GNSS交通安全和法律责任关键解决方案——《GNSS用户技术报告》简介之三

● 文 |中国国防科技信息中心 王欢 赵利平 席欢

GNSS交通安全和法律责任关键解决方案
——《GNSS用户技术报告》简介之三

● 文 |中国国防科技信息中心 王欢 赵利平 席欢

自1981年第一台GPS接收机TI-4100问世以来，到现在GNSS芯片已广泛集成到众多智能手机、可穿戴设备中，GNSS接收机的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不断演化。近年来，多GNSS星座的建设以及新服务的涌现，促进了GNSS用户技术蓬勃发展。本文根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）2016年10月5日发布的第一版《GNSS用户技术报告》，梳理总结了GNSS用户技术的交通安全、法律责任关键解决方案。

GNSS；接收机；安全关键；法律责任关键

一、GNSS用户技术的主要特征和关键性能参数

本节主要介绍GNSS接收机技术的相关内容，用于满足航空、海运、铁路和公路运输中日益增长的交通安全关键和法律责任关键应用需求。但是需要注意的是，并非所有的交通应用都归入安全关键或法律责任关键应用。例如，车载导航设备（PNDs）归入“大众市场”部分，而车队管理则归入“高精度授时和资产管理”部分。另外，在交通之外的其他应用领域也有一些关键性应用，但在本报告中并未进行考虑。关键基础设施的授时和同步是一个例外，将在“高精度授时和资产管理”部分进行专题讨论。

在道路收费等法律责任关键应用以及自动汽车等安全关键应用中将GNSS作为位置传感器是一个很明显的应用趋势。伴随着这一应用趋势，公路设备将逐渐与航空、铁路和航运设备同步发展。本节还包括车载导航和工厂前装的GNSS接收机，尽管它们目前主要用于车辆信息娱乐系统。从相对简单的“定位”到最复杂的“控制”（如自动驾驶汽车），其关键性等级越来越高，因此这些应用通常受到监管。对于新兴应用，可能将受到监管或标准化设计/性能要求的制约。

本节中，所有应用需要满足高级别的信任和弹性要求。具体性能参数有：

完好性：完好性的缺失可能导致安全关键应用的灾难性事件，例如航空应用中出现空中碰撞。它还可能导致错误的收费/罚款，从而危害到法律责任关键应用的全面推广。

连续性：结合完好性，在安全关键应用系统程序连续运转过程中发挥关键作用。对于法律责任关键应用也至关重要，因为不连续可能导致某些应用瘫痪（例如道路收费或保险）。

强健性：容易受到干扰或无法检测到欺骗信号可能导致事故发生，或导致某些应用不可用。

可用性：鉴于所支持的应用需要全年、全天候运行，因此定位技术的支持至关重要。

精度：某些应用可能需要较高的精度才能发挥作用。

总而言之，除个人汽车导航外，所有这些应用均需具备以下关键参数：完好性、连续性、强健性、可用性和精度。此外，一些特定的应用/操作可能还需要满足准确性要求。

信号验证是一个重要特征，在某些情况下是检验强健性的基础。然而，本报告将其作为“信号属性”，而不是用户的“关键性能参数”。

二、GNSS应用行业规划

（一）监管环境

成熟的安全关键应用需要特别注意监管问题，新兴应用成熟以后也必须关注。法律责任关键应用可能不需要像生命安全应用那样严格的标准，但也只有当特定法律程序到位时才成为可能。这种对监管的高度依赖使得该应用领域接收机应用产生很多后果，包括提高开发、认证成本，增加寿命周期并带来相应的技术淘汰问题，减缓采用新信号和新服务的速度。

道路部门目前较少关注与定位有关的规章制度，不过随着诸如道路收费等法律责任关键应用、自动驾驶汽车等安全关键应用不断引入，相关的标准和规章可能将陆续出台。

（二）新兴应用正在不断涌现

尽管当前与安全相关的GNSS市场处于成熟和稳定状态，但新的应用或使用案例也正在被提出。这将对公共安全产生潜在影响，虽然目前尚未完全进行适当的监管。究其原因，要么尚在开发阶段，要么仅仅因为创新的速度远比监管来的快。

最值得注意的是，无人平台自动化的趋势（无人机、无人车辆和无人驾驶汽车）正在撼动传统行业，不仅是因为这将成为创新的主要来源，也因为这种来自外部的创新具有颠覆性，远比行业内部的增量式发展来得迅猛。

