GPS拒止环境下的定位.导航和授时(PNT)解决方案

本文由大国重器（ID:ElectronicComponent）授权转载，作者：长青

GPS拒止环境下的新型导航技术

在全球定位系统（GPS）拒止环境下，定位、导航和授时（PNT）能力至关重要。士兵依赖美军导航卫星测时测距（NAVSTAR）全球定位导航系统（GPS）和全球导航卫星系统（GNSS）实现军事任务，但正面临越来越密集的干扰和欺骗攻击。数年来，军事团体持续呼吁寻找多种PNT方法来补充和支援GPS，实现在GPS拒止环境下的不间断工作，出现了一些极具前景的方案。

GPS持续改进

GPS技术持续在接收前端部分做出改进，如将在2018年前使用M-Code（更严格的军用信号）以改进使用GPS的军事导航的安全性和抗干扰能力；减少尺寸、重量、功耗，并降低成本（SWaP-C）；在GPS接收机中包含惯性测量单元（IMU）。

GPS拒止因素

无能力接收GNSS信号可由多种因素引起，包括无法获取来自陆地的信号、干扰、欺骗攻击，或发生可能性不大的灾难性GNSS失效事件。

干扰

加拿大NovAtel军事和国防部商业发展主任Peter Soar表示，GPS干扰“包括平台上的其他系统有意或通过代理利用功率干扰GNSS接收机。我们知道，每天在乌克兰或朝鲜半岛大量使用干扰。由于廉价、公开可用的‘个人保护干扰发射机’被大量误用，这变成一个非常令人讨厌的事情。”

问题糟糕到什么程度呢？从一个小点来看，根据韩国国土交通部报道，从2010年起，确信来自朝鲜的GPS干扰已经影响了2100余架飞机。这种恶意攻击导致移动手机失效，中断依赖GPS导航的空中交通和航船。北大西洋公约组织（NATO）正将军队迁到波罗的海，而且“毋庸置疑”地将采用高功率GPS干扰，通常能以光方式在数十公里外对GPS接收机实施影响。

以NovAtel的抗干扰技术为例，这是一个零形成（null-forming）系统，能够保存GPS卫星天线的视角，同时忽略干扰机，以保证卫星型号能够计算出其精确位置和可用时间；可提供了40dB的干扰抑制，不依赖于接收机等系统其他部分的抗干扰能力，意味着与没有该技术相比，离干扰机的安全距离近了100倍。

欺骗

除了干扰，欺骗也是另一个影响GPS的方法，包括使用假信号欺骗GNSS接收机，无论重新拨发或产生。Soar表示：“显然，欺骗的后果很严重，但是很多技术门槛必须要克服才能成功欺骗一个采取良好保护措施的PNT系统。如果你担心被欺骗，至少可以使用一个带有密钥的军用接收机。”

其他使得欺骗工作变得更困难的措施包括“采用多个星座的多个频率、选择性可用反欺骗模型（SAASM）或M码，或者增加一个紧耦合、无法被欺骗的惯性导航系统。”

不幸的是，要给所有的系统加密并不总是件容易的事情。Soar解释道，“例如，很多军用无人机通过使用混合系统来降低尺寸、重量、功耗和成本，即可能使用一个SAASM接收机实现通用工作和保护，但同时也使用一些非加密接收机。因为完全使用SAASM的接收机成本太高了，而且只能从SAASM接收机中获得6米的精度，无法提供你能够从GPS实时测量中获得的精度。”

目前，NovAtel、Rockwell Collins、Geodetics和TAG都在以其独有的方式，使用用于提升从基于卫星定位系统中读取定位数据精确度的技术，使带有SAASM板的混合接收机能够支持实时测量。

Soar表示，“很有意思的是，我们的产品已上市数年，直到去年市场占比都很稳定。现在似乎是国防部内部一些人采取坚定立场，并说必须停止使用带有开放信号接收机的飞机，必须安装一个SAASM。我们看到对SAASM和抗干扰技术的兴趣快速增加。”

GNSS失效

至于在灾难性GNSS失效方面，尽管可能性很低，Soar指出，这没有办法排除。感谢地是，在GNSS星座的扩大和他们增长的可靠性显著减少整个失效。

IMU辅助GPS

IMU正获得国防部的大量关注，作为在GPS拒止环境下的固态支撑性解决方案。霍尼韦尔和诺格现正和国防先期研究计划局（DARPA）一起在“武器装备导航级惯性测量单元用精确稳定惯性指引”（PRIGM:NGIMU）项目下研发先进IMU。

DARPA微系统办公室项目主任Robert Lutwak博士说，PRIGM:NGIMU项目的目标是“研发一个基于微机电系统（MEMS）的导航级IMU，具有机械/电结构，能够插拔替代现有老旧国防平台中的战术级IMU。PRIGM项目同样需要“先进惯性微传感器（AIMS）基础研究。PRIGM:AIMS将探索替代技术和商品来实现惯性感知，包括光电和MEMS-光电集成，以及全新架构和材料系统。”

