國外GNSS模擬器創(chuàng)新者規(guī)劃的解決方案和趨勢

+曹沖

面對一系列GNSS信號，和對這些信號有意和無意威脅的頻率和復(fù)雜場景，使得GNSS與其他定位、導(dǎo)航和授時（PNT）源（尤其是室內(nèi)和自主導(dǎo)航）之間集成的需求不斷增加，GNSS的一系列新應(yīng)用也是如此。作為回應(yīng)，GNSS模擬器的制造商，正在創(chuàng)建新的且經(jīng)過改進的模型，從而能夠模擬所有這些新信號和場景。另外，隨著GNSS芯片組的進一步商品化，模擬器制造商必須滿足GNSS接收機市場中新進入者的需求，這些需求具有較低的精度要求和較少的技術(shù)知識，因此需要的設(shè)備更小、更便宜且接口更簡單。

沒有任何一家制造商能夠應(yīng)對這些趨勢所帶來的全部挑戰(zhàn)。因此，盡管他們的產(chǎn)品在功能和SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）上重疊，但每個廠家都會選擇自己的市場定位和首選功能組合。即使在看似簡單的“什么是GNSS模擬器？”定義問題上，也各有千秋，此處列舉的多個制造商也給出了不同的答案。

模擬器需要涵蓋以下功能：一是能夠模擬GNSS信號以及慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)；二是使用戶能夠在系統(tǒng)進行部署之前在實驗室中測試硬件、軟件和新解決方案；三是使用戶能夠在原始或極端條件（包括存在誤差條件）下測試系統(tǒng)；四是使用戶能夠在罕見的過渡和禁止的事件期間測試系統(tǒng)；五是幫助將現(xiàn)有設(shè)備改造成新的和新興的標(biāo)準(zhǔn)。

模擬器需要引入或開發(fā)的創(chuàng)新包括：一是有種消聲模擬器用來測試連續(xù)輻射圖天線（CRPA）；二是模擬完整的現(xiàn)代化M（軍）碼信號；三是軟件定義的模擬器；四是提高重復(fù)性任務(wù)的自動化程度；五是記錄和回放真實信號的能力；六是在測試車輛所面臨的條件下記錄和同步數(shù)據(jù)的能力。

總之，在GNSS衛(wèi)星和接收機的范圍不斷增長和發(fā)展的同時，GNSS模擬器的范圍也在不斷進步，甚至向前更邁進了一步。

1.CAST 導(dǎo)航公司

在實驗室中，模擬器使用戶可以在3D空間中“驅(qū)動”設(shè)備，執(zhí)行飛行測試或檢查設(shè)備集成。模擬器還可以在飛行員派遣前驗證其在飛程序（OFP），以確保軟件正常運行。CAST的最新模擬器是CAST 5000波前發(fā)生器。它允許用戶驅(qū)動代表連續(xù)輻射圖天線（CRPA）的GNSS信號和干擾信號，該輻射圖天線由多個較小的天線組成，這些天線全部組合為一個單元。在現(xiàn)實生活中，這些天線單元中的每一個都位于不同的位置。因此，當(dāng)它們從干擾機或任何GNSS衛(wèi)星接收信號時，人們將以與其他單元略有不同的相位看到該信號。模擬器使人們能夠向這些天線注入信號，這些信號模擬了在現(xiàn)實生活中看到的相同類型的相位微差分。CAST 導(dǎo)航會根據(jù)用戶反饋不斷改進其軟件，正在增強用戶界面，使其功能更強大，但使用起來也更簡單，硬件也在不斷改進，最新的GNSS變化實施始終在清單中。

展望2022年，GNSS干擾和欺騙正變得越來越普遍，不僅對于軍方而且對于消費者而言，同樣如此。消費者開始遇到更多的干擾情況，他們的手機無法跟蹤GPS衛(wèi)星或傳輸不正確的GPS數(shù)據(jù)，因此他們的設(shè)備給他們的解決方案是不正確的。CAST專注于產(chǎn)品和功能，以幫助其客戶模擬這些類型的環(huán)境并減輕這些類型的反應(yīng)。

