GNSS交通安全和法律責任關鍵解決方案
——《GNSS用戶技術報告》簡介之三

● 文 |中國國防科技信息中心 王歡 趙利平 席歡

GNSS交通安全和法律責任關鍵解決方案
——《GNSS用戶技術報告》簡介之三

● 文 |中國國防科技信息中心 王歡 趙利平 席歡

自1981年第一臺GPS接收機TI-4100問世以來，到現(xiàn)在GNSS芯片已廣泛集成到眾多智能手機、可穿戴設備中，GNSS接收機的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化。近年來，多GNSS星座的建設以及新服務的涌現(xiàn)，促進了GNSS用戶技術蓬勃發(fā)展。本文根據(jù)歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）2016年10月5日發(fā)布的第一版《GNSS用戶技術報告》，梳理總結了GNSS用戶技術的交通安全、法律責任關鍵解決方案。

GNSS；接收機；安全關鍵；法律責任關鍵

一、GNSS用戶技術的主要特征和關鍵性能參數(shù)

本節(jié)主要介紹GNSS接收機技術的相關內(nèi)容，用于滿足航空、海運、鐵路和公路運輸中日益增長的交通安全關鍵和法律責任關鍵應用需求。但是需要注意的是，并非所有的交通應用都歸入安全關鍵或法律責任關鍵應用。例如，車載導航設備（PNDs）歸入“大眾市場”部分，而車隊管理則歸入“高精度授時和資產(chǎn)管理”部分。另外，在交通之外的其他應用領域也有一些關鍵性應用，但在本報告中并未進行考慮。關鍵基礎設施的授時和同步是一個例外，將在“高精度授時和資產(chǎn)管理”部分進行專題討論。

在道路收費等法律責任關鍵應用以及自動汽車等安全關鍵應用中將GNSS作為位置傳感器是一個很明顯的應用趨勢。伴隨著這一應用趨勢，公路設備將逐漸與航空、鐵路和航運設備同步發(fā)展。本節(jié)還包括車載導航和工廠前裝的GNSS接收機，盡管它們目前主要用于車輛信息娛樂系統(tǒng)。從相對簡單的“定位”到最復雜的“控制”（如自動駕駛汽車），其關鍵性等級越來越高，因此這些應用通常受到監(jiān)管。對于新興應用，可能將受到監(jiān)管或標準化設計/性能要求的制約。

本節(jié)中，所有應用需要滿足高級別的信任和彈性要求。具體性能參數(shù)有：

完好性：完好性的缺失可能導致安全關鍵應用的災難性事件，例如航空應用中出現(xiàn)空中碰撞。它還可能導致錯誤的收費/罰款，從而危害到法律責任關鍵應用的全面推廣。

連續(xù)性：結合完好性，在安全關鍵應用系統(tǒng)程序連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中發(fā)揮關鍵作用。對于法律責任關鍵應用也至關重要，因為不連續(xù)可能導致某些應用癱瘓（例如道路收費或保險）。

強健性：容易受到干擾或無法檢測到欺騙信號可能導致事故發(fā)生，或?qū)е履承貌豢捎谩?/p>

可用性：鑒于所支持的應用需要全年、全天候運行，因此定位技術的支持至關重要。

精度：某些應用可能需要較高的精度才能發(fā)揮作用。

總而言之，除個人汽車導航外，所有這些應用均需具備以下關鍵參數(shù)：完好性、連續(xù)性、強健性、可用性和精度。此外，一些特定的應用/操作可能還需要滿足準確性要求。

信號驗證是一個重要特征，在某些情況下是檢驗強健性的基礎。然而，本報告將其作為“信號屬性”，而不是用戶的“關鍵性能參數(shù)”。

二、GNSS應用行業(yè)規(guī)劃

（一）監(jiān)管環(huán)境

成熟的安全關鍵應用需要特別注意監(jiān)管問題，新興應用成熟以后也必須關注。法律責任關鍵應用可能不需要像生命安全應用那樣嚴格的標準，但也只有當特定法律程序到位時才成為可能。這種對監(jiān)管的高度依賴使得該應用領域接收機應用產(chǎn)生很多后果，包括提高開發(fā)、認證成本，增加壽命周期并帶來相應的技術淘汰問題，減緩采用新信號和新服務的速度。

道路部門目前較少關注與定位有關的規(guī)章制度，不過隨著諸如道路收費等法律責任關鍵應用、自動駕駛汽車等安全關鍵應用不斷引入，相關的標準和規(guī)章可能將陸續(xù)出臺。

