走向自動(dòng)化系統(tǒng)——《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告（2018）》的深度點(diǎn)評(píng)

文| 環(huán)球新時(shí)空(北京)信息技術(shù)研究院有限公司 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì) 曹沖

2018年9月，歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)局（GSA）的《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告（2018）》正式發(fā)表，這是國(guó)內(nèi)外業(yè)界的一件大事。歷年來，GSA在不斷提供《GNSS市場(chǎng)報(bào)告》和《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》，報(bào)告質(zhì)量高、大眾化，信息豐富、深入淺出，觀點(diǎn)明確頗具說服力。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）已成為一種無處不在的技術(shù)，現(xiàn)在每個(gè)人都在口袋里攜帶一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)，利用衛(wèi)星于出行移動(dòng)、休閑玩耍和工作學(xué)習(xí)。這個(gè)時(shí)代剛剛開始，更加重要的事情還在未來。記得在我們小時(shí)候，就盼著機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，GNSS的出現(xiàn)和普及，人工智能崛起，信息時(shí)代從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，走向智能化，GNSS所提供的時(shí)間空間信息與服務(wù)，成為核心主線、關(guān)鍵共性基礎(chǔ)，成為自動(dòng)化的主旋律。

來自基于位置服務(wù)（LBS）市場(chǎng)的支持證據(jù)是，2018年5月第一款雙頻智能手機(jī)問世。當(dāng)我們接近GNSS設(shè)備的門檻時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航將作為數(shù)字連接世界的支柱。隨著位置、速度和時(shí)間的信息驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)，在廣泛的上下文感知應(yīng)用與服務(wù)中，GNSS將成為從物聯(lián)網(wǎng)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和自動(dòng)駕駛汽車的重要推動(dòng)者。

《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告（2018）》共分五章：GNSS用戶技術(shù)概述，大眾市場(chǎng)解決方案，運(yùn)輸安全和關(guān)鍵責(zé)任應(yīng)用解決方案，高精度與授時(shí)解決方案，以及編輯按：自動(dòng)化。報(bào)告引言的標(biāo)題定為：新時(shí)代的曙光，走向自動(dòng)化系統(tǒng)。可見GNSS為開拓自動(dòng)化系統(tǒng)在時(shí)間空間上，奠定了定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）基礎(chǔ)。而PNT才是服務(wù)自動(dòng)化的正宗能力，也就是說，PNT系統(tǒng)技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能定位系統(tǒng)的未來，而其必須具備精準(zhǔn)度、泛在性、安全性，以及連接性四大功能性能，才能真正為現(xiàn)代自動(dòng)化和環(huán)境智能提供發(fā)展基礎(chǔ)。

PNT技術(shù)驅(qū)動(dòng)力金字塔圖中（圖1），明確要求其有四大功能性能，主要是要確保在所有應(yīng)用場(chǎng)景化環(huán)境中保持所需要的性能，那就要融合多種定位技術(shù)和傳感器。其精準(zhǔn)度的確保是依托多星座、多頻率GNSS，以及通過單點(diǎn)精密定位-實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（PPP-RTK）服務(wù)與慣性導(dǎo)航（INS）和其他傳感器混合加以增強(qiáng)；其連接性的實(shí)現(xiàn)是依托衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)，如5G、低軌道衛(wèi)星（LEO）或低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)（LPWAN）；其泛在性的提供是依托互補(bǔ)的定位技術(shù)和傳感器組合；其安全性的獲得是依托獨(dú)立的冗余技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全和確權(quán)認(rèn)證。

在《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告（2018）》中，體現(xiàn)出以下三個(gè)方面發(fā)展特點(diǎn)。

圖1 PNT技術(shù)驅(qū)動(dòng)力金字塔圖

1.GNSS系統(tǒng)之系統(tǒng)概念變成現(xiàn)實(shí)，多星座多頻率工作已經(jīng)從系統(tǒng)變成為實(shí)際應(yīng)用與服務(wù)，多系統(tǒng)標(biāo)配化體現(xiàn)在接收機(jī)中

2020年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兩個(gè)新的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，以及日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）和印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（NavIC），將具備全面運(yùn)作能力。同時(shí)，GPS和GLONASS的現(xiàn)代化進(jìn)程也在不斷前進(jìn)中。因此，在短短幾年內(nèi)將有多個(gè)全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)開展全面服務(wù)，并有超過100顆衛(wèi)星，包括通過使用多個(gè)頻率提供PNT信息創(chuàng)新服務(wù)。而且，諸如廣域擴(kuò)增系統(tǒng)（WAAS）、歐洲地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）之類的公共增強(qiáng)系統(tǒng)也正在發(fā)展成為多星座和多頻率。

