号，其全球可用信号将超过100个。
　　目前许多GPS接收机已经在使用两个或更多GNSS信号。2016年的调查发现，近65%的接收机利用了至少两个星座，其中GPS和GLONASS是最常见组合。过去几年制造的大多数智能手机都已支持这一能力。接收伽利略和北斗信号的智能手机也已经发布，并可能在未来几年普及。
　　当GPS信号由于针对性干扰或欺骗而降级时，多GNSS接收机可以保持良好的PNT能力且只有轻微性能降级。当然，蓄意干扰也可能会影响所有GNSS信号，因为它们共享了一些相同频段，信号电平也较弱。
　　利用冗余GNSS系统可大大降低面临的欺骗攻击风险，因为它能够交叉检查来自不同系统的信息。同时欺骗多个系统的难度和成本也将大幅提高。虽然使用多个星座并不能完全降低干扰风险，但这确实可解决针对GPS的大部分威胁（特别是对GPS的大规模网络攻击）。此外，各国对其自身GNSS功能的依赖也降低了这些国家在空间发动大规模核攻击或其他攻击的可能性，因为它们自己的系统也可能会遭受附带损害。不过，空间气象仍将是一个问题，它将影响所有天基系统。
　　由于多个GNSS星座已经存在，使用其信号所需的技术也已被采用并扩散到了消费者一级，这一选项已成为PNT生态系统的一个不断扩大的现有组成部分。当前，GPS和其他GNSS星座能够在多个频率上播发信号，利用双频多星座（DFMC）全球导航卫星系统的接收机现在越来越普遍，包括在智能手机中。未来，这种现代化DFMC GNSS系统的性能将远优于未经增强的既有GPS。
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　　改进型长距离导航（eLoran）系统
　　Loran-C是一种授时和无线电导航服务，使用来自地面天线的90~110kHz频段高功率信号，可提供约0.25海里（或460米）的定位精度。这种精度对航海来说有用，但对港口导航来说还不够。尽管如此，由于位置计算和相对附近用户的相对位置的可重复性误差可能会小很多，Loran-C对于船舶的相对导航和安全还是有用的。eLoran是一个改进的版本，能利用相同的发射机站点和大部分现有的Loran-C基础设施提供更好的定位精度。
　　eLoran信号的优势之一是传播能力，它不像大部分其他PNT信号一样受到视距限制。因此，eLoran信号可以穿透到室内环境。通过计算任意一对信号的到达时间差，可以将来自eLoran发射站点的信号用于授时。和其他PNT系统一样，如果使用更多来自不同发射机的信号，eLoran的精度和性能会得到提升。eLoran信号所能提供的覆盖程度取决于安装发射塔的站点数量。
　　即使未利用差分校正的优势，eLoran也能提供精度优于1微秒精度的时间传递。如果有提供差分校正的参考接收机网络，时间传递精度将优于100纳秒。差分校正支持大约20米的定位精度，甚至有一种模型可优于10米。
　　eLoran已在许多国家大量部署。通过与其他欧洲国家合作，英国和爱尔兰的灯塔管理总局（GLA）实现了一个eLoran网络，希望与欧洲其它国家开展合作。GLA发现，eLoran可以支持30~50米的海上导航精度。然而，法国、挪威、德国和丹麦政府认为，eLoran网络的优势不足以证明其成本合理，因此关闭了其发射机，最终导致GLA也放弃了该项目。不过，沙特阿拉伯目前已升级了其5个Loran站点，使其具备e-Loran能力。据报道，印度也有兴趣升级其6个Loran站点，并有可能扩大网络。出于对GPS干扰的担忧，韩国正在寻求一种用于港口管理的eLoran系统，目前正在进行测试，但尚未达到初始运行能力。
　　对于eLoran而言，与GNSS备选方案不同，其接收机技术并没有被广泛集成到设备中，一些用户系统仍需要进行大量技术开发来集成eLoran。目前，虽然出现了微型化趋势，但接收机还不够小，无法集成到智能手机中。因此，当前技术仅适用于对尺寸不太敏感的应用，例如，一些关键的基础设施授时需求。
　　因此，为了能让eLoran更好地发挥作用，降低GPS中断和恶化带来的风险，政府需要进行大量的投资和推广。发射机站点必须到位，并得到维护。此外，虽然eLoran不会像卫星系统那样受到天基威胁，但仍会面临一系列地面大自然的影响和敌对威胁。使用较少的eLoran塔可将基础设施成本降到最低，如，用该系统进行授时而不是定位只需要4个站点，但这也将提升地面威胁的风险。而鉴于对特定接收机设备的需求，许多用户需要购买新的接收机，且接收机较为昂贵，这也将增加用户成本，致使某些类用户不会采用这一方式。
