未来潜在PNT手段——《GNSS中断对英国的经济影响》报告第6章

来源：The economic impact on the UK of a disruption to GNSS Report - Chapter 6
时间：June 2017
翻译：https://blog.csdn.net/jimmyisme
咨询机构：London Economics
委托单位：Innovate UK, THE UK SPACE AGENCY, ROYAL INSTITUTE OF NAVIGATION

本章的最终的研究目标被称为：确定缓解手段的成本和效率。

这个任务着眼识别出对于GNSS用户的可用选项以期降低对GNSS每天操作的依赖程度。GNSS提供三种服务：位置，导航和授时（PNT），为每项服务的用户决定可用选项是有用的。许多用户取决于环境将依赖两种或多种服务，但适度简化是可行的：
■ 定位用户涉及到的范围包括消费电子（智慧手机，健身追踪器），保险远程信息处理，以及非安全关键铁路和海事应用；涵盖安全、搜索和救援（比如COSPAS-SARSAT方案下的紧急信标）；高精度应用包括高精度农业（可变速率技术）和建筑应用。
■ 飞行空中系统（RAPS）的无人驾驶导航。
■ 授时用户和国家关键基础设施有明显重合，包含通信、电网和金融行业。
缓解手段涵盖传统方法和当前及未来的技术，下面将进行讨论：

6.1 传统/当前的方法

对于定位和导航，可以使用GNSS的特定替代方案。这些方案包括使用时钟和六分仪，或雷达系统确定海上位置，以及在公路上使用纸质地图确定位置。航空领域也可以采用一系列备用系统如VHF全向距离（VOR），距离测量仪（DME）以及仪表着陆系统（ILS）来确定位置。但目前尚没有应用于定位和导航的替代GNSS通用方案，许多传统的导航手段可能不容易给有需求的个人稳定使用。
例如，对于行人导航和道路导航，不清楚司机在货运车辆中是否携带地图。更为基础的是，驾驶员基于地图进行成功的实际导航的能力也不明确，并且所要求的地图数量很可能超过库存（例如：伦敦A-Z）。基于手段上的考虑，这些问题并不仅限于司机，还有许多利益相关者对海员重启传统手段的能力表示担忧。这种关注也延伸到休闲船舶和VFR飞行中。对于其他行业，例如农业和测量方面，并没有可以比较的传统缓解手段存在。自动化集装箱港口的发展也意味着基于GNSS的系统已经取代了体力劳动者，大型港口将无法重启基于条形码的集装箱识别手段。
通过在GNSS定时接收机中使用适当的振荡器可以减少GNSS定时能力的损失，该振荡器可以保持一定的保持时间，从几分钟到几个月（如图1），或通过使用铯钟或铷钟。然而，具有较长保持期的高质量的设备更为昂贵。因此，依赖于授时能力GNSS信号的损失仍将受到影响，并且这种损失的影响程度在某种情况下是取决于所使用的振荡器质量以及现有的其他缓解手段。

6.2 当前和未来技术

这部分将总结目前和未来缓解GNSS中断风险的技术方案，并考虑缓解第5部分中估计损失的成本和有效性。这部分按技术进行组织，并依次讨论。我们已确定其中有四项技术与位置、导航有关。图2对每一种技术按覆盖范围、维度和精度进行总结。

