PNT技术的水到底有多深？

PNT技术是从GPS（GNSS）演变过来的，涉及的方面是多种多样，不是三言两语能够说得明白的。但是，其发展脉络是十分清晰的，目标就是解决GNSS存在的难题，所以有韧性PNT、确保PNT、可信PNT等提法，当然PNT更是GNSS基础上的进步和发展，而且是跨越式发展，进一步的目标是更加泛在、更加融合、更加智能、更加安全的（中国）新时空服务体系。可见PNT技术，也是个过度阶段。近期，在《GPS世界》杂志上刊登的“PNT技术种种”做了一个简短的实体性的介绍，是从若干家公司作为载体阐述的，很有意思，很有代表性，真正代表了一种趋势。这里提出了绝对定位和相对定位、全球化和本地化、本源定位和差分定位、自主定位和它助定位，以及有源定位和无源定位等一系列问题，也涉及声光机电磁等一系列技术的互补融合。更加重要的是这些PNT技术的应用和市场，与商业运作模式，以及何时能够提供实用服务。

图片来源：赛峰联邦系统（Safran Federal Systems）公司

先进的工业社会越来越依赖于GNSS（GPS、GLONASS、北斗和伽利略）的卓越能力，因此越来越容易受到其弱点的威胁影响。从在智能手机的地图上提供我们的位置，到定时金融交易、手机基站和互联网；从在田间操纵拖拉机到指导急救人员；从给测量人员提供厘米级精度定位到监测大陆漂移；从为船长和飞行员提供导航，到实现对土木工程机械的自动化控制，GNSS已成为一个关键的基础设施和支撑技术。然而，它们有众所周知的弱点——如容易受到干扰、欺骗、多径效应和信号盲区的影响，为此，继续推动定位、导航和授时（PNT）数据互补来源的开发，尤其是如何满足自动驾驶汽车和一系列无人系统，以及机器人与许许多多自动化系统等新的快速扩展的用户群体的日益增长的需求。

在2021年1月发布的一份名为《互补PNT和GPS备份技术示范》报告中，美国交通部指出，“关键基础设施的所有者和运营商可以获得合适和成熟的技术，以获得互补的PNT服务，作为GPS的备份”。目前正在开发和部署若干新的PNT系统，这些系统部分或完全独立于现有的四个全球导航卫星系统星座。这里聚焦于以下公司、产品和服务：

（1）赛峰联邦系统公司（前身为奥罗利亚（Orolia）国防与安全公司）生产VersaPNT，它融合了所有可用的PNT源，包括GNSS、惯性和基于视觉的传感器和里程计。

（2）修娜（Xona）太空系统公司正在开发一个由300颗近地轨道卫星组成的PNT星座。它希望其名为没出现（PULSAR）的服务，能够提供传统全球导航卫星系统提供的所有服务，甚至更多。

（3）斯普楞联邦系统（Spirent Federal Systems）和斯普楞通信（Spirent Communications）正在通过提供模拟仿真和测试来帮助修娜（Xona）公司开发其系统。

（4）牛津技术解决方案公司利用惯性系统开发导航。

（5）卫星（Satelles）公司开发了卫星授时和定位（STL）技术，这是一种搭载在低地球轨道（LEO）铱星卫星上的PNT系统。它可以作为一个独立的解决方案，在GNSS信号无法到达的情况下，例如在室内，或者在其他GNSS信号不可用地方和时候。