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　　卫星时间与位置（STL）技术
　　铱星星座由72颗低地球轨道通信卫星组成（66颗工作卫星和6颗备用卫星，在6个轨道平面上）。该星座的主要任务是在全球范围内提供商业移动话音和数据通信，但最近也开始用于发射PNT信号。通过与Satelles和其他公司合作，可以从LEO提供一种独立于GPS的PNT解决方案——＂卫星时间与位置＂（STL），STL是一种基于订阅的产品，可向客户提供用户设备和服务支持。
　　铱星的发射频率与GPS信号不同，但并不是在完全不同的频段上，并且使用了更加聚焦的发射几何布局，其地面信号功率比GPS强得多，不易干扰。然而，其定位和授时精度较低。据了解，STL的定位精度为30~50米，授时精度为200纳秒，而典型GPS性能为约5米和20纳秒。此外，作为一个天基系统，STL在自然、网络和国家安全威胁方面仍将面临与GPS相同的风险。
　　铱星系统不需要政府投资基础设施。其主要挑战在于用户采用方面的限制——主要是服务订阅成本问题。其目前的用户采用程度无法评估。据该公司称，许多行业和政府用户已经在使用这项服务，实现了更鲁棒的PNT解决方案。与eLoran一样，STL目前的设备还不够小，无法集成到尺寸要求高的应用中，但随着进一步的发展，可能会进一步小型化。
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　　大都市信标系统（MBS）
　　NextNav公司开发了一种地面信标系统——＂大都市信标系统（MBS）＂，为覆盖区域内的移动设备用户提供精确PNT信号。MBS系统可在GPS信号不可靠的情况下（例如在城市峡谷地带）作为补充PNT源，或是在GPS信号太弱而无法穿透的地方（例如室内）提供主要PNT能力。这项技术在地面提供了一种比GPS卫星信号强得多的信号，可提供精度优于10纳秒的信号授时。因为对于地面系统来说基于测距信号的垂直精度通常很差，所以NextNav通过信标中传感器和用户设备之间的压差测量方法来确定高度。该公司表示，室内定位垂直精度为1~2米。
　　NextNav公司表示，MBS系统已经安装在几个大都市地区进行演示（包括在旧金山湾区的＂商业级＂部署，以及在39个其他大都市地区的＂初期建设＂），具有5~10米的水平精度。像其他地面系统一样，该系统要实现全美覆盖需要广得多（也更昂贵）的基础设施投资，而系统实现相关基础设施成本目前尚未公开。
　　NextNav公司也关注到了应急响应人和911紧急呼叫系统的需求。美国传统的911系统可以随时将呼叫连接到某一特定地址，帮助调度和响应，但随着许多人从有线电话转为使用移动电话，从移动电话拨打911带来了新挑战。为了解决这一问题，＂增强型911＂（E911）计划将致力于使911系统现代化，利用移动定位数据定位呼叫者。MBS能够在城市环境和室内提供楼层级定位精度，非常有利于自动向911调度员提供呼叫者位置。E911相关工作已是FirstNet项目的一部分，该项目的主要承包商AT&T将解决第一响应人的通信和其他需求。AT&T和NextNav也已经达成意向，为FirstNet增强型定位技术提供z轴能力，同时也希望能推出商业服务。双方决定在FirstNet项目中实施人口稠密区域的系统部署，解决城市建筑环境中的E911能力和第一响应人定位问题，这也有利于为这些区域中的其他用户提供补充PNT覆盖。
　　与多GNSS信号的情况一样，支持MBS的移动处理器正在集成到商业化移动设备中，这些设备的快速更新将意味着用户在短期内就能使用，而消费者无需支付或只需支付很少的费用。
　　尽管将这一方案扩展到FirstNet领域之外所涉及的政府成本相当可观，但最终决定将取决于对FirstNet系统的成本和性能评估。当然，随着使用这些信号的能力已经被集成到用户设备中，使用推广的成本将会很低。
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　　Locata系统
　　澳大利亚Locata公司开发了一种向本地专用接收机提供PNT信号的地面信标系统。该系统可以在不使用原子钟的情况下，在发射机之间提供厘米级定位精度和低于1纳秒的授时同步。Locata使用与WiFi发射器相同频段的专有信号，在信号阻碍和干扰方面的表现也与WiFi相似。该系统由多个发射信标组成。Locata公司的初衷是开发一种能在GPS受阻或降级的环境中（如深谷、露天矿山、森林地区以及城市和室内环境）提供定位服务的系统，目前该系统已用于仓库、矿山、政府设施、机场和海港等地，可作为GPS备份，且能提高可用精度，特别是在物流应用方面。