除了上述四种与定位、导航相关的技术外，还确定了四种与授时相关的技术。图3对这八种技术依次进行讨论和总结。

6.2.1 E罗兰

E罗兰是一种运用于一系列应用上的潜在PNT手段。E罗兰是一种，类似于GNSS（用外行话来说）的陆基系统，它发射授时信号和定位源信号，通过接收机计算传播时间（距离），最终定位。重启E罗兰系统的单位周期（15年）成本为5000万英镑。
E罗兰定位与导航的能力近似于GNSS。然而，由于它是陆基系统独立于GNSS之外，E罗兰不必承受GNSS同样的风险。由于这个原因，E罗兰可以作为PNT的补充源，以缓解GNSS信号中断带来的风险。E罗兰信号的属性意味着它可以用于GNSS无法提供足够信号强度的区域，比如：建筑物里或者地下。E罗兰发射时间信号可以很轻易的转换成为世界标准时间（UTC），且在2014年测试中测定时间测量误差小于100纳秒。这一时间精度优于大部分时间应用的时间精度需求。
另一个方面，E罗兰仅能提供二维定位信，其90-110KHz信号解码频率也容易受到简易荧光灯（低功耗灯泡）40-80KHz的工作频率的干扰。另外，对于特定GNSS应用需求，E罗兰的精度并不适合。对E罗兰接收天线的要求大约是飞盘大小，才让E罗兰成为时间基础设施用户、船载用户以及机载的可行选项。E罗兰不太可能被纳入车载用户的考虑中，由于导航所要求的环境干扰比较强烈，尤其是城市，还有就是天线的形状因子不具有吸引力。
E罗兰未来的地位尚不清晰，在欧洲仅有一个天线还保留着。鉴于仅有一个天线可用，E罗兰并不算是导航和定位的缓解手段的选项。
目前用户花费在E罗兰解决方案上的成本高于GNSS上，但业界领先的制造商已经确认，如果政府承诺持续提供E罗兰服务，在一年内接收机的价格将具有竞争水平。另外，采用“E罗兰+GNSS”授时组合因附加天线将产生额外开销。

6.2.2 Satelles 授时与定位服务（STL）

“铱星”通信系统最近被引入提供STL服务。这项服务将通过“铱星”卫星系统提供定位、导航和授时信息，它的信号强度比GNSS更高（大约是GNSS功率的300-2400倍），为关键国家基础设施提供一个对GNSS持久备用的手段。STL通过IEEE-1588标准实现兼容性，授时误差能达到10ns-100ns，水平位置精度可达20m-50m（增强可达10m）。这样的性能使STL对关键基础设施和交通应用具有吸引力。
STL是一个包括Iridium, Spectracom, McMurdo和Orolia的私营企业。系统成本由公司承担，因此需要从用户的角度考虑解决方案的成本。没有关于用户成本的信息，但STL信号在L频段上发送（1626MHz），频率接近GPS粗略采集信号（1575.42MHz）频率，因此组合接收器似乎有可能在未来出现。从风险缓解的角度来看，这些不仅具有吸引力，但考虑到STL具有更好的信号强度，对于无缝室内和室外导航很有吸引力。由于用户设备尚不可用，因此对形状因素的考虑尚为时过早，因此预期解决方案的适用性至少与E罗兰想当。设备价格和访问服务的订阅费（如果有的话）尚不清楚。

6.2.3 Locata

Locata是另一种作为GNSS备选的潜在选项，可用于本地。Locata提供精确的位置信息，以及获得亚厘米级视频的精度水平。Locata通过在地面上创建本地热点，发射无线电位置信号的工作方式替代卫星。许多Locata热点形成了一个本地发射机网络，被称为LocataNet。Locata的时间同步能力很好，在2013年在新南威尔士大学的测试中传输35公里距离同步精度可达2.5纳秒。
Locata的工作方式类似GNSS，与E罗兰和STL一样，在GNSS中断时能作为一个单独的GNSS备选项或GPS的补充扩展手段。Locata接收机能跟踪GNSS卫星信号和陆基Locata信号，并实现无缝整合两套系统。
然而，与E罗兰和STL不同，Locata并不能作为大范围GNSS的备用，但特殊的设计针对本地应用。
Locata仍然处于早期发展阶段。毫无疑问，它已在军事应用上取得成功，例如：美军的白沙导弹系列中。此外，美国宇航局也宣布在Langley研究中心安装LocataNet作为安全关键无人机（UAS）研究的核心PNT技术。

