浅谈全球卫星导航系统应用发展中的 矛与盾

赵爽（北京空间科技信息研究所）

随着全球卫星导航系统（GNSS）应用的高速增长以及GNSS接收设备高精度、小型化的发展趋势，我们有理由相信未来的微型GNSS接收装置将遍及我们生活的每个角落，带来巨大便利。不过，GNSS也可能被人恶意利用，进行跟踪和监视，侵犯个人的隐私权。出于保护隐私的需要，信号干扰设备正逐渐兴起，如干扰机和欺骗设备等。但随着这些干扰设备的普及，又会对一些关键系统和基础设施中的GNSS接收造成影响。可见，GNSS应用与GNSS干扰设备在发展中形成了矛与盾的关系，未来如何解决隐私性与GNSS完好性之间的平衡问题越来越值得我们关注。

一、GNSS市场发展迅猛，应用渐入百姓家

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是指利用在太空中的导航卫星对地面、海洋和空间用户进行导航定位的一种空间导航定位系统。目前，GNSS系统不仅成为世界各国重大的空间和信息化基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。由于GNSS在国家安全和经济与社会发展中有着不可或缺的重要作用，所以世界主要军事大国及经济体都竞相发展独立自主的卫星导航系统。预计在2020年前，世界将建成四大GNSS系统：美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗（COMPASS）以及欧盟的GALILEO。除了上述四个全球系统及其增强系统（美国的WAAS、欧洲的EGNOS和俄罗斯的SDCM）外，GNSS还包括法国、德国、日本和印度等国已建或在建的区域系统和增强系统。

GNSS有着广阔的应用前景，目前其市场规模正保持着高速发展。近期，欧洲全球卫星导航监督局（GSA）发布了最新的GNSS市场报告（第二版）。根据这份2012年新出炉的市场预测报告显示，GNSS市场正在快速发展，截至到2016年，市场总规模预计将以平均每年13%的速度增长。根据该报告预测，截至2015年，全球GNSS市场规模将超过2000亿欧元（约合2600亿美元），如图1所示。

图1 GNSS市场规模发展趋势预测

纵观整个GNSS市场的占有份额，道路导航和基于位置服务（LBS）仍高居榜首，这两个市场的终端设备销售额分别占整个GNSS终端设备销售总金额的54%和44%，如图2所示。而从终端销售量上看，LBS占到了整个GNSS市场的87%。同时，GNSS应用正逐渐向智能手机市场渗透，市场占有率已经达到了30%，而到2020年这一比例预计将达100%。可以预见，未来GNSS应用将成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

图2 全球GNSS市场分布预测（2010—2012年累计收益占比）

二、高精度、超小型化的接收设备让人欢喜让人忧

GNSS系统未来将向着导航定位高精度、接收设备超小型化的方向发展，以美国的GPS系统为例。2000年5月2日，美国关闭了GPS在轨卫星上的选择可用性（SA）开关，使全球民用GPS接收机的精度瞬时提高了10倍，定位精度从原来的足球场大小缩小到一间屋子大小。而在此之前，车载导航系统不能提供精确转向，民用GPS装置也不能精确定位到某个街区，更不要说定位某条道路了。过去十年里，GPS的定位精度一直在提高。今天，利用GPS基准站、更优化的算法和更先进的接收机，性能卓越的民用GPS设备不仅能够定位街道，而且能够定位用户在街道的哪一边。当前利用GPS信号的载波相位和互联网，定位精度可达厘米量级，甚至毫米量级。

在精度不断提高的同时，GPS接收机也不断地朝着小型化的趋势发展。如图3所示，5年前的GPS接收机是一个笨重的“箱子”（图3中的最上方），而数月前最新面世的GPS接收机的尺寸只有钥匙链大小。因此，我们有理由相信未来的GPS接收机可能会缩小到一颗“米粒”那么大甚至更小。