（6）定位（Locata）公司开发了一种替代PNT（A-PNT）系统，该系统完全独立于GNSS，并基于名为LocataLites的本地地面发射机网络。

Locata碟形天线指向44公里外的意大利伊斯普拉欧盟联合研究中心，就在落日余晖下。上面的八木天线指向科莫的一个蜂窝塔，用于连接系统进行远程控制和数据记录。

互补PNT。普莱斯说：“传统意义上，GNSS的扩充是通过惯性导航系统完成的”。“最近，地面和天基增强系统的使用有所增加。然而，这两种技术都依赖于GNSS提供的绝对定位信息。它们并不代表真正的替代PNT”。为了促进先进和自主应用的发展，普莱斯建议纳入PNT的陆地来源以及基于低地球轨道、中地球轨道和地球静止轨道卫星的来源。他补充道，这也将防止成本变得过高。贾拉米罗说：“与MEO（中地球轨道）相比，LEO（低地球轨道）在几乎所有可以应用的行业都带来了许多好处”。奥斯汀指出，尽管大规模依赖GNSS有助于获取全球导航卫星系统数据，并使应用该系统的设备越来越具有成本效益，但过度依赖单个传感器是有风险的。奥斯汀还说：“这就是互补PNT的用武之地。如果你能把鸡蛋放在其他篮子里，这样你就有了弹性或冗余，那么你就可以继续你的运营——无论是地理调查、汽车还是工业——即使GNSS出现故障，或者间歇性地无法使用或长时间无法使用”。有人说，“全球导航卫星系统的唯一替代品是另一个全球导航卫星系统，这有一点点道理”。惯性导航、航位推算、激光雷达和本地基础设施参考系，反过来，这些基础设施已被全球导航卫星系作为全球参考，使移动平台能够在全球导航卫星系统网中断期间保持相对定位。然而，绝对定位将继续需要全球导航卫星系统。奥斯汀说：“如果你声称脱离了全球导航卫星系统，你实际上是在说，‘我可以在这座大楼里导航，但我不知道这座大楼在哪里’”。

GNSS-INS（GNSS与惯性导航系统）的集成。全球导航卫星系统和惯性导航系统一直是天然的盟友，因为它们相辅相成。奥斯汀说，最近北斗和伽利略星座的建成大大增加了人们视野中的卫星数量，这使得实时运动学（RTK）在任何时候都需要六颗卫星成为“一个更合理的命题”。他说，再加上惯性测量单元（IMU）价格的下降，这使得“制造一个比以往任何时候都更具成本效益的IMU，或者花同样的钱，得到一个比以前更好的传感器”成为可能。“GNSS更新使得噪音更小，随机漂移也更少，稳定性更强”。过去，加速度计的性能可能远远超过陀螺仪，导致速度很好，但航向很差。“现在，”奥斯汀说，“我们可以选择一种更互补的传感器组合，在使用现成的陀螺仪和加速度计的同时，自己制造和校准IMU。这使我们能够制造一种在任何一个主要领域都没有瓶颈的IMU”。自动驾驶汽车需要分米级的精度才能保障实现车道级导航，而它们的绝对位置与这样的工作任务无关。然而，绝对定位对于地图导航和了解可能不在车辆视线内的交通标志和红绿灯等基础设施至关重要。奥斯汀说：“这就是全球地理参考的用武之地，也是全球导航卫星系统仍然至关重要的地方”。“我们正在研究的一个关键问题是，在GNSS拒阻导航条件下，我们如何通过其他辅助源改进我们的惯性导航系统，以及其他的辅助传感器，可以补充IMU或惯性测量单元，在所有环境中为人们提供良好的导航。在GNSS好的时候使用它，在不好或完全不存在的时候不要依赖它”。如今，汽车制造商越来越多地将研发测试从室内受控环境转移到开放空间道路上。因此，奥斯汀说：“他们正在寻找一种技术，使他们能够继续进行他们在试验场上进行的测试，但要在现实世界中进行”。“因此，他们一直依赖惯性导航系统的数据来保持准确。另一方面，在自主和地理调查中，惯性导航系统被主动用于向另一个传感器提供地理参考，或者在自主的情况下，主动导航车辆。因此，数据的准确性至关重要，因为没有准确导航的自动驾驶车辆无法有效移动，必须恢复手动操作”。

