如何驾驭当今的 PNT 发展格局？

新的 PNT 架构可防范威胁，这里讲一下趋势、风险和体系结构。 应该指出，对更具弹性的精确导航的需求从未如此强烈。

在全球导航卫星系统 （GNSS） 星座受到干扰和欺骗的威胁日益增加以及对更多自主运营的渴望的刺激下，导航供应商、军队和商业运营商正在投资下一代技术。通过了解当前的 PNT 格局，包括最新技术和漏洞，运营商可以确定哪些解决方案最适合满足其当前和未来的平台需求。这是当前大家共同关心的事情。

1.日益增长的GNSS风险和漏洞

传统导航系统涉及将惯性传感器与 GNSS 接收器相结合，以提供混合导航解决方案。这些技术是互补的，因为惯性导航 （INS） 通过根据初始位置整合平台随时间变化的运动来确定位置，而 GNSS 接收器则提供绝对位置更新。这两种技术的结合提供了坚固、高完好性、精确的位置。正如我们在东欧看到的那样，GNSS 干扰和欺骗会破坏 GNSS 并降低 INS/GPS 导航系统的性能，在现代冲突中无处不在。2024 年，苏黎世应用科学大学每天报告的干扰和欺骗事件超过 700 起，迫使无数飞行员和无人机在无法访问 GNSS 数据的情况下飞行。幸运的是，惯性导航系统不受干扰和欺骗的影响，但它们的准确性是行进距离/时间的函数。由于这些传感器具有固有的残余误差因素，例如偏置漂移，因此如果没有 GNSS 等其他辅助源，它们的精度会随着时间的推移而下降。

这些事件通常分为两类：干扰和欺骗。干扰涉及使用无线电频率干扰 GNSS 信号，扰乱受影响区域的所有 GNSS 系统，这些系统将被导航设备检测到，但会导致性能下降。欺骗涉及使用伪造的卫星信号向 GNSS 接收器提供不正确的数据。它可能更加复杂和令人担忧，因为它可能不会被导航设备检测到，从而导致误导性导航数据。干扰和欺骗都凸显了传统导航解决方案的脆弱性，造成了危险的漏洞。无论是停在跑道上直到系统修复的商用飞机，还是无法执行任务的自主无人机机队，干扰和欺骗都会对运营和安全造成重大干扰。这引起的后果可能代价高昂，因为 GNSS 中断可能意味着任务成功或失败的区别。虽然运营商和提供商在怀疑干扰和欺骗时可以采取一些措施，但最重要的步骤之一是拥有替代的导航程序和设备，以便在这些中断期间能够继续运营。

这就是新技术套件发挥作用的地方。在这里，我们来看看这些技术以及一些有助于减少 GNSS 依赖的主要新兴趋势。

2.趋势之一：性能更好的惯性传感器（加速度计和陀螺仪）和/或减小尺寸、重量、功率和成本 （SWaP-C），以扩大用例。

随着时间的推移，对长期创新技术的大量投资将带来传感器的改进。主要包括以下五种方案：

（1）环形激光陀螺仪 （RLG） 是大多数需要经济实惠且高性能系统的航空航天应用的当前标准。它能够生产各种尺寸的 RLG 以满足 SWaP-C 与性能的权衡，其数十亿运行小时支持的现场血统，其强大的环境能力以及大规模生产的能力，使 RLG 成为运营商的首选。

（2）微机电系统 （MEMS） 惯性传感器由硅基晶圆制成，广泛用于消费和汽车应用，随着性能的逐步提高取代了光纤陀螺仪（FOGS）和 RLG 等传统技术，其在传统航空航天工业中的市场份额不断扩大。目前，MEMS 提供最小的 SWaP-C 产品，并在无人机中越来越普遍车辆、自主工业应用和飞行出租车。基于FOG的导航系统在许多飞机应用中很普遍，特别是对于平台稳定和飞行控制用例，并将继续与导航相关。下一代投资侧重于光子学和光纤核心技术，旨在减少 SWaP-C 并提高尺寸/性能。