　　Locata的工作频段不同于GPS，干扰该系统所需要的设备不同于单独攻击GPS的干扰机。作为一种地面系统，它不会面临与天基系统相同的风险，但会受到地面威胁和危险的影响。与其他本地安装的系统一样，该系统对美国国家层面PNT鲁棒性和韧性的贡献度将取决于其实施的广度，且基础设施成本将随着实施广度而增加。
　　徕卡等公司已经开发出了一体化用户设备，可同时作为Locata和GPS的接收机，但目前还没有能与消费级用户设备集成的标准化Locata微处理器，比如像多GNSS芯片和NextNav公司的MBS系统那样。此类开发可能会进行，但目前LocataNet的部署通常需要用户购买系统的所有部分，这对用户使用来说是一大障碍。如果系统要大范围推广，所需的政府成本就会很高。
　　在美国空军白沙测试靶场的演示验证中，Locata能够以高垂直精度跟踪高空飞行器。为了帮助评估Locata是否能支持一些精确着陆的应用，一支名为HSOAC的团队模拟了与白沙靶场类似的包含10个发射机的Locata系统性能。
　　根据发射机的几何布局，可以在不同的高度预测垂直精度衰减因子（VDOP）。模拟过程中，发射机的位置是在3000英尺范围的山上，水平位置用黑色的X做标记。可以预测，当在高于平均海平面（MSL）的2万英尺高度时，在发射机间的大部分测试范围中，LocataNet的VDOP为2~3。这也被一份性能测试报告所证实。根据该报告，位于2.5万英尺的飞行器的VDOP为2.7，垂直均方根（RMS）误差为15厘米。如果飞行器的高度降低，VDOP会变高，因为地面发射机的几何布局不利于确定垂直位置。靠近地面时，VDOP通常会超过25，而垂直均方根误差会大于1.5米，95%的误差会大于3米 。
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　　伪卫星
　　伪卫星指的是使用与GPS或其他GNSS系统相同的信号结构在同一载波频率上播发与现有GNSS用户设备兼容信号的地面接收机。伪卫星出现的一个关键原因是室内PNT服务无法使用天基信号。伪卫星的信号强度比正常的GNSS信号高很多，因此抗干扰能力也强得多。伪卫星发射机所具有的地面几何布局使其水平定位与天基PNT系统几乎一样精确，但垂直定位略差。一些伪卫星概念还可以使用软件定义无线电和其他商业可用设备以相对较低的成本实现。不过，伪卫星可能会对天基GNSS信号造成干扰。
　　目前，基于GPS/GNSS载波频率的伪卫星架构尚未商业化。事实上，发射干扰GPS的信号是非法的。因此，任何伪卫星架构在成为备份选项之前，都将面临证明其与GPS兼容的艰巨任务。
　　二、机会信号
　　机会信号（SoOP）定义为非用于导航的射频信号，包括调幅/调频广播电台、数字电视、WiFi、蓝牙、RFID和蜂窝电话等。SoOP的优点是：（1）无处不在；（2）与GPS相比，大多功率较高，因此干扰相对较难；（3）许多信号可以穿透建筑物或在室内环境中可用；（4）像手机这样的普通用户设备已经可以接收到许多这类信号。将SoOP信号用于PNT的缺点是：（1）由于它们不是为PNT设计的，因此PNT精度可能比GPS差；（2）只有在发射机位置已知情况下，才可能用于定位；（3）这类信号并不是随处可用。
　　苹果和谷歌以及第三方提供商（如Skyhook Wirelss公司）一直维护着各自的发射机位置地图，以帮助定位。这些＂导航云＂在很大程度上可以通过从智能手机和平板电脑发回给操作系统提供商的众包数据来维护。
　　软件无线电（SDR）可以最充分利用处于射频频谱上的发射机。可利用数据分析方法推断并不断改进关于发射机位置的知识，用户可以在GPS不可用时获得这些信息。这可能会引发用户隐私问题，但在技术上是合理的。
　　以下讨论一些主要的机会信号。其中，WiFi、LTE（4G）蜂窝服务和5G蜂窝服务与陆基PNT最为相关，而中频差分GNSS和自动识别系统（AIS）则与海上导航有关。
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　　WiFi/无线局域网（WLAN）
　　无线局域网（WLAN）通常基于WiFi信号。WLAN无处不在，许多家庭和商业机构都有。智能手机会检测到WLAN，即使它是无法访问的安全网络。这种信号的范围从几十米（简易家庭安装）到更长距离（更强大的扩展网络）。有报告称，利用它实现精确到3~4米的测距是可能的。典型用户设备上的WiFi定位精度高达2.5米，但更常见的是10~20米。