（二）新興應用正在不斷涌現(xiàn)

盡管當前與安全相關的GNSS市場處于成熟和穩(wěn)定狀態(tài)，但新的應用或使用案例也正在被提出。這將對公共安全產(chǎn)生潛在影響，雖然目前尚未完全進行適當?shù)谋O(jiān)管。究其原因，要么尚在開發(fā)階段，要么僅僅因為創(chuàng)新的速度遠比監(jiān)管來的快。

最值得注意的是，無人平臺自動化的趨勢（無人機、無人車輛和無人駕駛汽車）正在撼動傳統(tǒng)行業(yè)，不僅是因為這將成為創(chuàng)新的主要來源，也因為這種來自外部的創(chuàng)新具有顛覆性，遠比行業(yè)內(nèi)部的增量式發(fā)展來得迅猛。

（三）接收機行業(yè)

歷史上，每一種關鍵市場如航空、海運和鐵路等，均由一個主要的擁有領域經(jīng)驗的獨立專業(yè)制造商控制GNSS技術。另外，一些集成商雖然不能控制自身產(chǎn)品中的GNSS芯片或模塊，但也可能占據(jù)重要市場份額，如在航空電子領域占絕對優(yōu)勢的佳明公司。與一級供應商向“傳統(tǒng)的”汽車制造商交付車載導航或信息娛樂系統(tǒng)不同，汽車部門主要從大型芯片制造商獲取GNSS技術（這一點與消費部門非常相似）。

與此同時，來自IT行業(yè)的新興企業(yè)，最顯著的是谷歌和蘋果公司，正在采取顛覆性戰(zhàn)略，直接瞄準未來無人駕駛領域作為其提供服務的新平臺（繼家用電腦、移動電話和平板電腦之后）。無人駕駛車輛若要成為現(xiàn)實，需要一套完整的導航方案，能夠很好地解決高完好性，GNSS薄弱地區(qū)（如城市峽谷、隧道等），動態(tài)變化的遮擋環(huán)境、路徑/車道保持的特殊精度要求，其他附加條件（如標志、照明系統(tǒng)）等各種挑戰(zhàn)。

因此，控制系統(tǒng)必須緊密耦合各種獨立的傳感器和使用復雜的數(shù)據(jù)融合算法，這也導致責任明確問題越來越復雜。全自動控制（自動駕駛汽車）系統(tǒng)正在研發(fā)中，創(chuàng)新的速度很快，但是相應的法律和基礎設施還未完善。GNSS只是這些未來系統(tǒng)的一個組成部分，當前使用的接收機和大眾市場汽車應用的接收機類型相同。面對定位強健性、準確性要求更高的應用需求，雙頻接收機將是未來的發(fā)展趨勢，可能還要求具備某種完好性或認證功能。

三、雙頻接收機將顯著提升精度和完好性

1. 采用多星座方式

是否采用多星座技術在不同細分市場差異很大。諸如航空領域，由于需要遵守相關規(guī)定，但現(xiàn)有規(guī)定往往只支持GPS星座，這就意味著采用其他星座將沒有可行性。即使有關監(jiān)管現(xiàn)狀發(fā)生改變，但由于產(chǎn)品生命周期很長且改造成本高，仍舊很難在短時間內(nèi)快速提升多星座產(chǎn)品的使用率。

而在海運、公路和鐵路領域，多星座技術的采用率均相對較高。例如，全球市場約60%的設備支持GLONASS。這和俄羅斯政府決定推廣GLONASS在一些領域（車載導航市場、航空、綜合訓練保護系統(tǒng)）的使用有直接關系。

隨著Galileo和北斗等新興GNSS系統(tǒng)接近完成，必然出臺相似的政策來促進系統(tǒng)的快速采用。與此同時，一些歐盟立法如智能行車記錄儀或自動呼叫系統(tǒng)（eCall）已經(jīng)完善，這無疑將促進包括E-GNSS在內(nèi)的多星座接收機的使用。

2. 采用多頻段方式

所有接收機均支持L1頻率，僅有一小部分接收機支持L2、L5或L6頻率。這是因為在交通領域占主導地位的是成熟的航空和海運市場，目前由于監(jiān)管問題僅支持L1頻率。但也面臨一個重要問題，即GNSS信號對干擾/欺騙的脆弱性問題，而使用雙頻將減輕這種風險。