2.杰克遜實驗室技術(shù)有限公司

杰克遜實驗室（Jackson Labs）的模擬器獲取定位、導(dǎo)航或授時信號，通過GPS仿真程序?qū)⑵渲匦戮幋a為RF信號，并輸出實時的RF信號，該信號在幾毫秒內(nèi)對定位、導(dǎo)航和授時（PNT）信息進行編碼形成射頻信號，可以饋入現(xiàn)有設(shè)備。杰克遜實驗室提出了一種通用的模擬器，它基本上是一種簡潔、低成本、高精度、高度穩(wěn)定、高度可靠、非常小的GPS模擬器。它僅提供GPS L1仿真，以降低產(chǎn)品成本，因為GPS L1 C/ A代碼是生成準(zhǔn)確而有保證的PNT修復(fù)所需的唯一代碼，并且因為正在考慮對嵌入式系統(tǒng)進行仿真，因此只需要一個L1 C/ A代碼模擬器即可。

杰克遜實驗室的模擬器不需要外部計算機即可進行數(shù)據(jù)處理或控制。這樣一來，像豐田這樣的公司就有可能將該單元插入裝配線上的汽車中，并產(chǎn)生RF輸出，該輸出被饋送到基于GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)中，以通過生產(chǎn)線上的最終質(zhì)量保證檢查。杰克遜實驗室（Jackson Labs）期望進一步降低SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的要求，并可能增加其他信號。還希望將模擬器與現(xiàn)有的其他產(chǎn)品線相結(jié)合，例如互補的原子鐘產(chǎn)品線。

圖2 CAST 導(dǎo)航的模擬器圖片

圖3 杰克遜實驗室模擬器

展望2022年。杰克遜預(yù)測該行業(yè)將分為兩條路徑：一個具有制造和部署能力的工業(yè)部門，以及以更低的價格、更小的SWaP，以及更多的模塊化部署引入新興GNSS系統(tǒng)的公司。杰克遜說，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）對于在欺騙和干擾事件期間的自動駕駛和有保證的功能至關(guān)重要。如今不可能非常容易地模擬INS裝置。在整合軍方稱為“確保PNT”的方面，創(chuàng)新市場存在，其中包括雙重導(dǎo)航。

3.奧羅利亞（Orolia）公司

根據(jù)奧羅利亞的哈邁爾所言，模擬器的目的是雙重的：首先，它必須重現(xiàn)威脅；其次，必須證明驗證解決方案有效。當(dāng)Skydel解決方案在三月份加入奧羅利亞時，它帶來了一個專業(yè)的軟件定義的模擬器，這使快速的原型設(shè)計和縮短開發(fā)周期成為可能。它集成了高級干擾模擬，可以同時模擬數(shù)百種威脅。哈邁爾說：“當(dāng)您想重復(fù)一個步驟時，自動化是關(guān)鍵?！薄拔覀兊哪M器可以教您如何自動化，只需單擊一個按鍵并生成源代碼即可?！?2018年，Skydel推出了一種消聲模擬器來測試接收方向圖受控天線（CRPA）。波形模擬器也很新，因此可以以傳導(dǎo)（而不是輻射）的方式測試CRPA單元。

在接下來的三年中，Orolia考慮添加Galileo PRS，GPS M代碼或下一代信號。哈邁爾說：“軟件定義意味著我們非常靈活，我們可以讓我們的合作伙伴開發(fā)自己的插件?！薄八麄兛梢詷?gòu)建自定義信號，受限的或現(xiàn)代化的信號。我們的模擬器將處理信號的動態(tài)變化，我們的合作伙伴可以專注于信號的特性，秘密的、機密的東西，或者只是想保護其IP的東西?！?/p>

展望2022年。在奧羅利亞的榜單上，抵御嚴(yán)重的欺騙和干擾威脅具有很高的抵抗力，并且可以在GPS阻斷的環(huán)境中確保安全或有效的定位、導(dǎo)航和授時（PNT）。替代信號、傳感器和增加的復(fù)雜性需要模擬器來解決所有這些問題。開發(fā)復(fù)雜專有硬件平臺的公司將面臨挑戰(zhàn)，以跟上不斷增加的復(fù)雜性。軟件定義的方法將是一個優(yōu)勢。

