欧盟委员会联合研究中心通过性能评估活动测试了七种先进的定位导航和授时 (A-PNT) 平台替代来源，证明当今商业市场上存在 GNSS 的可行替代方案。

LUKASZ BONENBERG、BEATRICE MOTELLA、MATTEO PAONNI、JOAQUIM FORTUNY-GUASCH，欧盟委员会，联合研究中心 (JRC)，ISPRA，意大利

IGNACIO Alcantarilla MEDINA，欧盟委员会，国防与航天总局，比利时布鲁塞尔

鉴于全球导航卫星系统 (GNSS) 带来的巨大好处及其广泛使用，任何中断都会对广泛使用的服务产生巨大影响，包括那些对生命和安全至关重要的服务。因此，应优先考虑备份或替代定位导航和授时源 (A-PNT) 的可用性。

在欧盟委员会于 2020 年 12 月发起的招标框架内，在欧盟委员会联合研究中心对总共七个最先进的 A-PNT 示范平台进行了性能评估活动。结果证明，商业市场上已经存在能够独立于 GNSS 提供定位和/或授时信息的成熟商业 A-PNT 技术。

GNSS 弹性和 A-PNT

如今，许多经济部门都强烈依赖 GNSS。这是全球导航系统成功与否的衡量标准，但也表明了潜在的脆弱性。严重依赖 GNSS 的行业包括运输（空中、海上和公路）、工业（电信、能源和金融）、农业、渔业以及安全和国防。尽管全球可用性服务带来了明显且无可争议的好处，但在关键基础设施中广泛使用 GNSS 作为 PNT 服务的唯一（或至少主要）来源会带来风险。这使得 A-PNT 的可用性成为必须。A-PNT 平台将提高 GNSS 的稳健性，有趣的是，还可以促进其增强，从而提高整体性能。 

PNT 技术的弹性应被视为许多应用领域的严格要求。为了增强欧盟 (EU) PNT 和 GNSS 基础设施和服务的弹性，欧盟委员会 (EC) 采取了各种行动。他们之中：

• 通过旨在保持欧盟在太空领域领导地位的欧盟太空计划（条例 2021/696）、关于关键实体弹性的指令 (EU) 2022/2557 以及关于高共同水平措施的指令 (EU) 2022/2555整个联盟的网络安全。

• 欧洲无线电导航计划（ERNP）[1] 的发布，介绍了欧盟 PNT 基础设施格局的演变，包括提供 PNT 并补充 GNSS 服务的新兴系统。

• 使新的伽利略服务可供用户免费访问，例如开放服务导航消息认证(OSNMA) [1]、伽利略开放服务的数据认证功能。 

为了增强定位技术的弹性[2]，确保不同 GNSS 之间以及 GNSS 与其他 PNT 系统之间的互操作性至关重要。如今，A-PNT 候选者的例子有很多，其中一些可以集成在 GNSS 用户终端内。并非所有 A-PNT 技术都在 A-PNT 测试活动中进行了测试。未测试的非详尽列表包括：

• 使用来自地面通信系统（例如Wi-Fi、蓝牙和蜂窝网络）的信号对于为三边测量提供额外的测距测量特别有意义。然而，缺乏来自这些地面发射机的信息，例如发射机位置或公共定时源，可能会妨碍高精度和可靠的定位[6, 7]。5G NR（新无线电）是第五代移动网络，继前几代之后，性能和效率水平得到了提高。尽管 5G 可能使用一些与 4G 相同的定位方法，但新的频段使其更加准确，通信延迟更低 [8]。 

• 增强型Loran (eLoran) 是长期存在的Loran 系统系列中的最新产品。eLoran 从 Loran-C 演变而来，以响应 2001 年 Volpe 报告[2]。它通过更新的设备、信号和操作程序改进了以前的罗兰系统。与 Loran-C 相比，此类改进提供了更好的性能和附加服务，并使 eLoran 能够在许多重要应用中充当卫星导航的备份，例如海港入口和进近 (HEA)、航空非精密进近 (RNP 0.3) ）和时间[9,10]。

