欧洲正从GNSS走向PNT

　　欧洲航天局新的导航负责人弗朗西斯科·哈维尔·本尼迪克托·鲁伊斯（Francisco Javier Benedicto Ruiz）对GNSS的现状和未来与《GNSS内参》杂志谈了他对卫星导航、信号脆弱性和认证的看法，以及该机构与俄罗斯的工作关系。伽利略认证服务背后的技术团队和开发替代定位、导航和授时解决方案的行业代表也分享了见解。

　　GNSS是当今定位、导航和授时的基础技术，每天为数十亿用户提供服务，并为各种重要的公共、私人、工业、商业和金融应用提供支持数据。因此，必须继续维护和发展GNSS的基本基础设施，如系统星座和地面段。与此同时，这些系统的固有缺陷已得到承认，欧洲实体正在采取行动，确保可靠和精准的PNT在所有情况下以及在越来越多的场景中仍然可用。应该看到，这是GNSS向PNT的过渡阶段必须要的条件和必须做的工作。

　　今年早些时候，本尼迪克托·鲁伊斯成为欧洲航天局（ESA）的导航主任，负责该机构导航项目的定义、规划和执行。谈到他的新职责，本尼迪克托·鲁伊斯说：“首先，我们需要继续使用伽利略和EGNOS提供服务。它们是欧洲全球导航卫星系统的主干，并且提供了卓越的性能。我们还需要继续改进系统，因此我们正在努力开发新的产品，以提高其稳健性并扩展其服务组合。”

　　具体地说，本尼迪克托·鲁伊斯提到了三个全球导航卫星系统项目，其中一个项目是正在对人们期待已久的伽利略公共监管服务（PRS）进行最后润色，他说，该服务的提供将很快开始。另一个项目是正在进行的第二代伽利略的研究开发。“我们在2022年为此做了很多工作，”他说。“它将在本十年的后半期提供扩展能力。”第三个项目是开发所谓的EGNOS V3，它将监测和增强伽利略以及GPS信号。欧空局能否做好这项工作，取决于其部长理事会是否会批准充足的预算，部长理事会每三年举行一次会议，讨论上述预算。下一次这样的讨论定于今年11月举行。本尼迪克托·鲁伊斯解释说：“会议涉及欧空局所有成员国的部委，他们可能会订阅不同的项目组成部分”。“今年，我们将开展一系列雄心勃勃的导航活动。” 他说，一个重要的因素将是拟议的导航创新和支持计划（NAVISP）的扩展，该计划本质上是一种为新的导航解决方案提供资金的机制，而不仅仅是使用全球导航卫星系统信号和数据。这可以包括发展具有竞争力的工业能力和新技术，以补充、升级或取代当前的PNT技术。

　　GNSS本身提供了宝贵的服务和数据，但GNSS信号微弱，无法穿过墙壁和其他物理障碍，容易受到有意和无意的电磁干扰。此外，包括空间卫星在内的许多GNSS物理基础设施都没有受到保护，因此容易发生事故或应对蓄意的敌对行动。“我们非常担心我们的全球导航卫星系统资产及其提供的服务的脆弱性，”本尼迪克托·鲁伊斯说。“因此，欧空局建议部长理事会提供必要的手段来保护我们的空间资产。卫星导航系统在全球范围内是一个不断增长的市场，渗透到所有应用领域。它是作为关键服务嵌入的一部分，因此卫星导航系统必须工作。”他继续说：“我们将推动一系列举措，其中之一是建立欧洲近地轨道卫星导航基础设施，解决新频段问题，以补充主干全球导航卫星系统，但也提供替代卫星导航方式。我们非常关注信号的弹性、潜在干扰、骚扰和欺骗，在这方面，我们也在开发伽利略认证服务。”