此外，預計雙頻接收機很快將滲透到汽車領域，并且將越來越多地用于更先進、自動化的全自動駕駛車輛。鑒于此，雙頻將成為提高精度和完好性的一個關鍵因素。

由于不止一個GNSS星座提供L5/E5信號，未來當必要的標準完善后，交通領域細分市場有望采用L1/ E1+L5/E5雙頻接收機。因此，預期未來五年內(nèi)，L1/E1+L5/E5雙頻接收機的數(shù)量將顯著提高。

四、典型先進接收機的規(guī)格和分析說明

航空、海運和鐵路市場對于以下關鍵問題分別確定了一套自己的標準：使用哪個星座的哪些信號；精度、完好性、可用性和連續(xù)性要求；定位輸出格式和接口細節(jié)；外觀和裝配；功率和環(huán)境要求等。由于完好性和連續(xù)性對于這些應用至關重要，需要按照適當?shù)臉藴室?guī)定具體的方法。外觀和裝配通?？赏ㄟ^傳統(tǒng)外部天線（帶有中高增益前置放大器，可以補償電纜損耗）和內(nèi)部接收機配置最大程度地滿足。這些接收機大多具備“全視圖”能力，即單頻、單星座及星基增強系統(tǒng)能力。由于海運監(jiān)管包括所有的GNSS星座，一些雙星座接收機相應的將擁有更多信道。海運的另一個特征是增加了一部內(nèi)部無線電信標接收機（雙中頻信道），專門用于接收國際航標協(xié)會（IALA）差分GNSS系統(tǒng)的信號。

自動接收機和大眾市場的芯片或模組非常相似，但不受功耗方面的約束。另一方面，自動接收機需要滿足自動駕駛汽車的性能要求，如關注溫度范圍或溫度變化等。在公路收費、智能計速器或按行駛里程繳納保險等應用中，這些接收機通常集成到專門的車載單元（OBUs）。需要注意的是，當需要采取任何額外的手段來確保定位系統(tǒng)滿足安全或法律責任關鍵功能時，主要是在車載單元級實現(xiàn)，對GNSS芯片級沒有影響。這種情形未來隨著經(jīng)過認證的GNSS信號的采用將可能改變，因為認證信號要求在GNSS芯片級進行專門處理。GNSS接收機同樣適用于相對簡單的車載導航和信息娛樂系統(tǒng)，不過這些不是安全或法律責任關鍵應用。

隨著汽車內(nèi)逐步引入與GNSS相關的功能，未來在一輛汽車內(nèi)部使用多部GNSS接收機將成為一種趨勢。不過，也可能采用一種更一體化的方法，利用一部具備強健性和準確性的GNSS接收機作為“位置引擎”，通過適當?shù)臄?shù)據(jù)總線，驅(qū)動多種應用共同工作。這種GNSS接收機也有望與慣性傳感器和數(shù)字制圖緊密集成，提供一種高性能的定位子系統(tǒng)。

五、未來發(fā)展趨勢

1.車聯(lián)網(wǎng)將推動高級主動駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的實施

互聯(lián)汽車通過使用車載傳感器與互聯(lián)網(wǎng)連接，能夠優(yōu)化操作和維護，為乘客提供便利、舒適和具有娛樂設施的乘車環(huán)境。互聯(lián)汽車通常包括導航、汽車系統(tǒng)診斷和預測、手勢控制、語音指令、停車輔助、安全和安保、車隊管理、車輛跟蹤、道路救援、WiFi熱點等特征。車輛還可以與其他家庭和辦公設備互聯(lián)互通，通過車和車（V2V）以及車和基礎設施（V2I）之間的交互獲得最新交通信息，優(yōu)化路線，避免交通事故［V2V和V2I通常合稱為協(xié)同式環(huán)境感知系統(tǒng)（V2X）］。

總之，ADAS對汽車行駛過程中的可靠性、準確性和安全性同步提出要求。車輛和基礎設施實現(xiàn)準確的絕對和相對定位，是實現(xiàn)半自動和全自動駕駛汽車的關鍵。而V2X測距功能和GNSS的融合將能夠提供ADAS所需的精度和強健性。

V2X技術有望很快部署。在美國，國家公路交通安全管理局（NHTSA）已經(jīng)要求新的輕型汽車在2020年左右開始分階段實施，2025年左右完成。關于售后車輛設備的相干規(guī)定也有望隨后推出。在歐洲，2016年4月，《阿姆斯特丹宣言》確定了歐洲在自動駕駛汽車領域的合作框架，包括制定一份研究和創(chuàng)新共享戰(zhàn)略，發(fā)展協(xié)同式智能交通系統(tǒng)以及建立適合歐盟的監(jiān)管框架。