（3）半球谐振陀螺仪 （HRG） 已经开发了几十年，但由于生产过程的成本和复杂性，生产性面临挑战。导航供应商继续投资这项技术，希望缩小与现有 RLG 和 FOG 解决方案的差距。

（4）量子惯性导航虽然仍处于早期开发阶段，但与当今的系统相比，它有可能在 SWaP 上产生更高的性能。由于这项技术仍处于起步阶段，因此小型化和经济实惠地扩展它的能力仍然存在问题。随着时间的推移，量子可能会成为惯性传感器的新标准，或者它可能只会成为利基用例的商业上可行的解决方案。

（5）INS软件增强功能也正在开发中，以便通过传统的INS/GNSS架构对GNSS中断进行监测、检测和缓解。这些软件解决方案将显着提高态势感知能力和从 GNSS 中断中恢复的能力。

3.趋势之二：替代导航解决方案

如今，越来越多的公司正在选择替代导航模式来补充其 INS/GNSS 解决方案，使平台能够在传统系统降级或不可用时进行导航。其目的不是要取代传统系统，而是要添加到可用的技术套件中，以便在一项技术受到影响时进行备份。商业和军事运营商可以将成熟和新兴技术用于 PNT 情报。每种技术或模式都有优点和缺点。通过将它们组合在单个导航解决方案中的通用架构中，公司可以实现满足其所有运营需求的整体解决方案。

成熟的替代技术包括：一是视觉辅助导航使用实时摄像机源将地面图像与地图数据库进行比较以确定位置，并将后续摄像机图像相互比较以确定速度。还有专为自动着陆设计的视觉系统。视觉技术在 GNSS 拒绝的环境中表现良好，是最准确的替代导航技术之一，但其有效性受到能见度和陆上作的限制；二是低地球轨道 （LEO） 卫星导航使用更强、低空的卫星信号，这些信号比 GNSS 更能抵抗干扰。低轨卫星可以在能见度差和水上提供解决方案。然而，有限的卫星覆盖范围需要频繁切换，从而增加了系统的复杂性。这些系统仍有可能扰或欺骗；三是雷达高度计提供高度精确的测量，提供可与地形高程图匹配以确定位置的精确测量。由于雷达的范围，它们被限制在最大工作高度，并且是有源（发射）传感器，从检测的角度来看，一些客户可能更愿意避免使用。

在光谱的新兴端的发展中包括：一是磁异常辅助导航通过使用高精度磁传感器检测地球磁场的已知变化来确定位置。它在 GNSS 拒绝的条件下工作，不受天气影响，但在高空会失去效力，并且依赖于高质量的磁变化图。目前在演示中显示出高性能，它将在未来几年内在系统中推出；二是天文辅助导航， 使用恒星跟踪器来观察恒星和常驻空间物体（例如卫星和空间碎片），以提供一种被动的、不可干扰的解决方案，在 GPS 拒绝或欺骗的条件下具有类似 GPS 的精度。关键技术进步与 RSO 地图有关，可实现更好的性能和改进的日间作，但相对于其他技术，它是一项更大、更昂贵的技术。

如果说从审查这套不断增长的技术中得到一个收获，那就是没有灵丹妙药可以在所有用例中取代 GNSS。最好的方法是在船上开发一套包含多个解决方案的解决方案，与特定计划的目标保持一致，并通过通用导航解决方案将它们集成。

4. 趋势之三：通过增加星座增强 GNSS 弹性

除了国家 GNSS 系统（GPS、GLONASS、北斗和伽利略）之外，我们还看到私人空间星座的激增正在重塑该行业。当导航设备监控多个星座（多星座/多频）以实现更强大的解决方案时，这些额外的星座可以为导航解决方案带来好处。 铱星等私人星座要么开始，要么有潜力使用许多更便宜的低轨卫星来支持 PNT 服务。这些星座的较低轨道（LEO 与 MEO相比）提供更高功率的信号，但需要更多的卫星来保持与传统 GNSS 星座相似的覆盖范围。