　　OSNMA更新。伽利略开放服务导航电文认证（OSNMA），旨在保护伽利略信号免受欺骗攻击。OSNMA开发计划，包括GNSS信号认证协议的定义、接收机逻辑和修改的密码协议和功能。初始服务计划于2023年推出。欧盟太空计划署（EUSPA）的市场下游和创新官员弗拉维奥·斯巴德拉蒂（Flavio Sbardellati）说：“OSNMA是伽利略的一个独特之处，它明确地满足了用户对更强大和可靠的全球导航卫星系统解决方案的需求。”。“对于各种应用程序，用户将能够验证导航电文是来自真正的伽利略卫星还是来自潜在的恶意来源。”许多GNSS设备制造商已经拥有具有OSNMA功能的原型接收机，包括u-blox、意法半导体、弗劳恩霍夫、奥罗里亚、Septentrio、Spirent和其他等等。此外，一些智能手机GNSS芯片制造商正在向应用层提供连续导航比特流，从而在智能手机中实现OSNMA数据认证和信号回放检测功能。斯巴德拉蒂说：“OSNMA是实现应用程序所需整体安全性的重要因素，但预计在大多数用例中，它将与其他基于接收机或外部技术结合使用，以降低欺骗攻击成功的可能性，从而提高PNT级别的整体安全性。”一个受监管的应用的智能数字行车记录仪，旨在提高欧盟道路的安全性，已经被授权使用OSNMA。

　　“其他相关应用包括物流，例如交付证明、保险远程信息处理、道路用户充电、资产/车队管理、自动驾驶、能源、金融和电信网络的定时和同步”，“还有其他方面，如支持农业领域的上限政策。此外，如果开发使用概念以确保与大众市场解决方案兼容，移动支付和物联网等其他应用程序可能会采用OSNMA。”EUSPA服务设计工程师佳维尔 西蒙提供了更多的技术细节，他说：“OSNMA验证了伽利略导航电文的不同元素。”特别是，在OSNMA测试阶段，正在测试以下验证类型：ADKD0型，用于伽利略I/NAV轨道和时钟校正数据；ADKD4型，用于Galileo GST-UTC和GST-GPS转换参数；ADKD12型，用于针对同步要求低的接收机的伽利略L/NAV数据和时钟校正数据。“对于这些认证类型，”西蒙说，“正在监测认证数据的可用性和标签认证的成功率，并在伽利略系统公共性能报告中加以报道。他说：“OSNMA的最终目标是为用户提供身份验证功能，相对于未应用OSNMA系统的用户而言，不会降低PVT解决方案的性能。”。“已确定并正在为服务提供阶段开发若干演变。”例如，将进一步改进通过欧洲全球导航卫星系统服务中心（GSC）交付公共密码材料的接口，通过空间信号（SiS）提供适用的公钥，以更好地支持非连接设备，并优化用户性能，即使用经过验证的数据首次定位的时间。西蒙说：“按照测试阶段OSNMA接收机指南的规定，用户端处理OSNMA的主要要求不会改变，这意味着密码材料和功能的时间同步和完好性。”欧洲委员会伽利略认证和高精度经理伊格纳西奥·费尔南德斯（Ignacio Fernandez）自伽利略OSNMA提出以来一直是其背后的驱动力。他说：“考虑到我们尚未投入运营，测试ICD仅在几个月前发布，我们的观点是，市场占有率正在良好发展。”同时，一些接收机根据功性能指标、信号质量或测量一致性，使用当前未经验证的GNSS信号，巧妙地开发了反欺骗功能。费尔南德斯说：“我们认为OSNMA是对这一点的补充，相对容易实施”。“因此，这应该是朝着正确方向迈出的明显一步：我们现在使用的大多数数字信息都经过身份验证，因此全球导航卫星系统未经身份验证的数据是一个例外。所有受益于卫星导航的应用程序，如GPS或其他全球导航卫星提供的当前军用信号，都将受益于OSNMA。

　　演示验证替代PNT（AltPNT）。2020年，欧盟委员会发布了非GNSS PNT技术演示招标。这些将完全独立于全球导航卫星系统，与该技术没有共同的故障点。该倡议类似于美国交通部在2020年组织的倡议。欧盟倡议的结果于5月在伊斯普拉的联合研究中心（JRC）上公布，该倡议向包括美国在内的欧盟以外的公司开放。JRC的PNT和GNSS弹性专家卢卡斯·博南伯格（Lukasz Bonenberg）在活动上说， “我们目前在社会上看到的是对全球导航卫星系统的过度依赖。我们需要一个备用系统，以便在发生故障时做好准备，以提高欧盟经济的弹性。开发和实施此类技术也有潜在的经济利益。招标的目的是帮助我们更好地了解能够提供定位的成熟技术独立于GNSS的授时和/或定时信息，对GNSS故障模式和漏洞具有弹性。解决方案应能够覆盖所有欧洲领土，包括陆地水域，并在可能的情况下，将PNT条款扩展到全球导航卫星系统无法提供的环境。”除了演示他们的系统外，参与者还深入描述了支持技术和环境以及许可要求，并报告了在欧盟部署技术的成本和时间表细节。JRC是布鲁塞尔和卢森堡以外最大的欧盟设施，为演示提供了一系列室内和室外测试平台。选定的参与者包括OPNT、Seven Solutions、SCPTime、GMV、Satelles、Locata和NextNav。

