关于GNSS在海洋及航天等领域应用受到的三点挑战

文丨摘抄
《2019-2020 GNSS技术趋势蓝皮书》

全球导航卫星系统（GNSS）是确定商船的绝对位置、速度和时间（PVT）信息主要来源。在船桥上，电子海图和信息系统（ECDIS）、自动跟踪控制系统和自动识别系统（AIS）等许多系统都依赖于PVT。 

图.差分GPS系统用途概览

戈达德太空飞行中心（GSFC）的搜索和救援（SAR）任务办公室位于马里兰州格林贝尔特，正在与国际伙伴合作，完成下一代中地球轨道搜救（MEOSAR）系统的开发。《针对航天搜索救援活动基于GNSS系统的支持》一文中，研究人员探讨了MEOSAR部署的最新进展，应急定位信标中最先进的技术及其与国际社会的接轨情况，包括与联合国全球导航卫星系统国际委员会（ICG）的国际Cospas-Sarsat计划和全球导航卫星系统（GNSS）服务提供商的讨论。

现有的GNSS在海洋及航天等领域应用受到的挑战主要有三点:

（1）虽然海洋无线电信标服务自20世纪90年代末引入以来已经不断发展，但该方法相对简单，并且需要沿海岸的固定基础设施向几百公里内的用户广播校正信息。无论是在设备提供方面，还是在维护方面，提供这种广播信息都是价格昂贵的。使用单独的300kHz信道需要进行年度许可认证，且需要国际协调和多种特定接收设备。

图源 | www.gsa.europa.eu及forobs.jrc.ec.europa.eu

（2）由于空间天气的干扰和欺骗性，GNSS性能会严重降低，特别是低成本干扰器（所谓的个人隐私设备PPD）的使用，产生了如何在这种情况下实现PVT数据连续可用的问题。

分析：通常考虑用于该挑战的三种可能解决方案：i）地面备用系统的使用, ii）抗干扰GNSS接收器, iii）GNSS与其它车载自带导航传感器的集成。例如速度记录仪、陀螺罗盘和惯性传感器（惯性测量单元- IMU）。研究人员重点关注了（iii），并讨论是否有可能通过卡尔曼滤波器（KF）使用GNSS、惯性和多普勒速度记录（DVL）来桥接海上GNSS干扰攻击。

为了评估所提出的传感器融合方案在真实海上干扰攻击影响下的性能，研究人员在波罗的海的民用海上干扰试验台进行了试验，试验台与德国联邦网络管理局一起在Darß 岛屿以北约6海里处建立。将PPD干扰器安装在锚定船的甲板上，由一艘测试船在干扰机周围操控。使用多功能研究潜水船Baltic Diver II（长29米，横梁6.7米，吃水深2.8米）作为试验船，配备三个双频GNSS接收器，一个光纤陀螺仪IMU和一个多普勒速度记录器。所获得的结果证实，使用PPD干扰器产生的真实海上干扰攻击可以通过所提出的紧密耦合GNSS-IMU-DVL集成方案来解决，使水平位置误差小于10m。

（3）MEOSAR系统需要在飞机、船和用户终端携带SAR信标，用户在紧急情况下将广播一个或多个MEOSAR卫星跟踪信号。该信号被转发到专门的地面站以确定传输的位置，然后派遣救援人员。MEOSAR全面实施后，将在美国GPS、俄罗斯GLONASS，欧洲伽利略和中国北斗上进行托管。整个过程复杂且具有挑战性。

1.Lisa Mazzuca, James J. Miller, Anthony Foster, NASA; A.J. Oria, Overlook Systems Technologies, Inc. GNSS-based Search and Rescue Support to Human Spaceflight. ION GNSS+ 2019.