6.2.4 Omnisense SP500 系统

Omnisense S500 地理集群系统是本地级潜在GNSS替代方案。Omnisense系统是完整的3D定位系统，与Locata类似，通过部署大量定期广播导航信号的移动信标，形成信标无线网络。
根据Omnisense的说法 ，他们的系统是便携的（没有固定的基础设施要求），易于安装、廉价，可用于工业场景中，用于现场物流，堆场管理，施工，车队管理等任务；可用于奶牛跟踪/监控和环境监测等农业场景中；可用于消防员，急救人员，警察等提供紧急服务；可用于痴呆症跟踪，体育和健身训练等医疗健康任务；也可用于士兵训练，GPS拒绝情况下等国防安全场景。因此，Omnisense系统可以成为可行的GNSS备份方案，用于要求快速轻松部署的本地化的任务。
Omnisense技术准备就绪并可从中获得一个系统。就覆盖范围而言，它针对的是本地应用例如跟踪奶牛。鉴于上述，这个系统不会作为大规模GNSS PNT备份手段使用，而是作为本地应用的备选方案。Omnisense使用超宽带和WIFI的频率来提供解决方案。
本节已删减包含敏感信息，以供公众传播。

6.2.5 低精度授时方法

另一个授时选项采用网络授时协议(NTP)提供自由授时服务，这些服务可以在互联网上自由获得。不幸的是，这些服务的精度有局限，并且它高度依赖客户端到服务器端的网速，精度范围一般≤1ms-30ms。这种NTP服务器自身也是基于GNSS的。
不需要非常精确授时信号的应用可以采用英国国家物理实验室提供的MSF60kHz无线电信号。但是，授时精度在10ms时，该授时源适合作为备份的程度取决于应用的精度要求。

6.2.6 精密授时协议

如果要求更高的精度，精密授时协议（PTP）能被用于同步。与NTP相似，PTP是基于授时协议的网络。然而，与通常在软件级别执行时间戳的NTP实现不同，PTP实现使用专用硬件进行时间戳，以便网络路径问题最小化。 PTP可以使用本地主时钟作为定时输入在局域网内使用。尽管精度取决于用作时序的时钟源和网络的设置，但使用专用硬件可以使PTP的授时误差达到10纳秒到100纳秒。至关重要的是，用作PTP网络输入的授时源不依赖于GNSS，或者在GNSS中断的情况下也能足够持久。
与NTP类似，精确时间协议也可以用作较长距离的同步协议。但是，性能是取决于网络配置。

6.2.7 NPL授时

对于金融应用而言，国家物理实验室提供了一种完全通过光纤传输的付费授时服务，NTP授时。经过认证，符合独立于GNSS的监管要求。由于该服务相对较新，因此尚未广泛使用。此外，此服务的规定取决于当前光纤网络的覆盖范围以及NPL对这些网络的访问权限。尽管NPL已签署协议为UBS和TMX Atrium提供NPL授时.
另外，最近的政府科学办公室报告建议NPL探讨为时间和频率分布，建立一个连接英国各主要地点的全光纤网络的可行性。这种方案和其他有线解决方案的适用性均取决于应用，因为在一些应用中将光纤网络推广到所有站点是不可行的。

6.3 缓解技术总结

本节总结了本章讨论的缓解手段，并确定了缓解问题有用的备选方案，其中“传统方法”被视为默认缓解，在表中并未提及。
缓解措施假设可以合理地预期配备缓解技术的所有用户（NTP服务器用户，建筑业用户，车辆用户等）都会这样做。
估计损失总额为52亿英镑，如果所有用户都能在非常宽松的物理和实际实施条件下实施精确满足其要求的解决方案，则缓解手段可使此损失减少高达42亿英镑。
实际上，这些条件不太可能成立，因此更为现实的估计是，外形被认为是应用程序的约束，而本地网络（Locata和Omnisense）12亿英镑并不被认可。。
E罗兰和STL是迄今为止最适用的缓解技术，Locata和Omnisense是农业和勘测领域高精度应用中所必需的。