2. 自動化技術將刺激定位技術的研發(fā)

所有類型的交通工具都呈現(xiàn)出向自動或機器人車輛/飛行器發(fā)展的趨勢，這種趨勢甚至已經(jīng)延伸到一些專業(yè)應用領域，如農(nóng)業(yè)。自動駕駛汽車可能是這些概念中最具挑戰(zhàn)性的，同時也是研究和創(chuàng)新成就大量涌現(xiàn)的集結地，參與其中的既有傳統(tǒng)汽車廠商也有IT行業(yè)。

實現(xiàn)全自動駕駛還有很多障礙，多數(shù)直接與定位系統(tǒng)相關，包括定位精度必須提高到分米級；必須確保在城市峽谷中具備更好的連續(xù)性；需要更高的可靠性，甚至是采用信號認證，以防止惡意攻擊或促進法律責任機制的建立。為了提升自動化水平，GNSS接收機很快將從當前的多星座、單頻演變?yōu)槎嘈亲㈦p頻，催生新的“雙頻、大眾市場”GNSS接收機。

新興的安全關鍵應用需要提供準確、可靠的定位信息，最常見的方法仍然是使用多個數(shù)據(jù)來源，其中部分數(shù)據(jù)來源可能相當昂貴，例如先進的雷達傳感器、攝像頭、基礎設施/傳感器、差分技術等。

在研的ESCAPE項目旨在開發(fā)一個通用的解決方案來滿足高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、基于V2X的防撞系統(tǒng)、自動駕駛汽車、危險貨物運輸?shù)榷喾N安全關鍵應用的需求。E-GNSS引擎將為這種一體化定位系統(tǒng)提供增強的強健性、完好性和精度，其目標是重復進行位置計算，將結果提供給上述安全關鍵應用，以及一組車載應用，為用戶提供舒適的乘車環(huán)境。E-GNSS引擎包括GNSS芯片組/接收機和額外的軟、硬件部分以及車輛標準接口，以形成滿足安全關鍵應用的準確而可靠的最終位置計算結果。

3. 高完好性和認證將用于法律責任關鍵應用

在法律責任關鍵應用（例如監(jiān)控）中使用的接收機可能會受到監(jiān)管，雖然其嚴格程度不及安全關鍵應用。與替代技術相比，其可靠性主要受經(jīng)濟和法律利益以及GNSS應用的成本效益驅(qū)動。

法律責任關鍵應用市場比安全關鍵應用市場更加龐大和多樣化，因此通過不同技術手段和創(chuàng)新輔助服務形成了多種產(chǎn)品。與安全關鍵應用相比，其接收機易于安裝和更換。但也應指出，諸如車輛遠程控制保險使用的設備目前僅支持GNSS設備，沒有特別關注潛在的脆弱性問題。這將提高風險，比如在涉及支付的應用（例如道路用戶收費）中廣泛使用GNSS技術，可能發(fā)生用戶不當收費索賠，甚至試圖通過基于GNSS車載單元的“自欺騙”逃避付費。因此，用戶和服務商必須足夠信任定位系統(tǒng)，才能對其在支付系統(tǒng)中的使用達成一致。在應用和車載單元一級，這意味著定位可用性、完好性和對故意干擾或欺騙的強健性是關鍵的性能參數(shù)。

目前并沒有同時滿足這些要求的統(tǒng)一策略。系統(tǒng)集成商往往在車載單元一級采用多種手段來應對。然而，現(xiàn)代多星座GNSS接收機的潛在能力，如完好性和信號認證距離使用還有差距，需要足夠的接收機/芯片可用才行。Galileo系統(tǒng)將提供信號認證能力，目前正通過歐盟的“利用商業(yè)服務進行的認證和精確定位實驗（AALECS）”項目進行試驗驗證，該項目將為“基于認證的”GNSS引擎的廣泛開發(fā)和操作使用奠定基礎。由于這種認證能力是新引入的，目前還沒有兼容的GNSS接收機/引擎，歐洲GNSS管理局的基礎項目“開放服務認證用戶終端”正在著力解決該問題。

4. 基于性能的導航驅(qū)動GNSS在航空領域的應用

GNSS應用的擴展越來越集中在要求更高的領域：

①從傳統(tǒng)的GNSS導航解決方案過渡到所有飛行階段；

②隨著多頻和多星座導航能力（GNSS授時基準、ADS-Out定位源等）的使用，預計將出現(xiàn)新的先進通信、導航和監(jiān)視（CNS）應用。目前正在開發(fā)一種新的操作概念，以充分利用這種新型GNSS想定；