4.賽樂（Racelogic）公司

賽樂的第一個實驗室衛(wèi)星（LabSat）是個帶有播放器的記錄器，在室外記錄衛(wèi)星信號，然后在實驗室中重放?，F(xiàn)在，賽樂的模擬器還可以使用軟件對信號進行仿真，以生成信號，就像它們是由衛(wèi)星發(fā)送的一樣。

賽樂在2018年推出了寬帶LabSat，該寬帶信號使用了該公司的SatGen軟件。它以56MHz的頻率和高達(dá)6位的分辨率進行記錄，并將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)絻?nèi)部SSD硬盤驅(qū)動器。它還可以重放真實世界的仿真或使用SatGen生成的仿真。對于汽車世界，它可以記錄和重放CAN、RS232、RS485、IMU和其他數(shù)據(jù)通道等信號，并同時進行同步。VBOX允許用戶使用在LabSat上進行的完美同步錄制來錄制和重播視頻。托馬斯說：“您確切地看到了測試車輛或接受測試的人的各種狀況?！?/p>

賽樂在一個小型電池供電的設(shè)備中提供了更寬的帶寬，更大的比特數(shù)和更多的通道，可記錄更多信號，包括激光雷達(dá)，EtherCAT（汽車以太網(wǎng)格式）和CAN-FD（CAN格式的更快版本）。它將能夠與多臺攝像機同步，而不僅僅是高分辨率攝像機。托馬斯說：“它與我們出售的產(chǎn)品基本相同?！?/p>

展望2022年，隨著多GNSS成為主流，芯片制造商和模擬器制造商都將面臨測試設(shè)備成本的挑戰(zhàn)。芯片制造商需要能夠在其生產(chǎn)線上測試新信號，而模擬器制造商則需要以較低的價格提供設(shè)備，并為技術(shù)要求不那么嚴(yán)格或稍低的客戶提供易于使用的設(shè)備。托馬斯說：“他們需要更簡單的界面和更小、更便宜的單元?！?/p>

5.羅德與施瓦茨公司

圖4 奧羅利亞公司設(shè)備圖示

圖5 羅德與施瓦茨的產(chǎn)品

越來越多的GNSS應(yīng)用依賴于多頻GNSS。作為回應(yīng)，羅德與施瓦茨公司在其入門級和中檔測試解決方案中增加了多頻測試功能。“我們已經(jīng)基于新的中檔矢量信號發(fā)生器R＆S SMBV100B內(nèi)，推出了新的GNSS模擬器”。簡單靈活的選件概念，使用戶可以將儀器變成功能齊全且功能強大的GNSS信號源。它涵蓋了從單頻和多頻產(chǎn)品測試到多頻接收器表征的廣泛測試應(yīng)用。該儀器可配備內(nèi)部噪聲發(fā)生器，使用戶無需額外的外部硬件即可模擬GNSS加上噪聲或CW干擾。

R＆S的GNSS測試解決方案基于通用矢量信號發(fā)生器。使用這種方法，可以在同一臺儀器中同時生成GNSS和其他信號，從而無需額外的外部信號源即可進行共存和干擾測試。由于這帶來了緊湊且易于使用的測試解決方案，R＆S將繼續(xù)使用此方法進行即將到來的產(chǎn)品升級和增強，以及用于其下一代GNSS測試解決方案。該公司即將開展的活動將主要集中在高端領(lǐng)域，其中具有多達(dá)4個RF輸出和多達(dá)144個通道的R＆S SMW200A，滿足多天線和多車輛GNSS測試應(yīng)用的需求。

