本文译自GoGeomatics Canada网站题为"Progress in Addressing GPS/GNSS Vulnerabilities"的文章。作者Gavin Schrock是该网站的顾问编辑。Schrock是资深测绘专家，多年以来专注于测绘、制图、数据处理、地理信息等多个领域，曾多次发表过相关文章。本文已获Schrock先生许可翻译转载。
定位、导航和授时应用过度依赖 GPS/GNSS的现状构成了脆弱性威胁。国防、安保、安全、商业和关键基础设施面临挑战。但有几种技术显示出成为GPS/GNSS有价值的备份及替代方案的前景。
对于基于卫星系统的定位、导航和授时(PNT)应用的依赖持续引起人们对脆弱性的担忧，这不是今天才发生的。事实上，在PNT制造企业、应用企业、国防、公共和私营部门内，就该主题进行了大量对话。服务中断可能带来不同程度的影响。然而，潜在的脆弱性与危险的前景之间存在很大差距。了解PNT脆弱性的性质、可行的解决策略以及可以开发部署哪些替代及备份方案是十分必要的。恶意的GPS/GNSS干扰及欺骗行为在战场上那是遍地都是。此类情况不断升级，相应的对于干扰欺骗检测及解决的方案的研究也在同步进行。但是，干扰及欺骗行为已经蔓延到战场之外，为数众多的恶意干扰、无意干扰，再加之在关键PNT基础设施上政策和资金的欠缺，加剧了对备份及替代方案的迫切需求。经济引擎中一些关键要素对GPS/GNSS过度依赖的风险悄然而急剧上升，以至于这种脆弱性在最坏的情况下可能会严重影响经济安全——经济稳定就是国家安全。
虽然在传统战场环境中仍然存在实体冲突，但防御的整体性质已经发生了变化。在网络战中，“亡我之心不死”的力量试图通过入侵关键基础设施系统、选举机制、社交媒体和金融系统来破坏姆们的安全、稳定和有序。为PNT应用提供服务的GPS和其他全球导航卫星系统的脆弱性已得到广泛认知。重要的是，即便当前对脆弱性从讨论转向了警告，但是在战场场景之外，脆弱性尚未造成实质性危害。如果从基于GNSS的PNT体系的数十亿直接和间接受益者的角度来看，中断事件没有发生过。然而，风险是潜在的。好消息是，有一个快速增长的新领域，专注于检测和减轻对GNSS的危害，开发PNT备份和替代方案。
对GNSS的过度依赖
为什么如此依赖GNSS？简而言之，它太适用于国防和其他PNT应用了。从太空的角度来看，用于测距应用（导航和定位）以及精确时间传输的无线电信号的传输覆盖每一个角落。要通过地面方案完全达到GNSS对PNT的作用，需要海量部署供电网络或移动通信近似规模的大规模基础设施。GNSS性价比极高，“真特么好！（此处对于谦老师有致敬）” 虽然有许多替代方案可以部署在地方或小区域，但没有一个能够与GNSS的全球覆盖范围可以比拟。通过其他卫星的方式除外，这些在后面会详细介绍。
如果未来没有在高等物理方面取得突破，也许是在亚原子水平，就没有现成的替代方案可以完全取代GNSS为PNT所做的工作。很少有人建议“更换”。相反，努力的重点是使GNSS更具弹性，并通过备份和替代方案解决脆弱性的问题。虽然脆了些，总比没有好。
GPS的经济价值是惊人的，尽管它最初是为国防目的而开发的。除了互联网，考虑到如此广泛的社会效益，GPS可能是有史以来最成功的源自国防的技术。“仅就美国而言，根据研究结果，估计GPS自从80年代开始用于民用和商业以来，已经产生了大约1.4万亿美元的经济效益（2017年）。该研究的作者进一步判断，GPS服务如果中断，则平均每天会给国家造成10亿美元的损失。如果中断发生在4月和5月的种植季节并持续数周，由于美国农民广泛采用支持GPS的精准农业技术，则影响可能高达50%。GPS能带来的收益包括提升新的和现有的产品和服务的效率，提高质量，为人们生活提供方便，改善环境和公共健康水平。”