图片来源：Xona太空系统公司

新与旧的问题。互补PNT系统在几个变量上与传统GNSS不同。一个是覆盖面。例如，Satelles和Xona将提供全球覆盖，而Versa PNT和Locata是本地的。另一个是加密。贾拉米罗说，与GPS只加密其军用SAASM/M码信号不同，Xona的PULSAR系统将加密其所有信号。“对于自动驾驶应用来说，安全性非常重要。如果你乘坐的是自动驾驶汽车，你当然不希望有人能够伪造GNSS信号并使其偏离轨道”。此外，Xona星座的设计包括极地和倾斜轨道的组合，与目前的全球导航卫星系统覆盖范围相比，这将大大提高极地的覆盖范围。这一点尤其重要，因为气候变化使北极地区更容易进入应用需求视野。贾拉米罗说：“建立基于低地球轨道的星座的想法是利用低地球轨道实现GNSS所能做的事情”。“如果你想要最有弹性的时间和位置，你需要综合运用一切”。贾拉米罗表示，基于其架构，Xona将提供比当今全球导航卫星系统更好的授时精度。“我们的卫星设计用于使用GPS和伽利略信号以及地面站的输入作为定时参考，并将在它们之间共享时间。我们将对所有这些定时输入进行平均，并在卫星上建立一个时钟集合。这比只有几个单独输入实现了更高的精度”。Satelles的STL服务。可以在GNSS不可用的情况下替代GNSS，也可以在有GNSS的情况下补充GNSS。当被用作补充时，“我们的目标是拥有一个能够应对停机、骚扰、干扰、欺骗等问题的解决方案”。奥斯汀说，“在这种情况下，我们的一家合作公司可能提供的接收卡将同时具有全球导航卫星系统和STL功能，并实现两全其美”。奥斯汀还说，根据产品配置的不同，其定位精度通常在10到20米范围内。佩恩说，奥罗利亚国防与安全公司的Versa PNT“是一个一体化的PNT解决方案，提供定位、导航和非常准确的计时”。“用于PNT的每种传感器都有其优缺点。这就是为什么我们有一个非常准确的导航滤波器解决方案，可以动态评估传感器输入”。在全球导航卫星系统退化的环境中，VersaPNT的软件会提醒用户全球导航卫星系统信号不可靠，自动过滤掉这些测量值，并在其他传感器的基础上进行导航，例如IMU、速度计、里程计或照相机。Locata的系统完全独立于全球导航卫星系统，因为它不需要原子钟。噶玛巴尔说，其核心是该公司的TimeLoc技术，该技术可以产生不到一纳秒的网络同步精度。“TimeLoc”能够做到，“随着信号的运转，使同一位置的信号与其他LocataLite同步，直到它与其他Locata Lite之间的单一差异范围为额定的几何范围。这种内部校正过程精确到毫米级”。该系统的应用包括移动电话等消费设备的室内定位，用于仓储和物流的工业机器自动化，在建筑物内定位急救人员，以及在GPS干扰环境中的军事应用。

星座和时间表。开发和/或完成这些互补的PNT系统需要多长时间？Xona是一家初创公司，其时间表将取决于其在投资者中的成功。贾拉米罗说：“我们基本上已经锁定了我们的信号和系统架构。现在，这是一个建造地面部分和发射卫星的问题”。Xona目前的目标是在2025年初发射第一颗卫星投入运行，并在2027年前实现全面运行能力。该公司将分阶段推出PULSAR。贾拉米罗说：“在第一阶段，我们将提供只需要一颗卫星就能看到的授时服务和全球导航卫星系统增强”。“然后，随着我们进入第二阶段，我们将能够开始在中纬度地区提供定位服务，同时考虑到多颗卫星。第三阶段将包括高性能PNT和全球增强”。Satelles的STL已经用在铱星的66颗活跃卫星上，这些卫星都是相对较新的，在2016年至2018年间发射，并不断覆盖全球。奥斯汀说，STL的信号和能力是灵活的。赛峰公司目前正在评估来自不同供应商的UWB计算技术，并将其集成到VersaPNT软件中。佩恩说：“我们可能会在2024年第一季度开始进行全场测试”。甘巴尔说，Locata的使命是“提供技术进步，使公司、关键基础设施系统以及未来的整个国家能够对PNT进行完全、独立的主权控制。它是为许多没有——也永远负担不起——自己的星座的实体和国家设计的”。“我们的商业模式，”噶玛巴尔补充道，“是建立在使其他人——从公司到国家——能够根据我们的核心技术开发来开发他们的系统和产品的基础上的。我们没有规定我们的技术将如何部署。Locata的技术可以提供给任何合适的合格合作伙伴，以使我们的核心开发供他们自己使用”。

猎鹰9号运载Xona卫星的火箭发射。（图片来源：Xona Space Systems）

商业模式。对于PNT领域的任何新商业进入者来说，挑战GPS等免费全球服务都是一项艰巨的任务。虽然所有这些新服务都与GPS相竞争，GPS是美国纳税人送给世界的礼物，但它们的商业模式有所不同。贾拉米罗说：“我们的目标是大众市场应用和高性能应用”。“对于大众市场的应用，我们的商业模式包括终身费用：客户一次性支付费用，服务在设备的使用寿命内有效。对于具有更多相关功能的高性能应用，将有不同的层次，每个层都有不同的服务”。其中包括完好性服务，该服务将验证信号是否具有特定级别的性能阈值，以用于关键应用。贾拉米罗说：“如果它低于某些性能阈值，我们将把它标记到设备上，这样它就知道，即使它正在接收信号，也因为信号退化而不能够继续使用它”。

