淺談全球衛星導航系統應用發展中的 矛與盾

趙爽（北京空間科技信息研究所）

隨著全球衛星導航系統（GNSS）應用的高速增長以及GNSS接收設備高精度、小型化的發展趨勢，我們有理由相信未來的微型GNSS接收裝置將遍及我們生活的每個角落，帶來巨大便利。不過，GNSS也可能被人惡意利用，進行跟蹤和監視，侵犯個人的隱私權。出于保護隱私的需要，信號干擾設備正逐漸興起，如干擾機和欺騙設備等。但隨著這些干擾設備的普及，又會對一些關鍵系統和基礎設施中的GNSS接收造成影響。可見，GNSS應用與GNSS干擾設備在發展中形成了矛與盾的關系，未來如何解決隱私性與GNSS完好性之間的平衡問題越來越值得我們關注。

一、GNSS市場發展迅猛，應用漸入百姓家

全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）是指利用在太空中的導航衛星對地面、海洋和空間用戶進行導航定位的一種空間導航定位系統。目前，GNSS系統不僅成為世界各國重大的空間和信息化基礎設施，也成為體現現代化大國地位和國家綜合國力的重要標志。由于GNSS在國家安全和經濟與社會發展中有著不可或缺的重要作用，所以世界主要軍事大國及經濟體都競相發展獨立自主的衛星導航系統。預計在2020年前，世界將建成四大GNSS系統：美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗（COMPASS）以及歐盟的GALILEO。除了上述四個全球系統及其增強系統（美國的WAAS、歐洲的EGNOS和俄羅斯的SDCM）外，GNSS還包括法國、德國、日本和印度等國已建或在建的區域系統和增強系統。

GNSS有著廣闊的應用前景，目前其市場規模正保持著高速發展。近期，歐洲全球衛星導航監督局（GSA）發布了最新的GNSS市場報告（第二版）。根據這份2012年新出爐的市場預測報告顯示，GNSS市場正在快速發展，截至到2016年，市場總規模預計將以平均每年13%的速度增長。根據該報告預測，截至2015年，全球GNSS市場規模將超過2000億歐元（約合2600億美元），如圖1所示。

圖1 GNSS市場規模發展趨勢預測

縱觀整個GNSS市場的占有份額，道路導航和基于位置服務（LBS）仍高居榜首，這兩個市場的終端設備銷售額分別占整個GNSS終端設備銷售總金額的54%和44%，如圖2所示。而從終端銷售量上看，LBS占到了整個GNSS市場的87%。同時，GNSS應用正逐漸向智能手機市場滲透，市場占有率已經達到了30%，而到2020年這一比例預計將達100%。可以預見，未來GNSS應用將成為人們日常生活中不可或缺的一部分。

圖2 全球GNSS市場分布預測（2010—2012年累計收益占比）

二、高精度、超小型化的接收設備讓人歡喜讓人憂

GNSS系統未來將向著導航定位高精度、接收設備超小型化的方向發展，以美國的GPS系統為例。2000年5月2日，美國關閉了GPS在軌衛星上的選擇可用性（SA）開關，使全球民用GPS接收機的精度瞬時提高了10倍，定位精度從原來的足球場大小縮小到一間屋子大小。而在此之前，車載導航系統不能提供精確轉向，民用GPS裝置也不能精確定位到某個街區，更不要說定位某條道路了。過去十年里，GPS的定位精度一直在提高。今天，利用GPS基準站、更優化的算法和更先進的接收機，性能卓越的民用GPS設備不僅能夠定位街道，而且能夠定位用戶在街道的哪一邊。當前利用GPS信號的載波相位和互聯網，定位精度可達厘米量級，甚至毫米量級。

在精度不斷提高的同時，GPS接收機也不斷地朝著小型化的趨勢發展。如圖3所示，5年前的GPS接收機是一個笨重的“箱子”（圖3中的最上方），而數月前最新面世的GPS接收機的尺寸只有鑰匙鏈大小。因此，我們有理由相信未來的GPS接收機可能會縮小到一顆“米粒”那么大甚至更小。