最终，PRIGM:NGIMU希望“为未来研发高性能惯性传感器发现具备前景的候选技术，满足长航时任务和在极端环境中的部署”。作为该研究的一部分，霍尼韦尔正在改进其MEMS HG1930 IMU的性能，在保持尺寸、重量和功耗的同时，将性能提升3个数量级，如下图所示。

图为霍尼韦尔封装的MEMS陀螺仪传感器

霍尼韦尔航天部产品市场经理Chris Lund说：“当GNSS信号可用时，是一个杰出的辅助源，但容易受到超低功耗的损害。一个平台依赖外部信号越多，越容易受到干扰。这对于必须作战等需要持续工作的应用领域是不可接受的。”

这就是为什么需要那些不依赖GNSS信号的解决方案来保证持续工作，如惯性传感器和非GNSS辅助源。Lund补充道，“惯性传感器的主要好处之一是他们无法被干扰或欺骗，因为他们不依赖外部信息。未来，如果一个平台能够利用已经在板上的硬件，如高度计和相机，就可以只升级软件来实现替代导航方案。”

其他辅助GPS的备选方案

很多GPS拒止环境下的辅助方案都正在探索，包括但不限于TIMU、eLoran、EPLRS、基于非GPS的定位、量子IMU等。例如，霍尼韦尔正在研究多种备选方案来辅助GNSS，包括视觉辅助、共同辅助、天体辅助、陆地辅助导航，使用多种信号。Lund说，“这些目标是允许我们的客户能够持续工作，即使在GNSS信号不可用时也不会降低任何性能。”

定时和惯性测量单元（TIMU）

DARPA正致力于发展小型定时和惯性测量单元（TIMU）以支持GPS，包括个人追踪、手持导航、小尺寸军火和小型机载平台。DARPA的项目主任Lutwak说：“我们TIMU的目标是研发一个基于MEMS技术的战术级IMU，包括同时集成三个陀螺仪和三个加速度计，并实现前所未有的SWaP-C性能。随着我们TIMU工作的暂告一段，DARPA正在和国防部其他部门合作来实现技术转移。”

eLoran

美国国会最近通过了一个法案来探索研制GPS的替代方案，可能包括复原eLoran网络，该原始Loran-C导航系统于2010在北美退役。因此一个改进的系统（如eLoran）可能是一个激发兴趣的先进技术，因为它不同于GPS，信号能够达到地下、水下和楼内。尽管无法提供GPS相同的高度测量精度，eLoran难以被干扰，将是GPS非常好的补充。

EPLRS

美国和加拿大军队正在使用提升位置定位和记录系统（EPLRS），这是一个安全、抗干扰计算机控制通信网络。Soar解释道，“这些系统能够持续收发带有位置数据的状态信息。如果被干扰，可以使用EPLRS基站之间的通信信号中的时间-距离到达技术，如果你已经得到了两个、三个或更多，你能够组成三角，但是这种方法相当粗糙，适用于对GPS的补充”。

不基于GPS的定位

澳大利亚的Locata研发出一个不基于GPS的定位系统，已经安装在美国空军的白沙导弹靶场，已被证实当GPS信号被彻底干扰时，能够在广大的沙漠地带提供“基准事实”定位。

工作方式。Locata完整的自主定位技术建立一个不依赖轨道卫星、小型、地基发射网络，类似一个具备地基GPS类型定位的复制品，在一块选定区域提供强有力的无线定位信号。因为它基于陆基，提供高强度信号，Locata的技术能够用在很多内部或外部环境中。需要注意的是，该技术并不是要替代GPS，而是提供GPS信号的局部扩展和延伸。它既可与GPS一同工作，也可在GPS不够强或彻底被干扰时独立工作。

量子IMU

原子或量子IMU正处于研发初期，看起来在真正使用前还需要数年时间。

霍尼韦尔正在致力于“原子惯性传感器”，目前处于研发的初级阶段。Lund表示，“这类设备使用原子作为惯性传感器，具有以极小的封装提供惊人高性能的巨大潜力”。

NoAtel使用最好的IMU设计和制造了GPS和GNSS接收器。Soar表示，“我们在研究IMU方面开展了大量工作，但还没有涉及量子IMU的研究，如果该技术准备好了，我们会知道的。”

回归初始

在这个节骨眼上，我们可能同样看到了对基础导航方式的回归。Soar举例说，“士兵不打算如他们过去所做的那样知道如何读图。很多国家都在解决这个问题，美国海军去年宣布引入了基于传统六分仪的导航技术，正在回归到过去流行的船只导航技术上，这种技术就无法被干扰。”但Soar也同时指出，“根本原因是目前还有没有任何技术能够提供类似GPS/GNSS所能提供的精度和长时间工作能力，以及全球可用性。如果替代方案可以达到，我们自然会用，但我们都还没有达到。”