　　由于大量用户设备已经可以使用WiFi信号，因此采用这种方法的主要挑战就是维护发射机位置数据库。如上所述，苹果和谷歌通过使用来自智能手机的众包信息来维护这种＂导航云＂，从而在同时检测到多个WiFi和WLAN信号的环境中，能为用户提供与GPS相当的位置和导航知识。虽然这通常依赖于通过GPS建立的WiFi发射机位置信息，但该位置不太可能改变。
　　WiFi和WLAN备选方案通常可以提供与GPS相当的定位和导航服务，普通用户设备只需做较少修改或无需修改。这对于手机来说尤其有吸引力，而手机是目前最大的一类接收机。此外，这些信号在城市和郊区普遍存在，甚至在室内也是如此，但农村地区的部署不够密集，无法用于定位。WiFi是否能支持时间传递尚不清楚，就目前而言，可以假设不支持。这些地面系统技术面临的威胁和危险与天基系统不同，其扩散性意味着攻击者很难使系统无法工作。当然，系统可能受到局部干扰，但在大面积区域内并不容易。这一方案也无需政府承担任何费用或进行投资。
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　　LTE（4G）蜂窝
　　LTE是美国市场中常用的4G蜂窝电话技术。根据国际电信联盟标准，LTE基站应在±1.5微秒范围内与世界协调时（UTC）保持同步。当基站可以访问GPS信号时，这很容易维护。这种同步程度允许用户从LTE信号中推断位置数据。与GPS信号一样，手机等用户设备根据来自不同基站信号的到达时间差来确定它们的位置。据报道，LTE通常能够提供几十米的定位精度，也可能使用信号强度的测量方法。基站固有的时间不确定性决定了时间传递的质量，用户可以将时间保持在世界协调时的±1.5微秒范围，只要基站将时间保持在这一精度。
　　作为GPS的地面替代方案，4G LTE可能对PNT应对广泛威胁时有所帮助，只要基站同步对于基于时间的定位来说足够就可以。在出现故障时，这仍然可行，即使故障可能持续数月。只有对非常长的故障期，定位和导航才会最终降级到无法使用。此外，这些信号无处不在，甚至比WiFi更普遍，还延伸到了许多（尽管不是所有）农村地区。出于商业运营原因，LTE服务由无线通信提供商维持服务（如修复在地面事件中受损的塔），因此在没有政府支出的情况下，其PNT功能也能得到支持。
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　　5G蜂窝
　　虽然5G蜂窝电话的标准还未完全建立，但仍有一些特征可以预见。考虑到5G的技术性质，预计将有密度高得多的发射机节点与用户设备连接。这样，设备就能用5G信号在1米或更短距离内定位。这比现在单独使用GNSS系统要好很多。目前，定位和跟踪的计算是在用户设备还是提供商设备中进行尚未做出决断。和4G LTE一样，对于5G网络的同步需求也有望在整个网络中控制到±1.5微秒范围，邻近节点的同步可能还要好得多。因此，在没有GPS或GNSS的情况下，基于5G的定位和导航可能会持续很长时间。在GPS或GNSS中断后，同步质量可能会缓慢下降。
　　5G的实现已经在进行中，美国可能会在未来几年进行5G基础设施的第一批大规模部署，这可能会满足许多关键基础设施行业的PNT需求。其中，有可能出现的问题是5G是否会在偏远地区提供，在那里提供商可能缺乏足够动力对密集的发射机网络进行投资。
　　作为GPS的地面替代方案，5G可以应对更广范围的威胁。只要基站同步足够，授时同步可以传递到5G小区，5G就可以提供优于GNSS和GPS的定位和导航服务。此外，即使5G小区降级，之前所述的4G LTE网络也可持续运行数月。
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　　中频差分GNSS（MF-DGNSS）及其他信号
　　中频差分GNSS（MF-DGNSS）通常用于为GNSS发送校正和完整性信息，以一种测距模式运行，可与其他现有机会信号（如AIS）一起使用。研究人员在欧洲北海地区利用MF-DGNSS、AIS和一部eLoran发射机进行导航。在北海大部分地区单独使用MF-DGNSS，白天可达到的精度优于10米，但到夜间精度就会降低，仅为白天的十分之一。而仅使用AIS信号就能在海岸附近提供10米的位置精度，在那里，AIS发射机处于视距范围内。这三种信号的组合表现最好，在海岸附近的精度优于10米，在北海中心的精度至少达到100米。