GPS是美国Navstar系统的小名，加上与欧洲伽利略、俄罗斯格洛纳斯、中国北斗、印度NavIC、日本QZSS和众多区域增强系统的复合优势，其作为全球服务系统的价值是不可否认的。与此同时，其脆弱性以及出现中断时，其影响力也是巨大的。解决漏洞、寻求更大的弹性、备份和替代解决方案势在必行。
太空中的昏暗灯泡
运用数量不多的卫星在全球范围内提供如此有价值的服务系统，卫星本身即是关键的脆弱之一。这些卫星位于2万公里或更高的轨道上，以尽可能扩大覆盖范围。而且，它们的载荷能力（功率）有限。导航卫星通常被描述为“太空中的低瓦数灯泡”。地面上接收到的信号非常微弱-160dBW——很容易被有意或无意的干扰淹没。这些卫星的民用信号格式是公开的，很容易被模仿。
干扰和欺骗的幽灵笼罩着很多应用领域，这些应用领域对GNSS的依赖在稳步增加。最确定的肯定是国防领域，但也包括与交通和公共安全相关的生命安全应用。
“民用干扰正在发生且逐渐增加。它之前只在战场环境中发生，10年来我们就认识到它可能发生在战场之外。现在，坏怂们很容易做到这一点” ，海克斯康|诺瓦泰高级市场总监Neil Gerein说。Gerein从事GNSS行业已超过20年，曾经参与干扰检测和干扰抑制解决方案的开发。“干扰的成本非常低，用简单廉价的干扰设备在与GPS相同的频段内发射，即可干扰用户。根据设备的功率，它可能是干扰的是一小块区域，比如一个城市街区，也可能是整个城市。”在战场前线，干扰和欺骗是司空见惯的，简单的设备非常易于部署。相应的，检测和抑制方案也是如此。一个例子是诺瓦泰公司的GPS抗干扰技术(GAJT)，它是一种可以连接到军用和民用GPS终端的智能天线。它可以检测干扰的方向，并相应地阻止。对于欺骗，有以设备为中心的解决方案，各个GNSS系统也都有防止欺骗的专用或加密信号。就像传统卫星上的P(Y)码，以及部署在GPS Block III现代化卫星上的新M（军）码一样。虽然民用部门无法使用军用信号，但伽利略公共特许服务(PRS)等可以提供仅限于政府授权用户使用的定位和授时，可用于需要高连续性的公共安全和敏感应用领域。此外，还有其他需要授权才可使用的服务，例如伽利略高精度服务(HAS)。简化版的小型、低功率的“卡车司机用干扰器”，人们可以在网上以低至50美元的价格购买并接入点烟器插座使用。这些通常被试图干扰自己车辆上的GPS设备的人使用，以“掩盖他们的踪迹”，让他们的主管看不到那些未经许可的，譬如停靠汇贤雅叙的行为。“这些干扰器的问题在于它们通常品控欠佳”，Gerein说，“接线不当可能导致更大区域的中断”。使用此类设备严重违法，但许多使用它们的人要么不知道这一点，要么愿意冒这个险，因为如果真正以本来设计的低功率运行，则此类设备很难被检测到。一个例子是2013年新泽西州的一名男子，他的小型干扰器在机场附近造成了干扰，有一个重要的GPS基准站在那里。他因此被罚款32,000美元。干扰可能是无意行为造成的。GNSS系统有多个频点，例如L1为1575.42MHz，L2为1227.60MHz，L5为1176.45MHz，从医疗设备、3G蜂窝通信到家庭WiFi等设备都可能造成干扰。但并不总是，也不经常。用户通常不会遇到家用WiFi干扰GNSS的问题，除非路由器中含有劣质廉价的组件、布线不良或信号中存在谐波。大功率射频源，即使它们与 GNSS不在同一频率范围内，也可能造成干扰。同样，这是一个潜在的，而不是普遍存在的问题，但足以值得人们在检测、抑制和替代方案方面的研发和投资。