（三）接收机行业

历史上，每一种关键市场如航空、海运和铁路等，均由一个主要的拥有领域经验的独立专业制造商控制GNSS技术。另外，一些集成商虽然不能控制自身产品中的GNSS芯片或模块，但也可能占据重要市场份额，如在航空电子领域占绝对优势的佳明公司。与一级供应商向“传统的”汽车制造商交付车载导航或信息娱乐系统不同，汽车部门主要从大型芯片制造商获取GNSS技术（这一点与消费部门非常相似）。

与此同时，来自IT行业的新兴企业，最显著的是谷歌和苹果公司，正在采取颠覆性战略，直接瞄准未来无人驾驶领域作为其提供服务的新平台（继家用电脑、移动电话和平板电脑之后）。无人驾驶车辆若要成为现实，需要一套完整的导航方案，能够很好地解决高完好性，GNSS薄弱地区（如城市峡谷、隧道等），动态变化的遮挡环境、路径/车道保持的特殊精度要求，其他附加条件（如标志、照明系统）等各种挑战。

因此，控制系统必须紧密耦合各种独立的传感器和使用复杂的数据融合算法，这也导致责任明确问题越来越复杂。全自动控制（自动驾驶汽车）系统正在研发中，创新的速度很快，但是相应的法律和基础设施还未完善。GNSS只是这些未来系统的一个组成部分，当前使用的接收机和大众市场汽车应用的接收机类型相同。面对定位强健性、准确性要求更高的应用需求，双频接收机将是未来的发展趋势，可能还要求具备某种完好性或认证功能。

三、双频接收机将显著提升精度和完好性

1. 采用多星座方式

是否采用多星座技术在不同细分市场差异很大。诸如航空领域，由于需要遵守相关规定，但现有规定往往只支持GPS星座，这就意味着采用其他星座将没有可行性。即使有关监管现状发生改变，但由于产品生命周期很长且改造成本高，仍旧很难在短时间内快速提升多星座产品的使用率。

而在海运、公路和铁路领域，多星座技术的采用率均相对较高。例如，全球市场约60%的设备支持GLONASS。这和俄罗斯政府决定推广GLONASS在一些领域（车载导航市场、航空、综合训练保护系统）的使用有直接关系。

随着Galileo和北斗等新兴GNSS系统接近完成，必然出台相似的政策来促进系统的快速采用。与此同时，一些欧盟立法如智能行车记录仪或自动呼叫系统（eCall）已经完善，这无疑将促进包括E-GNSS在内的多星座接收机的使用。

2. 采用多频段方式

所有接收机均支持L1频率，仅有一小部分接收机支持L2、L5或L6频率。这是因为在交通领域占主导地位的是成熟的航空和海运市场，目前由于监管问题仅支持L1频率。但也面临一个重要问题，即GNSS信号对干扰/欺骗的脆弱性问题，而使用双频将减轻这种风险。

此外，预计双频接收机很快将渗透到汽车领域，并且将越来越多地用于更先进、自动化的全自动驾驶车辆。鉴于此，双频将成为提高精度和完好性的一个关键因素。

由于不止一个GNSS星座提供L5/E5信号，未来当必要的标准完善后，交通领域细分市场有望采用L1/ E1+L5/E5双频接收机。因此，预期未来五年内，L1/E1+L5/E5双频接收机的数量将显著提高。

四、典型先进接收机的规格和分析说明

航空、海运和铁路市场对于以下关键问题分别确定了一套自己的标准：使用哪个星座的哪些信号；精度、完好性、可用性和连续性要求；定位输出格式和接口细节；外观和装配；功率和环境要求等。由于完好性和连续性对于这些应用至关重要，需要按照适当的标准规定具体的方法。外观和装配通常可通过传统外部天线（带有中高增益前置放大器，可以补偿电缆损耗）和内部接收机配置最大程度地满足。这些接收机大多具备“全视图”能力，即单频、单星座及星基增强系统能力。由于海运监管包括所有的GNSS星座，一些双星座接收机相应的将拥有更多信道。海运的另一个特征是增加了一部内部无线电信标接收机（双中频信道），专门用于接收国际航标协会（IALA）差分GNSS系统的信号。

自动接收机和大众市场的芯片或模组非常相似，但不受功耗方面的约束。另一方面，自动接收机需要满足自动驾驶汽车的性能要求，如关注温度范围或温度变化等。在公路收费、智能计速器或按行驶里程缴纳保险等应用中，这些接收机通常集成到专门的车载单元（OBUs）。需要注意的是，当需要采取任何额外的手段来确保定位系统满足安全或法律责任关键功能时，主要是在车载单元级实现，对GNSS芯片级没有影响。这种情形未来随着经过认证的GNSS信号的采用将可能改变，因为认证信号要求在GNSS芯片级进行专门处理。GNSS接收机同样适用于相对简单的车载导航和信息娱乐系统，不过这些不是安全或法律责任关键应用。