展望2022年。隨著自動駕駛或飛機著陸應(yīng)用的安全要求，多頻測試將成為標(biāo)準(zhǔn)。由于此類應(yīng)用必須具有足夠的魯棒性以抵御欺騙和干擾威脅，因此越來越需要測試導(dǎo)航系統(tǒng)以防此類影響?！皟H模擬GNSS是不夠的?！薄坝糜谧詣玉{駛的測試解決方案將需要應(yīng)用或模擬其他幾種技術(shù)和信號，例如RTK/ PPP或其他車輛傳感器的輸出來執(zhí)行傳感器融合?！?/p>

6.思博倫聯(lián)邦系統(tǒng)公司

思博倫的模擬器使用“真實世界”信號進行測試，并允許在原始條件或極端條件下進行測試，而這些條件在現(xiàn)實世界中可能永遠(yuǎn)不會發(fā)生，包括帶有誤差的條件。2018年12月，思博倫發(fā)布了SimMNSA，它提供了完整的M代碼現(xiàn)代化信號解決方案。直到現(xiàn)在，GPS Directorate都將M代碼模擬限制為偽M代碼，偽M代碼提供相同的擴頻，但使用商業(yè)加密標(biāo)準(zhǔn)，或回放一組預(yù)先限定于某些衛(wèi)星、日期和時間的M代碼。通過更改策略，思博倫現(xiàn)在可以基于現(xiàn)代化的Navstar安全算法（MNSA）實施M代碼，并且現(xiàn)在既提供SimMNSA提供的M代碼解決方案，又提供SimSAAS提供的完整Y代碼。

思博倫計劃為客戶提供更多的信道，以幫助他們針對多路徑、干擾和欺騙性，測試多星座、多頻率接收機。哈特說：“我們在不專門使用GNSS的AV、UAV等方面正處于激烈的發(fā)展時期?！彼疾﹤愓谘芯縂NSS/傳感器融合平臺的測試。

展望2022年?！半S著新接口規(guī)范的發(fā)布，我們將積極開發(fā)新信號，”哈特說。思博倫還支持實現(xiàn)有保證的PNT解決方案的努力。它正在研究緩解干擾的技術(shù)，例如算法、定向天線和其他抗干擾技術(shù)。信號認(rèn)證是另一個需求。哈特說：“隨著系統(tǒng)變得越來越集成和網(wǎng)絡(luò)化，我們意識到網(wǎng)絡(luò)安全威脅，并正在尋找這一領(lǐng)域。”

7.同步（Syntony）GNSS公司

GNSS接收機制造商，在無法通過實際數(shù)據(jù)清晰評估的嚴(yán)峻形勢下，使用模擬器來確保其產(chǎn)品具有強大的性能。這就是說：“GNSS模擬器發(fā)揮作用的地方，是它提供了可控且可重復(fù)的方案?！?/p>

同步公司的新型偽隨機噪聲代碼（PRN代碼）服務(wù)器，使GNSS模擬器用戶可以動態(tài)發(fā)送調(diào)制載波的偽隨機序列。對于測試加密信號（例如GPS軍事信號或IRNSS RS信號）特別有用。對于仿真器制造商而言，訪問加密密鑰非常困難。但是，模擬器實際上不需要了解那些加密密鑰，同步公司的 PRN服務(wù)器允許用戶動態(tài)地將要在目標(biāo)載波上調(diào)制的偽隨機序列動態(tài)輸入到模擬器中。

同步公司的下一個模擬器將模擬欺騙和同步多天線信號，以進行CRPA和天線網(wǎng)絡(luò)測試。

展望2022年。隨著欺騙和干擾的威脅增加，接收器行業(yè)將不得不制定對策和緩解策略。最好的方法之一仍然是使用天線陣列?！疤炀€陣列可以進行空間辨別，特別有效地抵抗欺騙、故意干擾或意外干擾。為了滿足行業(yè)的未來需求，同步 GNSS公司已經(jīng)致力于天線陣列的精確仿真，同時考慮到諸如天線間相位和幅度之類的固有誤差、偏移和所要克服的障礙，包括模擬器RF通道輸出處的相位相干性?！?/p>

圖6 思博倫的設(shè)備照片

圖7 同步GNSS公司的模擬器設(shè)備