许多新的星座预计将在未来几年投入使用——可能是商业和军事行动的混合体，具有不同的性能水平和能力。一些星座将在带有 GPS 的 L 波段运行，而另一些星座将使用完全不同的频段，有助于缓解当今的干扰和欺骗问题。应该注意的是，这些星座需要持续的投资才能保持其有效性，并且并非不受干扰和欺骗的影响。

5. 趋势之四：计时就是一切

过去，由于卫星和地面站上的高性能时钟，大多数系统都依赖GNSS来跟踪时间。但如今，鉴于GNSS的脆弱性日益增加，需要在不依赖GNSS的情况下保持机载准确的授时。MEMS 和量子等多种新兴技术也可以应用于定时解决方案，并且可以将精确的时间保持在皮秒（万亿分之一秒）。然而，它们能够保持这种精度的时间长短各不相同，随着技术性能的提高，它们的尺寸和成本也会随之扩大。并非每个系统都需要皮秒级精度，但许多系统都需要，尤其是将用于需要精确同步的协作车队或自主系统的技术。通过评估特定的系统需求，运营商可以选择符合其任务目标的技术。

6.纠正误解，改变观念

有一些长期存在的误解可能会导致提供商在评估哪种技术或产品最适合其特定需求时走上错误的道路。一个常见的错误是根据高级或实验室规格在选项之间进行评估，这些规格可能无法转化为现实条件下的性能。新传感器最复杂的技术挑战之一是，加固传感器以满足客户和任务要求所需的应用工作。例如，一些供应商会提高惯性测量单元在恒温下的性能，但规格不会指示在整个工作温度范围内的性能，这更能说明在现场使用。在决定合适的方案时，不要依赖基于乐观实验室条件的高级结果，而是考虑解决方案将运行系统的整个条件。如果规范中未提供该数据，请询问相关业者。另一个错误是只关注开箱即用的性能能力，而不考虑它是否会随着时间的推移达到规范。一个负担得起的选择可能在第一天表现良好，但最终可能很快就会超出规格。考虑产品的使用寿命，因为多次更换可能会抵消选择最便宜的选项的任何成本效益。

最后，将新兴技术的价格点与现有解决方案进行比较并不总是有效的。例如，值得考虑的是，负担得起的 GNSS 激增在很大程度上是由于几十年来数十亿美元的政府投资。新技术一旦兴起，它们不会在一夜之间达到相同的准确性和可负担性水平。这对于传达给可能不理解价格不一致的原因的利益相关者尤为重要。随着越来越多的客户投资于最新技术，成本曲线可能会下降。但是，那些希望保持在最前沿并防范最新威胁的人应该尽早投资，而不是等待灾难降临。如果不加以解决，这些误解可能会导致集成导航系统的现场问题，从而导致昂贵的系统重新设计工作、测试和验证失败，最坏的情况是现场故障。

7. 规划前进的道路

PNT 的未来涉及更好的惯性、增强的 GNSS 弹性和一套替代导航技术的组合，以防止单点故障。正如运营商必须依赖在飞行中堆叠在一起的多种技术一样，提供商也应该通过采用针对应用和最终目标量身定制的多种 PNT 技术来减少单点故障。好消息是，将多个导航系统组合在一个平台中相对容易。例如，霍尼韦尔替代导航架构集成了来自视觉辅助导航、磁异常辅助导航和低轨卫星导航的数据，以协助 GNSS 应对拒阻的环境。像这样的分层架构允许用户混合和匹配替代系统，以满足运营要求并确保在这个不断变化环境中任务的成功。

注：该文原作者是马特·皮奇艾铁，霍尼韦尔航空航天技术公司导航与传感器业务副总裁兼总经理。