实际上，这种微型的GPS接收机早就出现在了科幻电影中，在索尼电影公司2006年发行的电影《 达芬奇密码》中提到，这种被称为“GPS点”的微型接收机只有纽扣大小，而定位精度达到0.6米以内。

未来一旦制造出这种“GPS点”并推广普及，我们的生活将发生天翻地覆的变化。通过将这种“GPS点”贴在我们重要的物品上，如钥匙、钱包甚至是重要信件，我们将能够时刻知道它们的位置，再也不必担心丢失。同样的，我们也能方便地掌握亲人的位置，再也不必担心老人或者孩子走失。

当然，GNSS系统在给人们带来生活便利的同时，也给人们的生活带来的麻烦。一旦诸如“GPS点”的微型设备得到广泛应用，它们也可能成为坏人犯罪的得力工具，就像现在的微型窃听器一样，侵犯人们的个人隐私。

图3 GNSS接收设备向小型化发展

三、干扰装置提供“保护”的同时也带来了新的烦恼

为了保护个人隐私，一些GNSS干扰设备悄然兴起。廉价、移动的GNSS射频干扰发射器非常容易从互联网或其他地方获得，比如图4中这款干扰设备，其网上售价只有150元人民币，安装在汽车上可以达到屏蔽GNSS信号的作用，以达到保护隐私的目的。不过，为了达到良好的干扰效果，这样的干扰设备的有效工作范围一般在十几米到几十米，一些功率强的甚至可以影响到数百米，而且也无法做到任意调整覆盖范围的形状，所以难免对其覆盖区域内及周围的其他GNSS应用造成干扰。

图5给出了2011年4月9日美国弗吉尼亚州利斯堡的广域增强系统（WAAS）参考站监测到的干扰事件。图中3条线分别对应WAAS所采用的3颗地球静止卫星（GEO）的L1信号的信噪比（C/N0），可以看到4月9日这一天（1440min）中共出现了2次信噪比明显下降，即说明L1信号受到了干扰。通过对这两个干扰的长期观察，最终发现这一干扰来自一辆装有GNSS干扰设备的汽车。警察根据干扰的规律以及该司机的日程安排最终锁定了这名司机，并没收了他的干扰设备。

图4 一种常见的GNSS干扰设备

图5 2011年4月9日利斯堡WAAS参考站监测到的干扰事件

四、“魔高一尺，道高一丈”——全源导航技术指引抗干扰技术新方向

GNSS给人们的生活带来的巨大便利，但是也将其“绑架”在了这些高速发展的应用中，让人们越来越依赖它们。不过，GNSS系统本身脆弱的抗干扰性能可能成为重大的安全隐患，一旦系统被干扰或者因其他原因瘫痪，将会给人们的生活和生产带来不可挽回的损失。因此，未来将卫星导航技术作为一种主要的定位、导航和授时手段，但却不是唯一手段，通过其他技术对其进行补充、备份将是一个大趋势。

在此背景下，美国国防高级研究计划局（DARPA）于2010年开展了一项名为“全源定位与导航”（ASPN）的导航技术，旨在寻求在没有GPS的情况下，为任何操作平台和任何环境下的军用用户提供低成本、高鲁棒性、无缝的导航解决方案。ASPN将通过利用不同传感器的组合获得辅助导航信息，如将激光雷达、激光测距仪、照相机、磁强计等器件进行组合，从而显著增强导航解决方案的质量和鲁棒性。同时，ASPN还将根据具体的局部环境条件，灵活选择最合适的传感器，提供针对性的导航技术，例如，基于图像的导航可能在都市环境白昼条件下发挥良好效果；基于重力场的导航虽然精度稍差，但在大洋中可能最有效等等。

图6给出了ASPN概念框图，ASPN将整合以下多种传感器信息：GPS、影像、光线测定和测距、磁场、重力，以及雷达等等。值得注意，此处我们有意把GPS包括在内。因为既然是全源导航，只要GPS信号可用，就应以GPS为主。这样，这个完整系统结合所有可用信息，当某些传感器不可用时，仍可使用其他信号源。