随着汽车内逐步引入与GNSS相关的功能，未来在一辆汽车内部使用多部GNSS接收机将成为一种趋势。不过，也可能采用一种更一体化的方法，利用一部具备强健性和准确性的GNSS接收机作为“位置引擎”，通过适当的数据总线，驱动多种应用共同工作。这种GNSS接收机也有望与惯性传感器和数字制图紧密集成，提供一种高性能的定位子系统。

五、未来发展趋势

1.车联网将推动高级主动驾驶辅助系统（ADAS）的实施

互联汽车通过使用车载传感器与互联网连接，能够优化操作和维护，为乘客提供便利、舒适和具有娱乐设施的乘车环境。互联汽车通常包括导航、汽车系统诊断和预测、手势控制、语音指令、停车辅助、安全和安保、车队管理、车辆跟踪、道路救援、WiFi热点等特征。车辆还可以与其他家庭和办公设备互联互通，通过车和车（V2V）以及车和基础设施（V2I）之间的交互获得最新交通信息，优化路线，避免交通事故［V2V和V2I通常合称为协同式环境感知系统（V2X）］。

总之，ADAS对汽车行驶过程中的可靠性、准确性和安全性同步提出要求。车辆和基础设施实现准确的绝对和相对定位，是实现半自动和全自动驾驶汽车的关键。而V2X测距功能和GNSS的融合将能够提供ADAS所需的精度和强健性。

V2X技术有望很快部署。在美国，国家公路交通安全管理局（NHTSA）已经要求新的轻型汽车在2020年左右开始分阶段实施，2025年左右完成。关于售后车辆设备的相干规定也有望随后推出。在欧洲，2016年4月，《阿姆斯特丹宣言》确定了欧洲在自动驾驶汽车领域的合作框架，包括制定一份研究和创新共享战略，发展协同式智能交通系统以及建立适合欧盟的监管框架。

2. 自动化技术将刺激定位技术的研发

所有类型的交通工具都呈现出向自动或机器人车辆/飞行器发展的趋势，这种趋势甚至已经延伸到一些专业应用领域，如农业。自动驾驶汽车可能是这些概念中最具挑战性的，同时也是研究和创新成就大量涌现的集结地，参与其中的既有传统汽车厂商也有IT行业。

实现全自动驾驶还有很多障碍，多数直接与定位系统相关，包括定位精度必须提高到分米级；必须确保在城市峡谷中具备更好的连续性；需要更高的可靠性，甚至是采用信号认证，以防止恶意攻击或促进法律责任机制的建立。为了提升自动化水平，GNSS接收机很快将从当前的多星座、单频演变为多星座、双频，催生新的“双频、大众市场”GNSS接收机。

新兴的安全关键应用需要提供准确、可靠的定位信息，最常见的方法仍然是使用多个数据来源，其中部分数据来源可能相当昂贵，例如先进的雷达传感器、摄像头、基础设施/传感器、差分技术等。

在研的ESCAPE项目旨在开发一个通用的解决方案来满足高级驾驶辅助系统（ADAS）、基于V2X的防撞系统、自动驾驶汽车、危险货物运输等多种安全关键应用的需求。E-GNSS引擎将为这种一体化定位系统提供增强的强健性、完好性和精度，其目标是重复进行位置计算，将结果提供给上述安全关键应用，以及一组车载应用，为用户提供舒适的乘车环境。E-GNSS引擎包括GNSS芯片组/接收机和额外的软、硬件部分以及车辆标准接口，以形成满足安全关键应用的准确而可靠的最终位置计算结果。

3. 高完好性和认证将用于法律责任关键应用

在法律责任关键应用（例如监控）中使用的接收机可能会受到监管，虽然其严格程度不及安全关键应用。与替代技术相比，其可靠性主要受经济和法律利益以及GNSS应用的成本效益驱动。

法律责任关键应用市场比安全关键应用市场更加庞大和多样化，因此通过不同技术手段和创新辅助服务形成了多种产品。与安全关键应用相比，其接收机易于安装和更换。但也应指出，诸如车辆远程控制保险使用的设备目前仅支持GNSS设备，没有特别关注潜在的脆弱性问题。这将提高风险，比如在涉及支付的应用（例如道路用户收费）中广泛使用GNSS技术，可能发生用户不当收费索赔，甚至试图通过基于GNSS车载单元的“自欺骗”逃避付费。因此，用户和服务商必须足够信任定位系统，才能对其在支付系统中的使用达成一致。在应用和车载单元一级，这意味着定位可用性、完好性和对故意干扰或欺骗的强健性是关键的性能参数。