美国海岸警卫队导航中心(NAVCEN)的GPS信息分析小组负责人里克·汉密尔顿 (Rick Hamilton)说：“华盛顿州有过当地渡轮被干扰的案例。渡轮驾驶员注意到，当他们靠近码头时，船上的GPS接收机会失去定位。干扰通常会影响渡轮首尾两端的接收机。后来查清原因是等待上渡轮的卡车上的新安装的接线不良的车载电台造成的。” NAVCEN提供一项惠民服务，用于现场记录GPS和其他导航系统的问题。“我们提供海上导航和信息服务，以提高美国水道的安全性和效率，”汉密尔顿说。他补充说，“当涉及到民用GPS的三个主要应用领域（海洋、航空和地面）时，每个领域对信息的及时性都是基本要求。”汉密尔顿说，在世界的某些地区，例如地中海东部，报告了数量较多的干扰事件（据该地区的相关机构报告），但干扰出现的主要原因可能是因为离冲突地区距离太近了。但在国内，相比之下，此类事件并不频繁发生。“我认为我们每年多达60到100件此类事件发生。这不是一个很大的负担。在这里说这是一个问题有点过头了。它可以被描述为一个烦人的问题。大多数都不是恶意的。大多数这些事件都是无意干扰。”汉密尔顿并没有忽视干扰事件造成损失的可能性。他概述了那些不仅仅是烦恼的场景。例如，在加利福尼亚州中南部沙漠的部分地区，卡车司机报告频繁有干扰现象出现，这可能导致卡车错误的在他们打算避开的路线行驶，例如那些穿越上边有铁路经过的低矮桥洞，卡车可能会出现在桥洞里“卡脖子”的现象。借助GPS系统，使用“地理围栏”的行为很普遍，它可以使装有危险材料的卡车远离某些区域，避免上述危险路段，并使它们保持在燃油效率最佳的路线上。
虽然汉密尔顿表示，干扰行为通常不会对关键基础设施和电信运营商造成重大问题，但人们非常关注。此类行为对国防和关键行业应用都非常重要，因此此类行为的报告被提升到美国战略司令部（一个联合军事司令部）的级别。有一个报告记录以及协调多个机构对此进行分析的过程。“当我们收到报告时，我们会迅速开展工作，以确认干扰是否存在。确认后，消息会迅速发送到所有五个运营中心，”汉密尔顿说。“我们会让每个中心得到信息及时更新。这包括联邦航空管理局 (FAA) 国家运营控制中心(NOCC)、国土安全部网络安全和基础设施安全局(cisa.gov)的国家通信协调中心(NCC)以及联邦通信委员会运营中心(FCCOC)。”由于GPS由军方管理，因此太空军的GPS作战协作小组 (GWCC) 也是这种协调工作不可或缺的一部分。“值班人员会就下一步将采取何种措施快速达成共识，如果需要的话，这个过程可以迅速通达高层BOSS乃至大统领。”虽然在战场之外的卫星导航干扰事件并不常见，但部分国家有处理卫星导航干扰的官方机制。其他GNSS星座运营者和所在国家各自的安全和通信管理机构对干扰行为对卫星导航应用的影响进行了研究，并制定了报告流程。例如，欧洲全球导航卫星系统局有QGN项目，量化人为信号噪声源对伽利略系统的潜在威胁，为采取干扰检测和抑制手段提供信息支持。但是，这对遇到干扰的用户有何帮助呢？尤其是那些因为短时间遇到干扰的用户，例如被“卡车司机用干扰器”干扰的车辆？用户可能需要做好应对短暂中断的应对，制定“B计划”。对于跑杆族（测绘师）来说，这可能意味着必须在短时间内使用传统的非GNSS测量仪器来保持工作顺利进行。对于大型建筑承包商或拥有很多台使用GNSS技术做自动驾驶的拖拉机或其他重型设备的农民来说，这可能意味着要暂停运营，直到干扰停止。导航信号解决方案
非战场环境中的欺骗可能正在增加，但针对军事目标的欺骗并不是什么新鲜事。从一开始，反欺骗功能一直是卫星导航系统重点考虑的。每个卫星导航系统都具备提供加密服务的能力，通常用于军用。举例来说，美国军方保留对“P码”（伪随机码）的独家使用权。它是民用C/A代码频率的十倍，而且更难被干扰。当它被加密时，它被称为“Y码”，只有拥有加密密钥的军用接收机才能接收它。部署在最新GPS卫星上的M码也进行了加密。即使所有其他信号都被干扰或欺骗，像M码这样的信号依然可以被用于自主定位。
一些较新的卫星导航星座中还设计了抗干扰和抗欺骗功能。例如，印度区域导航系统NavIC 具有用于军事目的的保留服务(RS)。此外，与GPS卫星以160度顶角的锥体播发相比，它以30度顶角进行广播，这使得一些干扰和欺骗行为变得更加困难，NavIC接收机需要三频天线——这些天线不容易制造。这种用于国防和民用的授权信号正在部署在所有星座的新卫星上。伽利略系统的第一个测试信号将很快交付民用。伽利略开放服务导航消息认证 (OSNMA)是将接收机中内置一种复杂算法，它使用公钥来检查传输密钥的真实性。然后它使用传输的密钥和数字签名来检查导航数据的真实性。如果某个信号被标记为欺骗信号，则它将被排除在定位解算之外。信号检测