• 使用独立于GNSS 的信号的测距模式（R 模式）被认为是弹性PNT 服务的潜在来源之一。R-Mode 是一种海上陆地导航系统，利用现有的海上服务信号作为测距机会信号 (SoO)。它能够在距离海岸线数百公里的范围内进行定位和授时，以发射站的可用性为条件，并弥补 GNSS 不可用的时期[11]。

鉴于所提出的 A-PNT 技术多种多样，欧盟委员会 (EC) 国防工业和航天总局 (DEFIS) 于 2020 年 12 月发起了招标 (CfT) DEFIS/2020/OP/0007，其目标是评估成熟的 A-PNT 技术的性能，该技术能够独立于 GNSS 提供准确且强大的定位和/或授时服务。工作主要是在 EC 联合研究中心 (JRC) 的科学和技术领导下进行的。

招标：目标和项目部署 

招标的主要目标是分析能够独立于 GNSS 提供定位和/或授时信息的技术，并在 GNSS 中断时（即使在不太可能发生的情况下）作为有效备份，并且如果可能的话，在以下环境中提供 PNT： GNSS服务无法高效提供，包括城市峡谷、室内、地下、水下以及航天器和发射器等快速移动平台。

选定的供应商

四家选定的提供商展示了授时服务（OPNT、7 Solutions SL、SCPTime 和 GMV），另外三家提供商展示了定位和授时服务（Satelles、Locata 和 NextNav）。表 1总结了 A-PNT 演示平台和支持它们的技术 。 

经过测试的技术提供了地面弹性时间和频率分布（光学、电气和空中下载，OTA）的组合，长达 105 公里的 OTA 时间传输和基于低地球轨道 (LEO) 的服务。使用地面发射机和 LEO 网络测试了保证位置。 

关键绩效指标 

招标[12]定义了某些需要遵守的具体关键绩效指标（KPI）。PNT 技术必须：

• 独立于 GNSS 提供定位和/或授时信息；

• 在 GNSS 中断或断电时充当备份；

• 覆盖欧盟欧洲领土，包括内陆水域；

• 能够抵御 GNSS 故障模式和漏洞（包括 GNSS 频率干扰和欺骗或无意干扰）；

• 位置/导航服务的TRL 大于5，授时服务的TRL 大于6。

• 在 GNSS 丢失后至少 1 天提供替代 PNT 服务的最低性能，即： (i) 定位精度（水平和/或垂直 95%）< 100 m 或 UTC 授时精度（3 sigma）< 1 微秒，并且, (ii) 可用性 > 99%

• 如果替代PNT 服务提供定时服务，则应可追溯至协调世界时(UTC)。

必须在 GNSS 服务中断 1 天、14 天和 100 天后评估服务的 KPI。如果可能，系统应在无法有效提供 GNSS 的环境中提供位置和/或时间信息。此外，参与者还被要求描述在本地、区域或大陆范围内部署服务的可能性。

测试活动：设置和取得的结果 

鉴于所研究的技术的多样性，测试计划没有提供通用的基准测试，而是不可知的，为每个参与者单独定义。还在不同的室内和室外环境中进行了静态和运动定位测试。除了旨在定量评估是否符合既定要求的测试外，还进行了一系列针对外部威胁、远程监控和平台相关能力的定性演示。

位于意大利北部的 JRC 伊斯普拉基地是 A-PNT 示威活动的主要举办地。它占地 170 多公顷，拥有 100 多栋一到五层高的建筑物和 36 公里的道路，由森林、城乡结合部、城市和农村地区组成，地形各异，包括林地。这以及包括欧洲微波特征实验室 (EMSL) [15] 在内的专用实验室的存在，使其成为在现实环境中测试和演示 PNT 技术的理想选择。

从 2021 年 9 月开始，已经完成了近八个月的测试，A-PNT 平台在室内和室外展示了精确和强大的授时以及传输和定位服务。由于时间紧迫，一些演示在 JRC 之外进行，由平台提供商主办，如 表 2 所示。 

