導航|GPS拒止環境下的定位、導航和授時（PNT）解決方案
2020-10-18 大國重器高端電子元器件
在全球定位系統（GPS）拒止環境下，定位、導航和授時（PNT）能力至關重要。士兵依賴美軍導航衛星測時測距（NAVSTAR）全球定位導航系統（GPS）和全球導航衛星系統（GNSS）實現軍事任務，但正面臨越來越密集的幹擾和欺騙攻擊。數年來，軍事團體持續呼籲尋找多種PNT方法來補充和支援GPS，實現在GPS拒止環境下的不間斷工作，出現了一些極具前景的方案。
GPS技術持續在接收前端部分做出改進，如將在2018年前使用M-Code（更嚴格的軍用信號）以改進使用GPS的軍事導航的安全性和抗幹擾能力；減少尺寸、重量、功耗，並降低成本（SWaP-C）；在GPS接收機中包含慣性測量單元（IMU）。
無能力接收GNSS信號可由多種因素引起，包括無法獲取來自陸地的信號、幹擾、欺騙攻擊，或發生可能性不大的災難性GNSS失效事件。
加拿大NovAtel軍事和國防部商業發展主任Peter Soar表示，GPS幹擾「包括平臺上的其他系統有意或通過代理利用功率幹擾GNSS接收機。我們知道，每天在烏克蘭或朝鮮半島大量使用幹擾。由於廉價、公開可用的『個人保護幹擾發射機』被大量誤用，這變成一個非常令人討厭的事情。」
問題糟糕到什麼程度呢？從一個小點來看，根據韓國國土交通部報導，從2010年起，確信來自朝鮮的GPS幹擾已經影響了2100餘架飛機。這種惡意攻擊導致移動手機失效，中斷依賴GPS導航的空中交通和航船。北大西洋公約組織（NATO）正將軍隊遷到波羅的海，而且「毋庸置疑」地將採用高功率GPS幹擾，通常能以光方式在數十公裡外對GPS接收機實施影響。
以NovAtel的抗幹擾技術為例，這是一個零形成（null-forming）系統，能夠保存GPS衛星天線的視角，同時忽略幹擾機，以保證衛星型號能夠計算出其精確位置和可用時間；可提供了40dB的幹擾抑制，不依賴於接收機等系統其他部分的抗幹擾能力，意味著與沒有該技術相比，離幹擾機的安全距離近了100倍。
除了幹擾，欺騙也是另一個影響GPS的方法，包括使用假信號欺騙GNSS接收機，無論重新撥發或產生。Soar表示：「顯然，欺騙的後果很嚴重，但是很多技術門檻必須要克服才能成功欺騙一個採取良好保護措施的PNT系統。如果你擔心被欺騙，至少可以使用一個帶有密鑰的軍用接收機。」
其他使得欺騙工作變得更困難的措施包括「採用多個星座的多個頻率、選擇性可用反欺騙模型（SAASM）或M碼，或者增加一個緊耦合、無法被欺騙的慣性導航系統。」
不幸的是，要給所有的系統加密並不總是件容易的事情。Soar解釋道，「例如，很多軍用無人機通過使用混合系統來降低尺寸、重量、功耗和成本，即可能使用一個SAASM接收機實現通用工作和保護，但同時也使用一些非加密接收機。因為完全使用SAASM的接收機成本太高了，而且只能從SAASM接收機中獲得6米的精度，無法提供你能夠從GPS實時測量中獲得的精度。」
目前，NovAtel、Rockwell Collins、Geodetics和TAG都在以其獨有的方式，使用用於提升從基於衛星定位系統中讀取定位數據精確度的技術，使帶有SAASM板的混合接收機能夠支持實時測量。
Soar表示，「很有意思的是，我們的產品已上市數年，直到去年市場佔比都很穩定。現在似乎是國防部內部一些人採取堅定立場，並說必須停止使用帶有開放信號接收機的飛機，必須安裝一個SAASM。我們看到對SAASM和抗幹擾技術的興趣快速增加。」
至於在災難性GNSS失效方面，儘管可能性很低，Soar指出，這沒有辦法排除。感謝地是，在GNSS星座的擴大和他們增長的可靠性顯著減少整個失效。
IMU正獲得國防部的大量關注，作為在GPS拒止環境下的固態支撐性解決方案。霍尼韋爾和諾格現正和國防先期研究計劃局（DARPA）一起在「武器裝備導航級慣性測量單元用精確穩定慣性指引」（PRIGM:NGIMU）項目下研發先進IMU。
DARPA微系統辦公室項目主任Robert Lutwak博士說，PRIGM:NGIMU項目的目標是「研發一個基於微機電系統（MEMS）的導航級IMU，具有機械/電結構，能夠插拔替代現有老舊國防平臺中的戰術級IMU。PRIGM項目同樣需要「先進慣性微傳感器（AIMS）基礎研究。PRIGM:AIMS將探索替代技術和商品來實現慣性感知，包括光電和MEMS-光電集成，以及全新架構和材料系統。」