接收器和芯片组。不出所料，这些新企业已经催生了一个联盟网络。Xona和Satelles的成功将在一定程度上取决于其信号接收器的可用性。贾拉米罗说，为了制造它们，Xona“正在与几乎所有一级制造商进行讨论”。“我们与Hexagon | NovAtel有着密切的关系。他们长期以来一直支持我们，在开发和支持我们的信号方面非常先进。”此外，Xona设计了信号，“这样大多数接收器只需升级固件就可以支持它们”。Satelles还与合作伙伴合作，包括Adtran（通过其示波器石英产品线）、Jackson Labs（现为VIAVI Solutions）和Orolia（现为赛峰可信4D）。奥斯汀说：“像这样的公司提供的解决方案，如今受到关键基础设施提供商的青睐”。“他们最终将我们的STL功能集成到他们的解决方案中。他们可以使用我们的参考设计，也可以根据我们的参考设计创建自己的定制设计”。Satelles使用与传统GNSS不同的过程来测量STL卫星信号。奥斯汀解释说：“测量两类卫星的不是同一个芯片，最终是两个芯片”。“然后，我们把它留给我们的合作伙伴来决定如何进行位置计算和这些信号的集成。它可以松散地集成，也可以紧密地集成”。

市场和应用。这些新PNT服务的目标市场和应用也各不相同。奥斯汀说，Satelles采用率最高的市场是数据中心、证券交易所和5G网络。他指出，5G网络覆盖一个地理区域所需的节点大约是4G网络的5到10倍。“多年来，全球导航卫星系统一直在为4G网络授时，但大多数5G网络站点，如毫微微蜂窝和微微蜂窝，都在室内或GNSS面临挑战的地方。我们在室内、室外、任何地方都提供授时服务”。奥斯汀说，一般来说，仅限STL的解决方案最适合授时。“它将在大约100纳秒的时间内进行授时，这取决于所使用的振荡器类型和产品的确切配置”。奥罗利亚（Orolia）为不同的应用程序提供精确的位置、时间和态势感知。佩恩说：“我们的系统可以用于地面、空中和海上应用”。“在奥罗利亚国防与安全公司，我们向美国政府、国防组织和承包商推销产品”。然而，除了这些领域，它的系统可以“在任何需要准确位置和/或时间的地方”使用。

Versa PNT公司。（图片来源：赛峰防务安全）

仿真模拟的作用。仿真模拟在新型PNT系统的开发中起着重要作用。阿克曼说：“在Xona星座或任何其他新兴星座部署任何卫星之前，模拟是任何潜在终端用户或接收器OEM评估其利益的唯一途径”。“在进行实时天空测试之前，为最终用户、接收器制造商和其他所有人制定投资决策的一个关键部分是通过模拟确定额外信号的好处”。然后，必须验证新的接收器，以确保它们按预期运行。贾拉米罗说：“最好的方法是使用模拟器”。Spirent与两级客户合作：首先是接收器制造商，然后是所有使用这些接收器的应用供应商。Spirent Communications使用其新的SimXona模拟器为Xona的系统做到了这一点。“首先，我们自己做了深入的验证，”阿克曼说。克兰普顿说：“然后，我们与Xona密切合作，让他们根据自己的发展证明这一点。因此，我们遵循了一种行之有效的开发方法。只是在这种情况下，信号来自LEO”。Spirent Communications的姊妹公司Spirent Federal Systems也为Xona提供了支持。

验证和采用。欧盟委员会位于意大利伊斯普拉的联合研究中心，最近进行了为期八个月的测试活动，以评估包括Satelles和Locata在内的替代PNT（A-PNT）示范平台的性能。根据2023年3月发布的最终报告，演示“展示了在室内和室外环境中精确而稳健的定时和定位服务。演示了不同方式的时间传输技术，包括空中传输（OTA）、光纤和有线信道。结果表明，所有接受评估的A-PNT平台都表现出了符合要求的性能”。Satelles还与美国国家标准与技术研究所（NIST）合作，对其系统进行评估。奥斯汀说：“他们对STL进行了严格的第三方、不干涉的技术评估”。“他们向UTC确认了计时精度规范，并验证了STL的操作特性，如在没有全球导航卫星系统的情况下的弹性、在室内接收信号的能力以及全球可用性”。行业现在专注于应用。奥斯汀说：“所有这些能力的提供商最终都需要在行业中采用，才能保持活跃度和可行性”。随着最近完成的两个新的全球导航卫星系统（北斗与伽利略）星座，增强服务的数量和种类增加，以及互补的PNT产品和服务的开发和部署，地理空间和新时空服务行业正处于一个新的转折点。