③基于Galileo的多星座環(huán)境增加了GNSS系統(tǒng)的強健性和安全性，將滿足國際民用航空組織（ICAO）全球空中導航計劃的主要目標之一；

④使用其他星座將顯著改善地基增強系統(tǒng)（GBAS）II類和III類的可用性；

⑤Galileo實現(xiàn)的高級接收機自主完好性監(jiān)測（ARAIM）功能將增強機載自主完好性監(jiān)測能力。

綜上所述，航空市場尤其受到監(jiān)管的制約。鑒于星基增強系統(tǒng)互操作性工作組最近決定采用L5頻率傳輸信號，預計未來市場將過渡到支持雙頻接收機。此外，在未來五年內(nèi)，預計多頻段和多星座接收機使用的標準規(guī)范將最終確定，為主流航空領域逐漸增加更多接收機奠定基礎。

然而，一項標準只有在技術和操作兩方面經(jīng)過充分驗證后才能被采用。只有標準實施以后接收機制造商才能確定并認證產(chǎn)品。歐洲GNSS管理局的航空雙頻多星座（DFMC）星基增強系統(tǒng)接收機原型機項目針對E1/E5接收機開展早期研發(fā)，并允許在標準實施前開始工作，從而加快整個標準化和采用流程。

5. 安全性、可靠性和準確性要求將推動商業(yè)無人機采用多頻模式

盡管無人機的商業(yè)和專業(yè)使用吸引了很多人的關注，但是在規(guī)范框架到位之前，無人機的市場潛力將受影響。然而，毫無疑問的是，對于非視距操作，需要定位系統(tǒng)具備和其他生命安全應用相同級別的可用性、完好性、連續(xù)性和強健性性能。

GNSS是商業(yè)無人機的骨干，其能夠告知操作人員無人機的位置，實現(xiàn)安全導航。關于無人機的專業(yè)應用，裝備在農(nóng)業(yè)和測量領域的GNSS接收機大約有70%支持多頻（L1+L2）和多星座模式。為了滿足高精度和高可靠性需求，多星座接收機的必要性取決于正在部署的應用類型。盡管取決于電池的使用壽命，但多星座接收機使用數(shù)量增加極有可能發(fā)生。大約50%的GNSS接收機同時具備星基增強系統(tǒng)能力。相反，慣性測量單元由于技術復雜且昂貴應用并不廣泛，但隨著基于GNSS的解決方案不斷進步并降低價格，慣性測量單元的使用也可能增加。那些對精度要求不高的專業(yè)應用，例如包裹遞送和視頻記錄等，并不需要雙頻接收機。然而，安全性、可靠性和抗干擾要求的增加，將促進雙頻多星座方案的實施，如在常規(guī)航空領域（有人駕駛飛機）。非專業(yè)無人機通常配備入門級GNSS接收機，滿足用戶需求（攝影地理標記/返航功能）。

6. 虛擬應答器將在海運中使用

歐洲正在著力解決不同成員國之間鐵路信號不統(tǒng)一的問題。歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)（ERTMS）通過應答器提供定位信息，該物理設備安裝在鐵軌上，能夠為列車上的歐洲安全計算機（EVC）提供精確定位信息。

海運方面，所有單一GNSS星座的海上標準均已完成制定，且“多系統(tǒng)船載導航接收機性能標準”也已于2015年采用。海運界正在推廣“彈性PNT”概念，就GNSS技術而言，與使用多個GNSS星座、星基增強系統(tǒng)和多個頻率是一致的。海運和航空領域之間很多技術是可以融合的。無人船將在不久的將來成為現(xiàn)實，自主船舶將成為海上運輸可持續(xù)發(fā)展的關鍵一步。歐盟實施的“借助智能網(wǎng)絡的海上無人駕駛導航（MUNIN）”項目將研究自動和無人船只的可行性問題，旨在通過改裝現(xiàn)有船只開發(fā)各個組件。

最后，由于港口及港口周邊擁堵增加，以及船只規(guī)模不斷增加，預計GNSS技術在港口的使用將快速增長。兩個比船只導航要求更嚴格的重要應用是：①便攜式引導單元（PPU）：用于進港的GNSS專用導航輔助設備;②港口自動化：用于跟蹤集裝箱和其他貨物。