信号检测是最好的保护。“可能存在的干扰比我们所知道的还要多。人们可能不知道它在那里”，Gerein说：“因此，对于军用客户而言，重要的是我们所说的态势感知。这对非军用客户也很重要。”为了提供现场和实时的态势感知，海克斯康旗下诺瓦泰公司的GNSS团队开发了一种称为GRIT（GNSS Resilience Integrity Technology）的干扰工具包。“我们为客户提供标记干扰和欺骗的能力，因为当他们怀疑有问题出现时，能够帮助他们验证这一点。“我认为有问题，但到底是不是真有问题，哪里出的问题？”借助该工具包，他们可以高度确认地验证这一点，并帮助确定他们的问题是否真的是干扰、欺骗或与他们的设备完全无关的问题。”
对于战场环境而言，检测和抑制方案是司空见惯的。例如，高端的天线可以检测到干扰并定向阻止对于这些信号源的接收。用于检测干扰的频谱分析功能现在出现在非军用接收机中，例如天宝公司“阿·嫪毐”(Alloy)基站接收机和佳瓦特公司的流动站等。诺瓦泰公司正在为他们的众多接收机提供像GRIT这样的解决方案。“使用有检测功能的产品，用户不会挠着头说，为什么它不能yesterday once more像昨天那样正常工作尼？” 这些工具确实有助于故障排除，Gerein说。“在你决定做点什么、使用什么替代方案或是否提交正式报告之前，检测是最好的第一步。”就有意和无意干扰而言，一个稍微令人宽慰的事实是，除非干扰源十分强大，否则其影响将仅限于小区域，如低功率的“卡车司机用干扰器”。破坏一个比几个城市街区更大的区域，意味着它必须是一个功率非常强的信号源，而这些更容易被检测、追踪和快速消除。鬼魂
新闻中报道了几起引人关注的卫星导航欺骗事件，比如2011年在海湾地区被诱捕的美军无人机，据信是虚假的GPS信号对它进行了欺骗。十多年前，德克萨斯大学就证明了民用无人机可以被轻易欺骗。世界各地都有海上欺骗事件的报道，以及其他导航跟踪和识别系统被诱骗（有时与海盗有关）、“幽灵船”和神秘的船舶位置绕圈的欺骗事件。
“对于坏怂来说，欺骗现在变得更容易了。因为你可以破解信号，并且可以从互联网上下载一些开源代码”，Gerein说。不需要高级水平的业余爱好者就可以做到这一点，但如果期望达到非常具体的目的，比如诱骗货运无人机，那么难度会非常高。但是，如果目的只是施加干扰，把GNSS接收机搞迷糊，就很简单。有许多方法可以检测欺骗，这跟卫星导航接收机的工作原理有关。来自真实卫星的信号强度低且一致，因为对地面来讲，卫星们都是相对较远的。然而，欺骗者从地面传出的假信号总是非常强，并且随着物体移动而变化很大。只有最高级的欺骗者才能基于运动实时调整其传输的信号电平，要这么干必须要跟踪被干扰对象的路线。接收机将同时接收假信号和真实信号。当接收机被虚假信号愚弄时，显示位置会跳转到一个错误的位置。在真实的物理系统中不可能进行这种跳跃式变化，因此这通常是被欺骗的迹象。有一种通过采集记录GNSS观测信号并回放的欺骗方式，这种方法称为“假象干扰”或“回放攻击”。幸运的是，这些很容易检测到。当接收器从跟踪真实信号切换到虚假信号时，来自每颗卫星的数据流可能会显示不连续，时间参数也是如此。这将特别容易检测到，因为在重放开始时接收机的时间可能会倒退。信号的多普勒频移作为最早用于卫星导航的技术之一，可被用于反欺骗。无线电波的多普勒频移与声波在物体移动时的频移现象类似。真实卫星的多普勒频移会有所不同，因为会根据物体与卫星的位置关系不同而不同。然而，由于欺骗信号源在接收机侧产生的多普勒频移对于所有卫星信号都是相同的，因为它们都是从同一方向到达的。这是欺骗的另一个迹象。同样，只有最复杂的欺骗信号源才会考虑到目标物体的运动，以实时调整每颗卫星的多普勒频移，为此需要跟踪物体的运动路径。
