关于GNSS在海洋及航天等领域应用受到的三点挑战

文丨摘抄
《2019-2020 GNSS技术趋势蓝皮书》

当今的海事使用全球卫星导航系统作为确定位置、进行导航和接收时间信息（PNT）的主要方法。它应用于大多数船舶的中间桥到发动机室中，且大多数船舶配有多个接收机。迄今为止，没有GNSS系统提供实时完备性警报，即实时通知用户任何系统故障或错误。目前，海员使用海上无线电信标差分GNSS（或GPS）服务来实现完备性和准确性的改进。

全球导航卫星系统（GNSS）是确定商船的绝对位置、速度和时间（PVT）信息主要来源。在船桥上，电子海图和信息系统（ECDIS）、自动跟踪控制系统和自动识别系统（AIS）等许多系统都依赖于PVT。 

 

图.差分GPS系统用途概览

戈达德太空飞行中心（GSFC）的搜索和救援（SAR）任务办公室位于马里兰州格林贝尔特，正在与国际伙伴合作，完成下一代中地球轨道搜救（MEOSAR）系统的开发。《针对航天搜索救援活动基于GNSS系统的支持》一文中，研究人员探讨了MEOSAR部署的最新进展，应急定位信标中最先进的技术及其与国际社会的接轨情况，包括与联合国全球导航卫星系统国际委员会（ICG）的国际Cospas-Sarsat计划和全球导航卫星系统（GNSS）服务提供商的讨论。

 

现有的GNSS在海洋及航天等领域应用受到的挑战主要有三点:

 

（1）虽然海洋无线电信标服务自20世纪90年代末引入以来已经不断发展，但该方法相对简单，并且需要沿海岸的固定基础设施向几百公里内的用户广播校正信息。无论是在设备提供方面，还是在维护方面，提供这种广播信息都是价格昂贵的。使用单独的300kHz信道需要进行年度许可认证，且需要国际协调和多种特定接收设备。

分析：在整个欧洲，过去几年一直考虑在整个海事部门使用基于卫星的增强系统（SBAS）。SBAS主要用于支持航空用户，虽然它们是以不同的方式进行海洋无线电信标服务工作，但它们提供了兼容的增强服务。研究人员报告了国家主管当局在寻求使用SBAS时需要考虑的技术挑战和其它待考虑因素，列出了有关的国际标准和海事接收设备的当前情况，并提供了GLA服务区两个系统之间的比较结果，最后还列出了推进系统前进的潜在方案，呼吁开展国际合作，以确保实现方案真正的国际化，同时认识到多个区域系统的规划对于国际海运船队来说效果并不理想。

 

图源 | www.gsa.europa.eu及forobs.jrc.ec.europa.eu

 

（2）由于空间天气的干扰和欺骗性，GNSS性能会严重降低，特别是低成本干扰器（所谓的个人隐私设备PPD）的使用，产生了如何在这种情况下实现PVT数据连续可用的问题。

分析：通常考虑用于该挑战的三种可能解决方案：i）地面备用系统的使用, ii）抗干扰GNSS接收器, iii）GNSS与其它车载自带导航传感器的集成。例如速度记录仪、陀螺罗盘和惯性传感器（惯性测量单元- IMU）。研究人员重点关注了（iii），并讨论是否有可能通过卡尔曼滤波器（KF）使用GNSS、惯性和多普勒速度记录（DVL）来桥接海上GNSS干扰攻击。

这里KF的主要挑战是，在已降级的GNSS信号接收一段时间后需要执行自由惯性积分。由于KF仅在已知测量统计数据的假设下才是最佳估计量，因此出现了以下问题，即干扰影响下的伪距是否仍然遵循某些统计量。为了回答这个问题，研究人员进行了另外的实验分析：传感器融合是通过使用松散和紧密耦合的体系结构实现的，这些体系结构是使用Unscented卡尔曼滤波器（UKF）实现的。融合算法在具有四元数姿态参数化的ECEF坐标系中定义，其中可通过融合来自GNSS罗盘的基线测量值来解决航向可观测性的问题。

为了评估所提出的传感器融合方案在真实海上干扰攻击影响下的性能，研究人员在波罗的海的民用海上干扰试验台进行了试验，试验台与德国联邦网络管理局一起在Darß 岛屿以北约6海里处建立。将PPD干扰器安装在锚定船的甲板上，由一艘测试船在干扰机周围操控。使用多功能研究潜水船Baltic Diver II（长29米，横梁6.7米，吃水深2.8米）作为试验船，配备三个双频GNSS接收器，一个光纤陀螺仪IMU和一个多普勒速度记录器。所获得的结果证实，使用PPD干扰器产生的真实海上干扰攻击可以通过所提出的紧密耦合GNSS-IMU-DVL集成方案来解决，使水平位置误差小于10m。

 

（3）MEOSAR系统需要在飞机、船和用户终端携带SAR信标，用户在紧急情况下将广播一个或多个MEOSAR卫星跟踪信号。该信号被转发到专门的地面站以确定传输的位置，然后派遣救援人员。MEOSAR全面实施后，将在美国GPS、俄罗斯GLONASS，欧洲伽利略和中国北斗上进行托管。整个过程复杂且具有挑战性。

分析：从2006年至2008年，NASA SAR开发了目前用于GPS IIR（M）和IIF卫星飞行器上的遇险警报卫星系统（DASS）概念验证技术。DASS确认了MEOSAR系统的优势，证明基于MEO的遇险告警卫星系统可以显著提高国际社会检测遇险警报的能力。2009年，美国空军要求美国民用SAR社区在22颗GPS-IIIF卫星上安装SAR中继器，即SAR GPS，作为美国对MEOSAR系统的运营贡献。GPS-IIIF的部署预计将于2026年开始，有效载荷由加拿大提供。

美国国家航空航天局感兴趣的MEOSAR for SAR用于宇航员的特殊领域是发射和陆地海上的着陆过程。2018年10月11日，联盟号MS-10发射中止时，这一能力得到了证明，联盟号将携带新的美俄机组人员前往国际空间站（ISS）。在此期间，GSFC的中地球轨道本地用户终端（MEOLUT）是美国唯一接收联盟号紧急信标传输的地面站——通过Galileo和GPS DASS航天器传输。在降落伞部署时广播确定初始位置，在最终着陆时发生第二次信标触发。着陆后分析表明位置误差为1.6 km。随着更多的MEOSAR有效载荷上线进行多GNSS现代化改造，这些领域的定位精度将继续提高。

                                                      

1.Lisa Mazzuca, James J. Miller, Anthony Foster, NASA; A.J. Oria, Overlook Systems Technologies, Inc. GNSS-based Search and Rescue Support to Human Spaceflight. ION GNSS+ 2019.

 

来源：上海北斗导航创新研究院，原标题《GNSS在海洋及航天等领域应用受到的挑战与分析》

作者：北研院

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