文|曹冲 环球新时空（北京）信息技术研究院有限公司

2020年10月，欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）发布第三版《GNSS用户技术报告》（以下简称《报告》），旨在帮助用户了解接收机技术及其发展趋势，帮助业界制定相关技术开发、采购、应用规划与决策。《报告》重点关注全球导航卫星系统（GNSS）多星座、多频率、多信号发展的新形势。

一、全球导航卫星系统发展迅速

2020年，美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）、中国北斗卫星导航系统（BDS）和欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo）四大全球导航卫星系统提供全球服务，在轨的GNSS卫星超过100颗。图1为20年来GNSS卫星数量的增长情况（仅统计MEO轨道）。日本准天顶卫星系统（QZSS）、印度区域导航卫星系统（IRNSS）提供区域服务，各星基增强系统建设持续推进。

图1 2000-2020年GNSS卫星数量增长情况

GNSS地面运行控制系统不断升级。目前，GPS和GLONASS的地面系统都在进行现代化升级，以适应GPS-3、GLONASS-K2等最新一代卫星的要求。例如，GPS下一代运行控制系统（OCX）拥有更强的网络安全性、信号强度、精度和抗干扰能力。GPS OCX Block 1系统已经完成开发，预计于2021年交付。

兼容与互操作成为发展主流。多个全球和区域卫星导航系统/增强系统提供商加强兼容与互操作协调，采用兼容频率的开放信号，通用多址接入方案和调制方案，有利于多星座GNSS芯片组和接收机的设计，并最终为用户谋利。全球和区域卫星导航系统均在多个频率中开放信号，使多频率成为GNSS发展的重要特征之一。

全球导航卫星系统已经实现了从量变到质变的发展，由于多星座、多频率、多信号的工作状态，使得定位精度、可用性、连续性、完好性、鲁棒性等性能指标均有明显改进，将引领卫星导航应用服务向产业发展的深度和广度进军。

二、支持多星座、多频率的接收机

基于全球导航卫星系统的最新发展趋势，接收机采用多星座和多频率，通过不同的位置处理方法以及信号处理和天线技术的创新，有望提供更精准、更省电且更可靠的定位导航授时（PNT）服务。

支持多星座成为接收机的标准。《报告》指出，目前大部分接收机（76%）均支持多星座，其中52%的接收机覆盖四大全球导航卫星系统，这一比例在过去2年中增长了20%，主要是由于支持Galileo和北斗系统的接收机增加（图2）。

图2 支持多星座的接收机占比

支持多频率以提升接收机性能。各星座的时间、坐标、轨道和信号体制均有差异，带来了信号处理和位置计算的复杂性。为了实现更好的性能，目前，传统高精度应用之外的接收机现在都具有多频支持，约30%的接收机已支持双频定位（图3）。

图3 支持多频的接收机占比

三、GNSS的脆弱性及其防护

《报告》特别提出，应关注GNSS和其他方面的漏洞给PNT带来的影响，并介绍了相关措施抵御日益严重的GNSS干扰或欺骗威胁，确保PNT在安全和责任关键领域的应用与服务。

GNSS身份验证是应用服务安全性的必要组成部分，可以区分真实信号与伪造信号，从而防止欺骗。同时，采用多源融合的组合定位，加强与5G等其他技术的互补，也有助于提升可靠性。例如，手机终端定位可以利用的定位源包括了GNSS、通信基站、惯性元器件、蓝牙和视觉设备等。

四、技术解决方案及其用例

《报告》的第二部分介绍了具体的技术解决方案及其用例，主要分为以下四类：

一是大众市场设备（大批量设备），即大量为消费类应用服务制造的器件和设备（芯片组、模块和接收机），涵盖汽车、消费级无人机、智能手机，以及移动医疗（mHealth）和机器人等专业物联网（IoT）设备。如图4所示，不同设备的市场成熟度不同，LBS导航、汽车导航等应用已成熟，消费级无人机和移动医疗应用正在走向成熟，增强现实、机器人技术、智能服装等应用是新兴市场。

图4 大众市场设备成熟度

二是安全和责任关键设备，涵盖了航空、海事、铁路和公路运输中用于安全和责任关键应用的接收机技术。这其中的一个重要进展是在交通管理系统中进行车辆跟踪管理。

三是高精度设备，为农业、测量、采矿、GIS行业提供高精度解决方案。随着多星多频的应用、数字化服务、与传感器的融合、与AI支持的数据技术结合，高精度行业正在发生重要变化。

四是授时设备，为电信、能源、金融或运输行业提供授时解决方案。该类解决方案最重要的参数是完整性和鲁棒性，以增强抵御GNSS系统故障、干扰或欺骗的能力。同时，随着5G和自动驾驶技术的发展，对提高授时精度、连续性和可用性的需求日益增长。

第三版《GNSS用户技术报告》的发布，正值全球导航卫星系统，特别是Galileo系统的重要转折时期，全球卫星导航产业迅速发展。新的应用出现，需要定制的、复杂的接收机技术，越来越多的双频接收机可用于大众市场解决方案。在GNSS技术领域中，来自电信、网络运营和IT领域的众多参与者跃跃欲试，未来将向企业和大众用户提供更多的定位、导航和授时解决方案。应该指出，从安全性出发，身份认证技术措施是一个重点目标，还有高精度条件下的快速首次定位时间，以及全球性实时分米级定位也值得关注。