最終，PRIGM:NGIMU希望「為未來研發高性能慣性傳感器發現具備前景的候選技術，滿足長航時任務和在極端環境中的部署」。作為該研究的一部分，霍尼韋爾正在改進其MEMS HG1930 IMU的性能，在保持尺寸、重量和功耗的同時，將性能提升3個數量級，如下圖所示。
圖為霍尼韋爾封裝的MEMS陀螺儀傳感器
霍尼韋爾航天部產品市場經理Chris Lund說：「當GNSS信號可用時，是一個傑出的輔助源，但容易受到超低功耗的損害。一個平臺依賴外部信號越多，越容易受到幹擾。這對於必須作戰等需要持續工作的應用領域是不可接受的。」
這就是為什麼需要那些不依賴GNSS信號的解決方案來保證持續工作，如慣性傳感器和非GNSS輔助源。Lund補充道，「慣性傳感器的主要好處之一是他們無法被幹擾或欺騙，因為他們不依賴外部信息。未來，如果一個平臺能夠利用已經在板上的硬體，如高度計和相機，就可以只升級軟體來實現替代導航方案。」
很多GPS拒止環境下的輔助方案都正在探索，包括但不限於TIMU、eLoran、EPLRS、基於非GPS的定位、量子IMU等。例如，霍尼韋爾正在研究多種備選方案來輔助GNSS，包括視覺輔助、共同輔助、天體輔助、陸地輔助導航，使用多種信號。Lund說，「這些目標是允許我們的客戶能夠持續工作，即使在GNSS信號不可用時也不會降低任何性能。」
DARPA正致力於發展小型定時和慣性測量單元（TIMU）以支持GPS，包括個人追蹤、手持導航、小尺寸軍火和小型機載平臺。DARPA的項目主任Lutwak說：「我們TIMU的目標是研發一個基於MEMS技術的戰術級IMU，包括同時集成三個陀螺儀和三個加速度計，並實現前所未有的SWaP-C性能。隨著我們TIMU工作的暫告一段，DARPA正在和國防部其他部門合作來實現技術轉移。」
美國國會最近通過了一個法案來探索研製GPS的替代方案，可能包括復原eLoran網絡，該原始Loran-C導航系統於2010在北美退役。因此一個改進的系統（如eLoran）可能是一個激發興趣的先進技術，因為它不同於GPS，信號能夠達到地下、水下和樓內。儘管無法提供GPS相同的高度測量精度，eLoran難以被幹擾，將是GPS非常好的補充。
美國和加拿大軍隊正在使用提升位置定位和記錄系統（EPLRS），這是一個安全、抗幹擾計算機控制通信網絡。Soar解釋道，「這些系統能夠持續收髮帶有位置數據的狀態信息。如果被幹擾，可以使用EPLRS基站之間的通信信號中的時間-距離到達技術，如果你已經得到了兩個、三個或更多，你能夠組成三角，但是這種方法相當粗糙，適用於對GPS的補充」。
澳大利亞的Locata研發出一個不基於GPS的定位系統，已經安裝在美國空軍的白沙飛彈靶場，已被證實當GPS信號被徹底幹擾時，能夠在廣大的沙漠地帶提供「基準事實」定位。
工作方式。Locata完整的自主定位技術建立一個不依賴軌道衛星、小型、地基發射網絡，類似一個具備地基GPS類型定位的複製品，在一塊選定區域提供強有力的無線定位信號。因為它基於陸基，提供高強度信號，Locata的技術能夠用在很多內部或外部環境中。需要注意的是，該技術並不是要替代GPS，而是提供GPS信號的局部擴展和延伸。它既可與GPS一同工作，也可在GPS不夠強或徹底被幹擾時獨立工作。
原子或量子IMU正處於研發初期，看起來在真正使用前還需要數年時間。
霍尼韋爾正在致力於「原子慣性傳感器」，目前處於研發的初級階段。Lund表示，「這類設備使用原子作為慣性傳感器，具有以極小的封裝提供驚人高性能的巨大潛力」。
NoAtel使用最好的IMU設計和製造了GPS和GNSS接收器。Soar表示，「我們在研究IMU方面開展了大量工作，但還沒有涉及量子IMU的研究，如果該技術準備好了，我們會知道的。」
在這個節骨眼上，我們可能同樣看到了對基礎導航方式的回歸。Soar舉例說，「士兵不打算如他們過去所做的那樣知道如何讀圖。很多國家都在解決這個問題，美國海軍去年宣布引入了基於傳統六分儀的導航技術，正在回歸到過去流行的船隻導航技術上，這種技術就無法被幹擾。」但Soar也同時指出，「根本原因是目前還有沒有任何技術能夠提供類似GPS/GNSS所能提供的精度和長時間工作能力，以及全球可用性。如果替代方案可以達到，我們自然會用，但我們都還沒有達到。」
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