美国交通部最近完成了一项对11项补充（GNSS）技术的综合研究，这些技术可以在没有GNSS的情况下用于定位和授时
与对GNSS的不信任作斗争
对使用GNSS进行质疑和缺乏信心是真正的脆弱，这方面可能比实际欺骗/干扰事故危害更大。这种观点（指不能对GNSS缺乏信心）对于军事应用是正确的，对于非军事应用更是如此。简简单单举个例子，比如有人在手机上看到地图APP中的错误，或者看到有关军用无人机被欺骗和捕获的新闻，或者有莽妇开车“跟着导航”掉到湖中时，便都将这些问题一股脑归咎于“GPS”。公众遇到的问题大多与底层（指GNSS）技术完全无关，而是与地图和用户错误有关。不让公众了解这一点，则很难说服人们不要对GNSS丧失信心。一旦怀疑存在，用户通常会立即得出结论，而不是寻求其他排除故障的要素。我和卫星导航服务商聊过，他们为高精度应用提供差分改正服务，当用户遇到问题时，他们经常怀疑自己是否被干扰了，或者怀疑“军爷们正在四处乱动卫星”。经验证，确属干扰的实例很少，除了在某些军事设施周围，或在一些（但不是全部）高压输电线下。多年来，我在一个主要城市最繁忙的高速公路旁使用频谱分析仪，但只看到了少数可疑和短暂的尖峰信号。但确实不能完全消除卫星导航干扰的存在。电影《盗梦空间》中的一句台词让主角陷入蒙圈儿，“想法一旦被植入，可能比病毒更危险。”在这里，即使是少数对PNT的网络战攻击也可能引发对GNSS和相关系统的广泛和扩大化的不信任。例如，这种影响可能会对辅助驾驶和自动驾驶汽车的采用产生寒蝉效应。特别是如果伴随着社交媒体不实的宣传，会加剧人们对此的担忧。我们都看到了社交媒体的不实宣传在煽动和利用怀疑、分裂和不信任方面是多么有效。如果继续这么走下去，这甚至会使卫星导航系统现代化陷入资金困境。
系统级的脆弱性
GPS或卫星导航系统突然完全“消失”的可能性非常小，因为现在有多个卫星导航星座并存在轨道上。随着越来越多的卫星导航接收机可以兼容接收来自多个星座的信号，即使在一个星座出现问题的情况下，PNT也可以继续使用一个或多个其他星座。但是，是否存在所有情况都可能受到损害的情况呢？
如果出现宇宙级别的大事件，比如史无前例的太阳风暴、流星等，有的是比GNSS更让人们值得担心的。电磁脉冲 (EMP) 攻击肯定会在大范围内破坏GNSS，但也会对GNSS以外的许多设备和系统造成危害。还有一个假设场景是坏怂使用导弹对卫星进行攻击，但这种行为即使不是事实上的宣战，也等同于宣战。如果在国家层面，坏怂需要干掉所有GNSS星座并与所有卫星导航系统的拥有国开战，这比攻击单个卫星导航系统更加不可能。个别卫星导航星座有可能，也确实出现过，短暂的系统性故障。2014年4月2日，GLONASS 星座在全球范围内几乎长达11个小时无法使用。普遍认为，GLONASS系统被上注了错误的星历，在整个星座中恢复正确的星历需要11个小时。其他个别星座也存在类似的异常，但很少有用户会注意到这一点，因为现在的卫星导航接收机（包括许多智能电话）兼容多个卫星导航星座。在军事行动场景中，GNSS星座运营者是否会出于战略或战术目的突然禁止区域或全球民用信号吗？这是有可能的，但别忘了还有其他卫星导航星座在奥？他们会故意阻碍自己的民用应用和无视其经济价值吗？如果所有的GNSS系统突然一起歇菜了，那么这将对每个人，对整个人类产生巨大的负面影响。对于减轻宇宙级的灾难人类是无能为力的，但由于其他地缘政治危害导致的系统级的故障，无论看起来多么不可能，都可以通过外交手段予以事先解决。尽管如此，这种理论上可能会发生的时间仍然是一个脆弱点，对此的研究有助于找寻备份和替代方案。天基替代解决方案
多个星座 (GNSS)共存解决了PNT的脆弱性的一个关键点，即如果只有GPS星座无法运行，则单点故障不会出现。人们正在为军用和民用部门探索基于卫星的替代方案。更多的星座投入运营只会让事情变得更好，特别是如果它们与现在的GNSS系统相比具有某些优势。