目前并没有同时满足这些要求的统一策略。系统集成商往往在车载单元一级采用多种手段来应对。然而，现代多星座GNSS接收机的潜在能力，如完好性和信号认证距离使用还有差距，需要足够的接收机/芯片可用才行。Galileo系统将提供信号认证能力，目前正通过欧盟的“利用商业服务进行的认证和精确定位实验（AALECS）”项目进行试验验证，该项目将为“基于认证的”GNSS引擎的广泛开发和操作使用奠定基础。由于这种认证能力是新引入的，目前还没有兼容的GNSS接收机/引擎，欧洲GNSS管理局的基础项目“开放服务认证用户终端”正在着力解决该问题。

4. 基于性能的导航驱动GNSS在航空领域的应用

GNSS应用的扩展越来越集中在要求更高的领域：

①从传统的GNSS导航解决方案过渡到所有飞行阶段；

②随着多频和多星座导航能力（GNSS授时基准、ADS-Out定位源等）的使用，预计将出现新的先进通信、导航和监视（CNS）应用。目前正在开发一种新的操作概念，以充分利用这种新型GNSS想定；

③基于Galileo的多星座环境增加了GNSS系统的强健性和安全性，将满足国际民用航空组织（ICAO）全球空中导航计划的主要目标之一；

④使用其他星座将显著改善地基增强系统（GBAS）II类和III类的可用性；

⑤Galileo实现的高级接收机自主完好性监测（ARAIM）功能将增强机载自主完好性监测能力。

综上所述，航空市场尤其受到监管的制约。鉴于星基增强系统互操作性工作组最近决定采用L5频率传输信号，预计未来市场将过渡到支持双频接收机。此外，在未来五年内，预计多频段和多星座接收机使用的标准规范将最终确定，为主流航空领域逐渐增加更多接收机奠定基础。

然而，一项标准只有在技术和操作两方面经过充分验证后才能被采用。只有标准实施以后接收机制造商才能确定并认证产品。欧洲GNSS管理局的航空双频多星座（DFMC）星基增强系统接收机原型机项目针对E1/E5接收机开展早期研发，并允许在标准实施前开始工作，从而加快整个标准化和采用流程。

5. 安全性、可靠性和准确性要求将推动商业无人机采用多频模式

尽管无人机的商业和专业使用吸引了很多人的关注，但是在规范框架到位之前，无人机的市场潜力将受影响。然而，毫无疑问的是，对于非视距操作，需要定位系统具备和其他生命安全应用相同级别的可用性、完好性、连续性和强健性性能。

GNSS是商业无人机的骨干，其能够告知操作人员无人机的位置，实现安全导航。关于无人机的专业应用，装备在农业和测量领域的GNSS接收机大约有70%支持多频（L1+L2）和多星座模式。为了满足高精度和高可靠性需求，多星座接收机的必要性取决于正在部署的应用类型。尽管取决于电池的使用寿命，但多星座接收机使用数量增加极有可能发生。大约50%的GNSS接收机同时具备星基增强系统能力。相反，惯性测量单元由于技术复杂且昂贵应用并不广泛，但随着基于GNSS的解决方案不断进步并降低价格，惯性测量单元的使用也可能增加。那些对精度要求不高的专业应用，例如包裹递送和视频记录等，并不需要双频接收机。然而，安全性、可靠性和抗干扰要求的增加，将促进双频多星座方案的实施，如在常规航空领域（有人驾驶飞机）。非专业无人机通常配备入门级GNSS接收机，满足用户需求（摄影地理标记/返航功能）。

6. 虚拟应答器将在海运中使用

欧洲正在着力解决不同成员国之间铁路信号不统一的问题。欧洲铁路交通管理系统（ERTMS）通过应答器提供定位信息，该物理设备安装在铁轨上，能够为列车上的欧洲安全计算机（EVC）提供精确定位信息。

海运方面，所有单一GNSS星座的海上标准均已完成制定，且“多系统船载导航接收机性能标准”也已于2015年采用。海运界正在推广“弹性PNT”概念，就GNSS技术而言，与使用多个GNSS星座、星基增强系统和多个频率是一致的。海运和航空领域之间很多技术是可以融合的。无人船将在不久的将来成为现实，自主船舶将成为海上运输可持续发展的关键一步。欧盟实施的“借助智能网络的海上无人驾驶导航（MUNIN）”项目将研究自动和无人船只的可行性问题，旨在通过改装现有船只开发各个组件。

最后，由于港口及港口周边拥堵增加，以及船只规模不断增加，预计GNSS技术在港口的使用将快速增长。两个比船只导航要求更严格的重要应用是：①便携式引导单元（PPU）：用于进港的GNSS专用导航辅助设备;②港口自动化：用于跟踪集装箱和其他货物。