　　OPNT联合创始人Marco Gorter介绍了其位于阿姆斯特丹的公司的时间和频率解决方案，该解决方案在现有的光学基础设施上使用了白兔技术。白兔（White Rabbit）本质上是以太网的扩展，在1Gps以太网上提供亚纳秒同步。许多的时间网络同步解决方案使用能够使用第二代精确时间协议（PTPv2）分配时间的电信设备，该协议参考GNSS定时接收机，用于跟踪协调世界时（UTC）。欧洲核研究中心（CERN）开发的白兔协议大大改进了PTPv2，允许亚纳秒网络同步，其精度和可靠性超越GPS。OPNT白兔/PTPv2解决方案将核心和城域核心网络转变为“精准”UTC的分布式源。“我们相信，我们已经证明了在远距离传输时间和频率的能力，精度优于1纳秒，”Gorter说。“我们可以在故障情况下在时间源之间进行无缝切换，检测出不符合规格的时间源，并切换到有效的时间源。我们可以通过监测无线电信号来监测和纠正具有漂移的时间源设备，其精度优于正负200纳秒。”SCPTime是法国对血腥计时的衍生产品。该公司首席运营官Sebastien Teot介绍了一种新的、经认证的、精确的和可追踪的全球时间信号：“我们可以通过与法国国家计量研究所设计并与合法UTC链接的独特架构来传递此信号”。JRC Ispra的OPNT测试侧重于计时精度。Teot还介绍了在法国进行的测试，该测试提供了该国SCPTime基础设施的更全面的视图，以及网络弹性和SCPTime定时服务可用性。当全球导航卫星系统24小时不可用时，SCPTime解决方案显示漂移小于1?s。当全球导航卫星系统14天不可用时，观察到的漂移为35.9?s。在巴黎和格勒诺布尔进行的弹性和网络监测测试证明了定时服务在网络故障或设备故障的不同场景中的连续性。“我们的管理系统界面允许从UTC到最终用户设备的时间信号的完全可追溯性，并记录了端到端传输的数据记录，”Teot说，“因此这可以成为安全可靠时间的关键促成因素。”NextNav负责网络运营和部署的高级副总裁大卫·克努森（DavidKnutson）为其美国公司的TerraPoiNT（所谓的地面GPS）做了系统陈述：“我们的地面广播信标提供广域、宏或校园覆盖。我们抗欺骗和干扰，信号强度是GPS的10万倍，我们提供加密信号。TerrPoiNT独立于GPS，我们拥有内置原子钟，能够与绝对时间源自同步达纳秒同步。”NextNav已经拥有一些知名的合作伙伴，包括美国宇航局，该局在兰利研究中心雇佣TerraPoiNT作为特定项目的一部分，支持无人机和城市空中机动性测试。TerraPoiNT以最低或零成本集成到GNSS/LTE/5G芯片组中，并且频率灵活。在JRC上，使用三个信标并仅对时间同步和z轴垂直定位进行测试，NextNav在整个测试中证明了在网络和终端接收器上15 ns（ 90%的时间内）的定时稳定性，以及在+/-1m （90%时间内）的垂直定位精度。另一家美国公司Satelles正在开发一种称为卫星定时和定位（STL）的PNT服务，该服务基于低轨卫星。Satelles首席执行官迈克尔·奥康纳（MichaelO'Connor）表示：“低轨卫星距离地球的距离是典型的中地球轨道（MEO）全球导航卫星系统（GNSS）卫星的25倍，它们发出的信号强度是1000倍。这种高信号功率使我们能够深入到室内GNSS无法到达的地方。”提供信号的卫星由铱星公司拥有和运营，卫星公司与铱星公司有独家合作关系。与MEO系统相比，低轨卫星具有不同的操作特征和性能特征。它们以高达27000 kpm的速度行驶，由于多普勒效应导致载波频率变化。基于LEO的解决方案本质上是全球性的，能够为地球上的每一个地点带来精确的计时和2D与3D定位。即使在全球导航卫星系统信号较弱的两极，极地轨道也能确保真正的全球覆盖。由于快速通过的轨道，天空中的视角不断变化，使得信号能够到达具有挑战性的位置接收机。“STL的评级为TRL9，”O'Conner说，“这是最高的技术准备水平，并已得到美国交通部和其他权威机构的验证。”不用说，在Ispra的测试活动表明，Satelles系统在室内和室外计时和定位试验中表现非常出色。总的来说，JRC试验表明，有一系列替代PNT技术解决方案可供部署，和/或已成功部署为全球导航卫星系统的备份系统。我们只需要进行选择。

