怪哉！《自然》也在关注高精度定位和授时

包括北斗系统在内的GNSS，也就是卫星导航搅动了地球和全人类，也搅动了时空信息技术及其服务领域，还让定位和授时科技层出不穷的出现创新与进步。日前，《自然》杂志刊登了一篇文章，题目是：用于分米级地面定位的光纤-无线电混合网络。

全球导航卫星系统（GNSS）广泛用于导航和时间分发，这些功能对于关键基础设施（如移动通信网络）以及新兴技术（如自动驾驶和可持续能源网格）是不可或缺，由于多路径传播和天空视野受阻，GNSS接收机容易出现若干米的定位误差，尤其是在最需要精确定位的城市地区会是这样。此外，GNSS的脆弱性，加上缺乏备份系统，对依赖GNSS技术的基础设施和相关应用服务系统构成不同程度，甚至严重风险。这里展示了一种独立于GNSS的地面定位系统，该系统通过无线发射机星座提供了卓越的性能，通过光纤以太网在亚纳秒级进行连接和时间同步，利用频谱有效的虚拟宽带信号，可以减轻多径传播的有害影响，从而在存在多路径的室外环境中实现稳健的分米级定位和亚纳秒级授时。这项工作提供了一个未来的一瞥，在这个未来中，电信网络不仅提供了连接性，而且还提供了具有前所未有的精度和可靠性，又提供独立于全球导航卫星系统的授时和定位服务。

  所说的10厘米定位精度的地面导航系统，这是代尔夫特理工大学、阿姆斯特丹Vrije大学和VSL的研究人员开发了一种替代定位系统，该系统比GPS更可靠、更精准，尤其是能在城市环境中广泛使用，而且与5G移动通信等结合起来。该项目名为超GPS（SuperGPS），目标是开发一种替代GPS的定位系统，该系统利用的是移动电信网络，而不是卫星星座，并且具有比GPS更好的精度。演示这种新型移动网络基础设施工作原型的精度达到了10厘米。这项新技术对于一系列基于位置的应用基础设施非常重要，包括自动车辆、量子通信和下一代移动通信系统。

由于GNSS全球覆盖、终端便宜好用，特别是在嵌入式系统中使用，所以许多重要基础设施均依赖于它。然而，依赖卫星的系统存在局限性和脆弱性。例如，GNSS无线电信号到达地球上被接收时已经很微弱，如果无线电信号被建筑物反射或阻挡，就无法进行精确定位。阿姆斯特丹Vrije大学的杰伦 寇来米吉（Jeroen Koelemeij）表示：“我们意识到，通过一些尖端创新，电信网络可以转变为一个非常精准的替代定位系统，独立于GPS”。“我们已经成功开发了这样的系统，它可以像现有的移动和Wi-Fi网络一样提供连接，以及像GPS一样的高精度定位和时间分发”。 其中一项创新是将移动网络连接到一个非常精确的原子钟上，这样它就可以像GPS卫星借助其携带的原子钟一样，广播精确的定位信息。这些连接是通过现有的光纤网络进行的。VSL的埃里克·迪里克斯（Erik Dierikx）表示：“通过这些技术，我们可以将网络变成一个全国性的分布式原子钟，并有许多新的应用，例如通过移动网络进行非常精确的定位”。“通过我们现在演示的光纤-无线混合网络系统，原则上任何人都可以无线访问VSL生产的国家时间。它基本上形成了一个非常精确的无线电时钟，精度高达十亿分之一秒”。该系统还使用比通常使用的带宽大得多的无线电信号。代尔夫特理工大学的杰拉德·詹森（Gerard Janssen）解释道：“建筑物会反射无线电信号，这可能会混淆导航设备识别度。而所研发系统的大带宽有助于分辨这些令人困惑的信号反射，并提高定位精度”。“同时，无线电频谱内的带宽稀缺，因此成本高昂。我们通过使用分布在大虚拟带宽上的大量相关小带宽无线电信号来规避这一问题。这样做的好处是，实际使用的虚拟带宽只有很小的一部分，信号可能与移动电话的信号非常相似”。

这一地面定位系统，之所以被《自然》杂志关注，因为它提出了一种基于光纤-无线混合网络系统，依托电信基础设施的地面网络定位系统（TNPS），该系统在城市环境中提供厘米到分米级定位精度以及亚纳秒级的时间同步；在一个城市室外试验场建立了一个现实的试验台，以验证TNPS的时间分发以及定位精度；使用试验台中收集的真实数据进行的广泛实验评估表明，支持TNPS的所提出方法的有效性，实现了显著的时间分发精度约为0.2ns，定位误差为10.2cm（RMSE），也可能达到更优，这取决于定位方法和条件（取决于测量时延，还是载波相位，以及信源站的几何分布）；由于拟议的TNPS与当前的4G/5G电信基础设施兼容，从而降低了部署成本。