當(dāng)前絕大多數(shù)的接收機(jī)都是多星座的, 而提供多星座支持的最流行的方法是涵蓋所有可用星座的衛(wèi)星，采用GNSS兼容互操作技術(shù)是最佳途徑。現(xiàn)在只有約30%的接收機(jī)僅使用 GPS單系統(tǒng)；在這個(gè)問題中發(fā)現(xiàn)的最重要的新趨勢(shì)是多頻率的快速采用，包括消費(fèi)類設(shè)備，正如市場(chǎng)上推出的雙頻智能手機(jī)所證明的那樣。

2.增強(qiáng)服務(wù)、增值服務(wù)的快速增長(zhǎng)，安全性和可靠性成為重要考慮因素

除了核心上游基礎(chǔ)設(shè)施（GNSS，衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)，星基增強(qiáng)系統(tǒng)）的成熟和演變發(fā)展，以及提供所提到的可能性之外，人們還觀察到系統(tǒng)提供商本身或私營(yíng)企業(yè)提供的新增值服務(wù)的增長(zhǎng)。對(duì)于高精度服務(wù)尤其如此，直到最近，這些服務(wù)主要針對(duì)測(cè)量、測(cè)繪、工程機(jī)械或精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但現(xiàn)在正在向大眾市場(chǎng)傳播，不僅適用于無人駕駛汽車，還包括各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。新的服務(wù)提供商出現(xiàn)，新的聯(lián)盟出現(xiàn)，并提出了新的分銷方法，包括通過移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)，以服務(wù)于新興的“所有”市場(chǎng)的高精度。免費(fèi)的伽利略高精度服務(wù)（HAS）和QZSS厘米級(jí)精度服務(wù)，就是這種趨勢(shì)的典型例子。

除了高精度的發(fā)展趨勢(shì)之外，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到需要確保PNT解決方案的安全性和保全性。這種趨勢(shì)在自動(dòng)化控制環(huán)路的驅(qū)動(dòng)器中尤為重要，例如在自動(dòng)船舶、無人駕駛汽車或無人機(jī)中。伽利略身份驗(yàn)證服務(wù)，即導(dǎo)航電文身份驗(yàn)證（NMA）和信號(hào)身份驗(yàn)證服務(wù)（SAS），是對(duì)此安全性的重要貢獻(xiàn)。目前至少有一家領(lǐng)先的私營(yíng)GNSS增值服務(wù)提供商已經(jīng)開始通過“實(shí)時(shí)星歷數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文認(rèn)證”，營(yíng)銷“可信（確保）定位”，由此可見，確認(rèn)高精度不是最終結(jié)果，而“可信和有彈性”的高精度保持是其最終目標(biāo)。

多種核心和增強(qiáng)服務(wù)的蓬勃發(fā)展，意味著接收機(jī)制造商、系統(tǒng)集成商和應(yīng)用服務(wù)開發(fā)商的可以選擇的選項(xiàng)比以往任何時(shí)候都要多樣化。在大眾市場(chǎng)領(lǐng)域, 我們看到了在“入門級(jí)”IoT產(chǎn)品中優(yōu)化的芯片組之間的鴻溝, 其中每次定位的能耗降低是主要驅(qū)動(dòng)因素, 而“高端”產(chǎn)品中定位性能則更重要。前者通常強(qiáng)調(diào)單（或雙）星座、單頻、窄帶，所有的措施有助于滿足低功耗需求要素。后者已廣泛采用多個(gè)星座（四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）, 更寬闊的頻段處理, 多達(dá)百余個(gè)通道, 以及最先進(jìn)的版本現(xiàn)在就能提供雙頻能力, 這將導(dǎo)致更高的精度；使用的頻率范圍，從支持所有應(yīng)用領(lǐng)域的單一的L1/E1，到支持專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的四個(gè)頻率。顯示最大的增長(zhǎng)是雙頻解決方案：L1/E1 和L5/E5, 但傳統(tǒng)的L1/E1 和L2 仍在使用中。