　　其他战区。回到欧空局话题，本尼迪克托·鲁伊斯谈到了导航部分的更多问题和优先事项。他说：“另一个新的节目是Moonlight，它引起了很多人的关注。”。“这是关于将导航带到月球的问题。有一个非常重要的国际合作层面，特别是与美国宇航局的合作，但我们对与其他太空机构的合作以及将在未来月球经济框架内运作的私人倡议持开放态度。”尽管英国已脱离欧盟，但它仍是欧空局导航的核心合作伙伴。本尼迪克托·鲁伊斯说：“我认为英国不再是欧盟的一方，这是一个巨大的遗憾。”。“在我看来，这对欧盟来说是一个巨大的损失。这确实会对他们参与一些欧盟战略项目，尤其是伽利略计划产生影响。”欧空局必须在欧盟成员国发展新的能力，复制以前在英国所做的一些工作。本尼迪克托·鲁伊斯（BenedictoRuiz）说：“这已经过去，现在我们展望未来。”。“英国是欧空局的一个非常强大的成员，也是一个非常重要的战略伙伴。我们的欧空局欧洲空间应用和电信中心（ECSAT）英国也是NAVISP计划的主要赞助者，并将很快设立一个国家PNT办公室。我们期待着通过PNT办公室进行非常密切的合作。英国工业集团以及诺丁汉大学等大学的竞争力都非常出色。SSTL（萨里卫星技术）当然是空中客车集团的一部分，我们与该集团合作得很好。”SSTL成立了一家分支公司，专门从事月球探索，并与欧空局合作开展月球探路者项目，该项目将在2025年的时间框架内首次搭载全球导航卫星系统接收机。“我们将演示在月球周围接收全球导航卫星系统信号的情况，”本尼迪克托·鲁伊斯说，“以及使用伽利略和全球定位系统在那里建立定位的可能性。”

　　然后就是俄罗斯。隶属关系和伙伴关系是欧空局的核心原则，但伙伴关系可能会恶化，正如近几个月在欧洲非常粗鲁地表明的那样。“欧空局遵循其成员国的指示和政治方向，”本尼迪克托·鲁伊斯说。“在欧空局理事会内，成员国举行会议，并以协商一致的方式作出决定。我们通常非常赞同欧盟的政策。在这方面，不幸的是，俄罗斯入侵乌克兰恶化了我们的关系。我们看到我们的俄罗斯同事多年来一直在法属圭亚那的欧洲航天港提供出色的发射服务，非常有效地移植了伽利略星座的部署，我们在几个月前看到他们离开了。这使得下一颗伽利略卫星的发射暂停，现在必须等待阿丽亚娜6号。”人类和机器人探索的其他项目也遇到了重大挫折，例如火星上的外生物学（EXOMARS）任务。本尼迪克托说：“有些活动我们不能再继续下去了，因此有很多影响。”。“伽利略计划于去年4月（2022年）发射已取消。我们有10颗第一代伽利略卫星，已完成生产，准备发射或即将发射。因此，这些卫星将不得不等待。阿丽亚娜6号定于明年首次升空，伽利略号将是其首批乘客之一。显然，我们期待着这场战争的结束，并希望在未来能够与俄罗斯重新建立富有成果的合作，俄罗斯一直是欧洲以及美国和其他国家在国际一级空间活动中的良好伙伴。”

　　最终的想法。当被问及是否对《GNSS内参》读者说了最后一句话时，本尼迪克托·鲁伊斯说， “过去近30年来，我一直致力于卫星导航，回顾过去，我可以看到卫星导航的总体发展情况，以及欧洲通过我们的PNT解决方案开发了自己的基础设施并为全球经济做出了多大贡献。我们相信，卫星导航现在是，将来也仍然是我们经济和社会的重要组成部分。这是一个巨大的挑战，既是挑战，也是机遇。”