近年来，有很多对于通信、遥感和导航的低轨卫星(LEO)的热议。有许多由数千个小卫星组成的巨大星座的建议，许多人希望这些星座能够解决村村通的问题。相关研发部门正在寻求将部分或全部这些LEO卫星应用于各种定位和导航解决方案。它们的工作方式在基本层面上与现有的GNSS卫星大致相同，但由于其较低的轨道而存在差异化优势。
对军用相关研发的调查经常会无果而终，但基于LEO的PNT的物理原理却不是什么讳莫如深的大秘密。Satelles公司负责商用PNT的副总裁Christina Riley提供了有关基于LEO的PNT的以下详细信息，重点介绍了他们自己的解决方案：“LEO星座具有与MEO星座不同的操作特征和性能特征，譬如更强的信号强度。举例来说，来自Satelles公司的STL（卫星时间和位置，是Satelles公司提供的一项基于卫星的PNT服务）系统的信号比GPS强1,000倍(30db)，这使得它很难被干扰或操纵，并且它可以在GPS信号受到阻碍或降级的环境中使用，包括室内和地下。极地轨道卫星能够在两级（GPS服务最弱的地方）提供很强的信号。
“由于LEO卫星在地球磁气圈和内范艾伦辐射带下方轨道运行，因此它们可以免受空间中的干扰（例如太阳风暴）的影响。它们也不太容易受到内部带电和表面带电的有害影响，这些有害影响可能会对在MEO或GEO轨道上运行的航天器的电子元件造成永久性损坏。与陆基系统不同，卫星系统不太会受到恐怖袭击的影响，并且更不容易受到个别国家的攻击。”
低轨(LEO)卫星迅速投入通信应用，与传统GNSS系统相比的特定优势使其可以很好的服务于PNT，并且作为GNSS系统的备份和替代方案。（图源丨Satelles公司）LEO有一些潜在的缺点，尤其是基于LEO小卫星。LEO通常比MEO卫星的寿命短很多，现有的GNSS星座大多都是MEO卫星，因此LEO卫星可能需要频繁地更换。轨道稳定性、精密跟踪以及在轨服务产品开发可能更具挑战性。每颗星的成本可能会更低，但您需要更多的星（与MEO相比）才能实现全球覆盖，而且某些卫星在尺寸上的局促也可能会带来限制。这些挑战并非不可克服，预计此类系统将很好地被用作PNT系统的备份和替代。
基于地面信号的替代方案
“在高塔或山顶上放置GPS卫星”的想法并不是一个新想法，几十年来已经以各种形式付诸实施。伪卫星有多种实现方式，例如天宝公司的“地赖”(Terralite)系统，被用于机械设备控制和采矿等应用。地基伪卫星和其他解决方案可以在天空视野受阻的这些区域、包括室内，提供优于GNSS系统的PNT服务。这种伪卫星系统也可以提供类似GNSS的高精度解决方案：实时厘米级。像徕卡公司“挤个嫂”(Jigsaw) 这样的混合系统，它将高精度GNSS接收机与Locata的接收机相结合，该接收机使用来自地基信号源发出的信号。这两种解决方案在复杂接收环境中相互补充。这种混合系统已用于矿山。但也有这样的例子，在公路安全保险协会的室内碰撞测试设施中，不依赖GNSS独立运行的Locata系统。
无线电导航已经存在了一个世纪，大规模实施的如从1940年开始建设的罗兰(LORAN)导航信标系统。在莺歌燕舞的90年代，诞生了eLORAN（增强型罗兰），并为广泛部署提供了强有力的支持。它没有GNSS的一些弱点，但与其他PNT替代方案一样，尽管它可以很好地服务于某些应用场景，但并非所有GNSS的应用场景都适用。与其他替代方案一样，用户需要单独的、专用的或集成的接收机。不管怎么说吧，这确实可为某些特殊的交通应用提供有价值的备份和替代方案。手里拿着原子钟的NextNav公司联合创始人兼首席执行官Ganesh Pattabiraman，这样的原子钟将部署在其室内/城市PNT系统中的基站上。（图源丨Schrock）