實際上，這種微型的GPS接收機早就出現在了科幻電影中，在索尼電影公司2006年發行的電影《 達芬奇密碼》中提到，這種被稱為“GPS點”的微型接收機只有紐扣大小，而定位精度達到0.6米以內。

未來一旦制造出這種“GPS點”并推廣普及，我們的生活將發生天翻地覆的變化。通過將這種“GPS點”貼在我們重要的物品上，如鑰匙、錢包甚至是重要信件，我們將能夠時刻知道它們的位置，再也不必擔心丟失。同樣的，我們也能方便地掌握親人的位置，再也不必擔心老人或者孩子走失。

當然，GNSS系統在給人們帶來生活便利的同時，也給人們的生活帶來的麻煩。一旦諸如“GPS點”的微型設備得到廣泛應用，它們也可能成為壞人犯罪的得力工具，就像現在的微型竊聽器一樣，侵犯人們的個人隱私。

圖3 GNSS接收設備向小型化發展

三、干擾裝置提供“保護”的同時也帶來了新的煩惱

為了保護個人隱私，一些GNSS干擾設備悄然興起。廉價、移動的GNSS射頻干擾發射器非常容易從互聯網或其他地方獲得，比如圖4中這款干擾設備，其網上售價只有150元人民幣，安裝在汽車上可以達到屏蔽GNSS信號的作用，以達到保護隱私的目的。不過，為了達到良好的干擾效果，這樣的干擾設備的有效工作范圍一般在十幾米到幾十米，一些功率強的甚至可以影響到數百米，而且也無法做到任意調整覆蓋范圍的形狀，所以難免對其覆蓋區域內及周圍的其他GNSS應用造成干擾。

圖5給出了2011年4月9日美國弗吉尼亞州利斯堡的廣域增強系統（WAAS）參考站監測到的干擾事件。圖中3條線分別對應WAAS所采用的3顆地球靜止衛星（GEO）的L1信號的信噪比（C/N0），可以看到4月9日這一天（1440min）中共出現了2次信噪比明顯下降，即說明L1信號受到了干擾。通過對這兩個干擾的長期觀察，最終發現這一干擾來自一輛裝有GNSS干擾設備的汽車。警察根據干擾的規律以及該司機的日程安排最終鎖定了這名司機，并沒收了他的干擾設備。

圖4 一種常見的GNSS干擾設備

圖5 2011年4月9日利斯堡WAAS參考站監測到的干擾事件

四、“魔高一尺，道高一丈”——全源導航技術指引抗干擾技術新方向

GNSS給人們的生活帶來的巨大便利，但是也將其“綁架”在了這些高速發展的應用中，讓人們越來越依賴它們。不過，GNSS系統本身脆弱的抗干擾性能可能成為重大的安全隱患，一旦系統被干擾或者因其他原因癱瘓，將會給人們的生活和生產帶來不可挽回的損失。因此，未來將衛星導航技術作為一種主要的定位、導航和授時手段，但卻不是唯一手段，通過其他技術對其進行補充、備份將是一個大趨勢。

在此背景下，美國國防高級研究計劃局（DARPA）于2010年開展了一項名為“全源定位與導航”（ASPN）的導航技術，旨在尋求在沒有GPS的情況下，為任何操作平臺和任何環境下的軍用用戶提供低成本、高魯棒性、無縫的導航解決方案。ASPN將通過利用不同傳感器的組合獲得輔助導航信息，如將激光雷達、激光測距儀、照相機、磁強計等器件進行組合，從而顯著增強導航解決方案的質量和魯棒性。同時，ASPN還將根據具體的局部環境條件，靈活選擇最合適的傳感器，提供針對性的導航技術，例如，基于圖像的導航可能在都市環境白晝條件下發揮良好效果；基于重力場的導航雖然精度稍差，但在大洋中可能最有效等等。

圖6給出了ASPN概念框圖，ASPN將整合以下多種傳感器信息：GPS、影像、光線測定和測距、磁場、重力，以及雷達等等。值得注意，此處我們有意把GPS包括在內。因為既然是全源導航，只要GPS信號可用，就應以GPS為主。這樣，這個完整系統結合所有可用信息，當某些傳感器不可用時，仍可使用其他信號源。