淺談全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展中的 矛與盾

趙爽（北京空間科技信息研究所）

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）應(yīng)用的高速增長以及GNSS接收設(shè)備高精度、小型化的發(fā)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(jiān)視，侵犯個人的隱私權(quán)。出于保護隱私的需要，信號干擾設(shè)備正逐漸興起，如干擾機和欺騙設(shè)備等。但隨著這些干擾設(shè)備的普及，又會對一些關(guān)鍵系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施中的GNSS接收造成影響?？梢?，GNSS應(yīng)用與GNSS干擾設(shè)備在發(fā)展中形成了矛與盾的關(guān)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(guān)注。

一、GNSS市場發(fā)展迅猛，應(yīng)用漸入百姓家

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）是指利用在太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋和空間用戶進行導(dǎo)航定位的一種空間導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前，GNSS系統(tǒng)不僅成為世界各國重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，也成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標(biāo)志。由于GNSS在國家安全和經(jīng)濟與社會發(fā)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(jīng)濟體都競相發(fā)展獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。預(yù)計在2020年前，世界將建成四大GNSS系統(tǒng)：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(tǒng)及其增強系統(tǒng)（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(qū)域系統(tǒng)和增強系統(tǒng)。

GNSS有著廣闊的應(yīng)用前景，目前其市場規(guī)模正保持著高速發(fā)展。近期，歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)督局（GSA）發(fā)布了最新的GNSS市場報告（第二版）。根據(jù)這份2012年新出爐的市場預(yù)測報告顯示，GNSS市場正在快速發(fā)展，截至到2016年，市場總規(guī)模預(yù)計將以平均每年13%的速度增長。根據(jù)該報告預(yù)測，截至2015年，全球GNSS市場規(guī)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(guī)模發(fā)展趨勢預(yù)測

縱觀整個GNSS市場的占有份額，道路導(dǎo)航和基于位置服務(wù)（LBS）仍高居榜首，這兩個市場的終端設(shè)備銷售額分別占整個GNSS終端設(shè)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(yīng)用正逐漸向智能手機市場滲透，市場占有率已經(jīng)達到了30%，而到2020年這一比例預(yù)計將達100%?？梢灶A(yù)見，未來GNSS應(yīng)用將成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧?/p>

圖2 全球GNSS市場分布預(yù)測（2010—2012年累計收益占比）

二、高精度、超小型化的接收設(shè)備讓人歡喜讓人憂

GNSS系統(tǒng)未來將向著導(dǎo)航定位高精度、接收設(shè)備超小型化的方向發(fā)展，以美國的GPS系統(tǒng)為例。2000年5月2日，美國關(guān)閉了GPS在軌衛(wèi)星上的選擇可用性（SA）開關(guān)，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(dǎo)航系統(tǒng)不能提供精確轉(zhuǎn)向，民用GPS裝置也不能精確定位到某個街區(qū)，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(zhǔn)站、更優(yōu)化的算法和更先進的接收機，性能卓越的民用GPS設(shè)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(dāng)前利用GPS信號的載波相位和互聯(lián)網(wǎng)，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(fā)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(shù)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(xiàn)在了科幻電影中，在索尼電影公司2006年發(fā)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(nèi)。

未來一旦制造出這種“GPS點”并推廣普及，我們的生活將發(fā)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?fù)?dān)心丟失。同樣的，我們也能方便地掌握親人的位置，再也不必?fù)?dān)心老人或者孩子走失。

當(dāng)然，GNSS系統(tǒng)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(shè)備得到廣泛應(yīng)用，它們也可能成為壞人犯罪的得力工具，就像現(xiàn)在的微型竊聽器一樣，侵犯人們的個人隱私。

圖3 GNSS接收設(shè)備向小型化發(fā)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(shè)備悄然興起。廉價、移動的GNSS射頻干擾發(fā)射器非常容易從互聯(lián)網(wǎng)或其他地方獲得，比如圖4中這款干擾設(shè)備，其網(wǎng)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(shè)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(shù)百米，而且也無法做到任意調(diào)整覆蓋范圍的形狀，所以難免對其覆蓋區(qū)域內(nèi)及周圍的其他GNSS應(yīng)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(tǒng)（WAAS）參考站監(jiān)測到的干擾事件。圖中3條線分別對應(yīng)WAAS所采用的3顆地球靜止衛(wèi)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)這一干擾來自一輛裝有GNSS干擾設(shè)備的汽車。警察根據(jù)干擾的規(guī)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(shè)備。

圖4 一種常見的GNSS干擾設(shè)備

圖5 2011年4月9日利斯堡WAAS參考站監(jiān)測到的干擾事件

四、“魔高一尺，道高一丈”——全源導(dǎo)航技術(shù)指引抗干擾技術(shù)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(fā)展的應(yīng)用中，讓人們越來越依賴它們。不過，GNSS系統(tǒng)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(tǒng)被干擾或者因其他原因癱瘓，將會給人們的生活和生產(chǎn)帶來不可挽回的損失。因此，未來將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)作為一種主要的定位、導(dǎo)航和授時手段，但卻不是唯一手段，通過其他技術(shù)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(dǎo)航”（ASPN）的導(dǎo)航技術(shù)，旨在尋求在沒有GPS的情況下，為任何操作平臺和任何環(huán)境下的軍用用戶提供低成本、高魯棒性、無縫的導(dǎo)航解決方案。ASPN將通過利用不同傳感器的組合獲得輔助導(dǎo)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(dǎo)航解決方案的質(zhì)量和魯棒性。同時，ASPN還將根據(jù)具體的局部環(huán)境條件，靈活選擇最合適的傳感器，提供針對性的導(dǎo)航技術(shù)，例如，基于圖像的導(dǎo)航可能在都市環(huán)境白晝條件下發(fā)揮良好效果；基于重力場的導(dǎo)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(nèi)。因為既然是全源導(dǎo)航，只要GPS信號可用，就應(yīng)以GPS為主。這樣，這個完整系統(tǒng)結(jié)合所有可用信息，當(dāng)某些傳感器不可用時，仍可使用其他信號源。