面对解决室内以及天空被遮挡场景下的定位导航的问题，最近掀起了一波充满希望的研究浪潮。许多室内导航解决方案已经产品化，还有更多的产品正在开发中。这些主要都是采用无线电信号进行定位，需要使用专用的信标，或现有的射频源（如WiFi路由器），或一些各类型的机会信号。有些可以在小区域和受控条件下实现厘米级精度，例如Locata和Humatics为铁路和工厂提供的超宽带解决方案，但大多数室内定位系统精度较低，更适合被用作导航。授时
PNT中的“T”通常最不为人所知，但在某种程度上也可以说是最有价值的。精确的时间使我们的物质世界同频共振。GNSS系统提供精确的时间，这是其工作原理的基础，并在全球范围内提供时间同步。GPS/GNSS已成为世界时钟。有些定位和导航的替代方案不能提供精确的时间，但有些可以。
图片是美国海军天文台的原子钟，这些属于一个全球协作原子钟阵列，提供全球精确时间。目前全球精确时间的同步主要还是通过GNSS。正在寻求地面和其他备份和替代方案以提供精确的时间。（图源丨Schrock）
GNSS被设计为能够在全球范围内提供精确的时间，每颗卫星都有一个原子钟，它会定期同步。全球时间由原子钟的协作全球网络得出，并且GNSS卫星在它们自己的原子钟出现显著漂移之前进行更新同步。一些地基PNT解决方案正在从GNSS间接获取时间，因此当GNSS不可用的时候，并不影响应用领域的精确时间同步。但有些人已经解决了这个问题。
NextNav是一种PNT解决方案，它使用安装在塔上的信标网络进行定位和导航。它甚至可以在许多室内环境中工作，比如他们测试过在两层楼的火车站进行定位和导航。有趣的是，NextNav信标安装了小型原子钟；它们可以提供准确的时间以及精确的（尽管不是厘米级）定位和导航。协作精确授时网络渴望能够提供比GNSS更精确的时间。闭环无线电授时网络（针对小区域）的研究显示出前景，并且在基于光纤网络方面应用取得了进展。这些不仅可以提供更精确的时间，而且可以作为GNSS授时系统的备份。多传感器集成
对卫星导航信号的干扰、欺骗最令人不安的是它们可能导致的不确定性。如果GNSS给出的位置或航向不正确怎么办？我们怎么能及时知道呢？人们对自动驾驶汽车的疑虑有些是出自对GNSS的不信任。为了帮助解决这个问题，定位服务行业不断发展，为GNSS解决方案提供实时增强，主要是考虑到新兴的自动驾驶市场。
使用基准站、解决方案和改正网络，可以提供RTK到精密单点定位 (PPP) 的服务，这些“改正信号”通过蜂窝网络和专用L波段卫星传送到接收机。这可以为提供高精度服务提供更好的保证，但这些仍然依赖于GNSS。一个关键的要点是，没有一个为自动驾驶开发的定位方案只采用GNSS，他们采用的都是集成了惯性、摄像头、激光雷达等多传感器的方案。
自动驾驶系统集成了多项技术，并不单独依赖于GNSS。（图源丨阿莱娜·内斯特洛娃）
惯性测量单元(IMU)是确定您的GNSS解决方案是否被欺骗的一个重要工具。这些可以帮助判断GNSS的位置或航向是否发生了意外变化，如果是，则表示您可能被欺骗了。
政府政策
现实中存在对于GNSS的潜在威胁，它可能来自那些为了某种利益而试图歪曲或忽视科学的人。例如，几个GNSS信号位于分配好的无线电频谱带中，互相作为正常操作的“安静邻居”。不幸的是，一直有刁民在游说侵占或重新分配所述频谱以支持更高功率信号（和更有利可图）的地面服务。十年前，一家投资公司收购了一家失败的卫星通信公司，该公司的频谱与GPS相邻，因此发生了一个极具争议的频谱争夺案例。本来，该频谱已预留给移动卫星通信频段 (MSS)。通过向美国联邦通信委员会 (FCC) 提出上诉，新所有者获得了有条件的授权，可以通过“地面辅助”组件来增加他们计划中的新卫星通信服务。条件是他们需要证明这不会对GPS造成干扰。资金充足的游说顶着国防、交通和私营部门GPS终端用户的强烈反对取得了进展。但最终，干扰问题未能完全解决，计划几乎停止了。本来说说也就完了，但最近这件事又出现了。频谱上的竞争只会加剧，GNSS系统将永远面临此类挑战。GPS系统更新和现代化的资金可能而且确实面临预算上的限制。财政事项哪些优先，通常由那些不完全了解GNSS的国防、公共安全、安保和商业价值的人决定的。甚至有些做GNSS备份和替代解决方案反而还搞定了财政支持的实例。