3.確保的PNT技術(shù)及其提供的泛在、精準(zhǔn)、安全和連接性能，需要生態(tài)系保障

所有解決方案提供商都強(qiáng)調(diào)了確保 PNT 解決方案的安全和保全的必要性, 特別是在脫離人類控制的環(huán)路系統(tǒng)中, 例如在自主船只、無人駕駛汽車或無人機(jī)中。交通運(yùn)輸和關(guān)鍵安全領(lǐng)域，傳統(tǒng)上受到規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的束縛，因此減慢了新技術(shù)的采用，這種情況現(xiàn)在已經(jīng)開始發(fā)生重大變化的趨勢(shì)表明，新興的無人駕駛汽車，專業(yè)或“專業(yè)消費(fèi)者”無人機(jī)的出現(xiàn)，以及自主船舶開發(fā)，現(xiàn)在正在以非常快的速度開放這些尚未受到行業(yè)監(jiān)管的應(yīng)用領(lǐng)域。多個(gè)星座、多頻率、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)混合和多傳感器融合，都用于促進(jìn)所需的“確保的”和安全的定位解決方案。雖然目前的解決方案表明，對(duì)于自動(dòng)化應(yīng)用的高精度基本上是可以實(shí)現(xiàn)的，但是真正的實(shí)際工作仍然需要解決高水平的完好性、連續(xù)性和安全性，這些對(duì)于保證生命安全應(yīng)用都是必不可少的。

在專業(yè)領(lǐng)域，利用三頻或四頻接收機(jī)，使用所有的GNSS星座和信號(hào)，以及RTK，和網(wǎng)絡(luò)RTK（NRTK）與更高的實(shí)時(shí)PPP增強(qiáng)服務(wù)，達(dá)到高精度。接收機(jī)甚至有幾百個(gè)通道，并已開始配置檢測(cè)某些非預(yù)期的（干擾、欺騙或多徑）信號(hào)。顯而易見，由私營(yíng)企業(yè)和公共系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商提出的PPP/ RTK服務(wù)的興趣與日俱增, 這導(dǎo)致了新的PPP / RTK概念, 旨在解決高精度以外的廣大客戶群，也就是向大眾化市場(chǎng)進(jìn)軍。強(qiáng)大的移動(dòng)計(jì)算機(jī)、平板電腦，甚至于智能手機(jī)，以及開發(fā)面向大眾市場(chǎng)的價(jià)格低廉的雙頻率的芯片組，這些措施合并應(yīng)用使得人們?cè)谥T如此類設(shè)備上，運(yùn)行高精度小批量過程驗(yàn)證測(cè)試（PVT）解決方案成為可行。同時(shí)借助于特定的應(yīng)用軟件，所形成的組合開發(fā)，使測(cè)繪、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)采集和潛在的消費(fèi)電子設(shè)備上的測(cè)量應(yīng)用均將變成可能的現(xiàn)實(shí)，在Android設(shè)備上獲得GNSS原始測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步支持了這一趨勢(shì)。

在PNT生態(tài)體系圖中（圖2），可以看到為了確保四大功能性能的實(shí)現(xiàn)，需要PNT技術(shù)的集聚和非PNT的支撐技術(shù)，累加起來達(dá)到近30項(xiàng)技術(shù)，當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中，在某些場(chǎng)合就不需要全部技術(shù)的堆積，而是優(yōu)選其中若干技術(shù)形成相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)。正如技術(shù)集聚圖中所示（圖3），針對(duì)室內(nèi)、室外，相對(duì)、絕對(duì)定位會(huì)有不同的組合和分野。同時(shí)可以看到，只有在技術(shù)總體上有所把握，才能理清思路，獲得價(jià)廉物美、配置上佳的應(yīng)用與服務(wù)終端產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)解決方案。

在部分或完全自動(dòng)化的任務(wù)和功能中，GNSS發(fā)揮著日益顯著的作用。尤其是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)，隨著無人駕駛汽車、自動(dòng)船舶和自主無人機(jī)應(yīng)用與服務(wù)中，人們不難看到，基于GNSS的自動(dòng)化應(yīng)用服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了交通運(yùn)輸范疇。

圖2 PNT生態(tài)體系圖

圖3 技術(shù)集聚圖

觀察到的許多技術(shù)進(jìn)步，正在或者將要被GNSS導(dǎo)出的位置和時(shí)間所驅(qū)動(dòng)，不僅僅是用于信息目的，也用于監(jiān)測(cè)和日益增加的控制任務(wù)，這正是在機(jī)器人，或者各種無人系統(tǒng)載體的導(dǎo)航中的難題。總而言之，這個(gè)專門問題就是自動(dòng)化，在部分或完全自動(dòng)化的任務(wù)和功能中，GNSS發(fā)揮著日益顯著的作用。尤其是在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)，隨著無人駕駛汽車、自動(dòng)船舶和自主無人機(jī)應(yīng)用與服務(wù)中，人們不難看到，基于GNSS的自動(dòng)化應(yīng)用服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了交通運(yùn)輸范疇。