具有讽刺意味的是，虽然电力网络和交通运输等这些被称作“关键基础设施”都依赖GNSS，但卫星系统本身却没有得到“关键基础设施”这样的名号。美国天基定位导航和授时咨询委员会经常表示应该这样做。但该机构只是一个咨询机构，并未正式给予这样的名分。这样做可以减少或消除某些潜在的政策不确定性。对于备份及替代方案的探索
现实世界卫星导航造成风险的可能性很低，但潜在风险是存在的。如果GNSS系统故障会发生什么？无论是局部干扰、各种类型的射频干扰还是整个导航卫星系统出问题，当用户或应用丢失GNSS时，其影响范围可能从不便到很严重：战术和战略防御应用中断
交通中断
财产和环境损害
受伤或致命伤害
对系统的不信任
商业和经济损失
互联网和通信系统中断
需担负的责任增加
通常，公众听到的关于GNSS缺陷的唯一来源是他们收到的耸人听闻的头条新闻，声称军方想要“放弃GPS以支持XXX”。除了新闻业的懒惰和不负责任以外，这种说法远非事实。没有人能够提出任何PNT替代方案可以完全取代所有的GNSS。一些提议的替代方案可以很好地服务于有限的应用场景、有限的地理区域，并且可以作为GNSS很好的备份和替代方案，但不能完全替代GNSS。
最近被大量媒体报道的一个替代方案，是生成非常详细的地球磁场模型，并将其用作军事导航的辅助手段。但这只能精确到千米级，而未经校正的GNSS可以精确到米级，而精准（增强）GNSS可以精确到厘米级。量子导航（或量子罗盘）是另一种有前途的粗导航技术，其本质上是使用原子干涉测量的惯性导航。它可以在水下和地下深处工作，但与GNSS相比，精度太烂了。
基于地面的信号系统，如Humatics公司的超宽带 (UWB) 解决方案，已被开发用于铁路和工厂应用
在非军用市场上，对于GNSS备份和替代方案的探索和开发方面非常活跃，其中包括交通领域。美国交通部在这方面发挥了模范带头作用，最近完成了一项对11项补充技术的综合研究，这些技术可以在没有GNSS的情况下用于定位和授时。2个是用的LEO卫星解决方案，2个是用的光纤授时，1个用IMU和UWB结合的，与本地化地图数据库匹配的方案，还有6个用于基于地基无线电的解决方案。好消息是几乎所有经过测试的解决方案都表现良好并显示出巨大的潜力。一个PNT行业公司联盟正在推广替代方案。开放PNT产业联盟已经成立，促进开放市场为基于GPS/GNSS的定位、导航和授时提供急需的保护和备份。我们已经走在解决脆弱性的道路上。GNSS星座正在稳步实现现代化，将拥有新的和升级的信号。最终用户设备变得越来越智能，能够兼容多个星座、检测和拒绝不良信号、检测干扰和欺骗，并且许多设备正在集成多传感器。通过这些备份和替代方案，基于GNSS的PNT克服脆弱性的可靠性和信心可能会提高。
是的，GNSS确实存在脆弱性。在最坏的情况下，这些漏洞可能会产生巨大的负面影响。但这更多的是潜在的而不是迫在眉睫的危险。从上面可以看出，军用和民用领域的好人正在努力解决这些问题，这帮人信得过。引用道格拉斯·亚当斯的话：“不要惊慌！”弟评：道格拉斯·亚当斯是《银河系漫游指南》的作者，他和被我称为又"臭"又长的本文作者Schrock坚持同样的观点，遇到事情不要慌，即便马上要被扔出飞船或GNSS变得嘎嘣脆。这里又得重提一下我在之前文章中的观点，西方和中方在面对脆GNSS时的不同态度。西方倾向于摸清问题进而缝缝补补的用好GNSS，中方则倾向于大干快上建设更多的系统来补充GNSS的不足。有个不那么形象的比喻，西方不指望养儿防老，东方则痴求多子多福。来源：北斗国际化，原文标题《GNSS不能承受之脆》