JRC 负责准备和运行测试活动、审查项目的可交付成果和测试协议、运营 Ispra 站点内的测试基础设施，以及管理与每个平台提供商的沟通和交互。JRC 站点基础设施服务支持 A-PNT 演示器在实验室和校园内各个其他地点的部署。这包括在建筑物屋顶和室内安装无线电信标和测试设备；与 IT 服务接口以获得所需的网络连接；与意大利频谱监管机构联络以获得临时许可证；安装和操作评估 A-PNT 演示器性能所需的测试设备；使用JRC测试设备收集和处理数据。

时间尺度和参考系

对于现场进行的测试，JRC 在欧洲陆地参考系 (ETRF) 中提供了室内和室外的静态和运动参考。使用 GNSS RTK 在校园周围建立了 ETRF 中的永久点网格，以支持户外试验。作为该过程的一部分，一些建筑物还建立了室内参考坐标系。

图 1 显示了外部实验装置（左）和室外和室内测试设施（右）的示例。

JRC 为在 JRC Ispra 站点进行的所有实验提供了共同的时间参考。测试装置是为每个平台提供商单独设置的。所使用的时标可追溯到 UTC(IT)，并由提供意大利官方 UTC 时标的计量研究所 (INRiM) 进行校准。该校准是使用 GNSS 定时接收器进行的，该接收器接收来自 JRC 参考定时装置的 10 MHz 和 PPS 信号。这保证了定时参考的可用性，可追溯到 UTC(IT)，不确定性远低于 10 纳秒。

示范技术

七家选定的供应商提出的解决方案所采用的主要技术是白兔（WR）、计算机网络、伪卫星和LEO。接下来的小节对每种技术进行了简要介绍，而 表 3 则将每种技术与采用该技术的提供商进行了对应。 

白兔协议

IEEE-1588-2019 高精度 (HA) 配置文件，广泛称为白兔协议，是一种时间和频率分布协议，由欧洲核研究理事会 (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) 开发。它将精确时间协议 (PTP) 数据包与同步以太网 (SyncE) 频率基础相结合，通过光纤提供亚纳秒级的时间传输精度。

为了最大限度地提高服务的可用性和连续性，测试中的技术在至少两个时间源（例如 GNSS、原子钟、NMI 等）的情况下表现最佳。例如，OPNT BV 和七解决方案 SL 可以在多个时间源之间无缝切换，以确保亚纳秒精度的连续传输。

此外，OPNT 还展示了该技术可以监控 LTE 信号并为其添加时间戳，以及检测和（如有必要）纠正定时错误（漂移）。 

固定电信网络时间分布

固定电信网络使用电流调制来分发数据。在数字传输的情况下，数据包用于同步时间，例如使用动态同步传输模式（DTM）。该架构于 2001 年由欧洲电信标准协会 (ETSI) 标准化。

这种传输的准确性取决于信道抖动和网络不对称性。后者是通过在现有基础设施中精心设计监控盒部署来管理的。前者与同一介质上其他不相关流量的强度直接相关。这可以通过提高探测数据包速率来缓解，这需要有保证的带宽量。付费 MPLS 网络是 200 至 500 ns 精度的关键且充分的要求。

盒子的密度还可以提高弹性。由于我们需要校准每个固定网络路径，因此设计平衡允许误差预算与安装的节点数量。每个节点还提供重叠链路的监控和自动校准。考虑到成本，保持准确性的工作可能集中在主干网上，而其他连接则在“尽力而为”的基础上进行管理，只要这些连接不太长（这会限制可能的路径数量和流量）影响）。JRC 测试的结果还表明，使用 GNSS 作为时间源的“尽力而为网络”校准不足以维持可靠的服务。

SCPTime 展示了一种专有的时间协议，该协议还提供传输时间信息的完整性 (NTP STS)，而 GMV 和 Locata 使用 DTM 时间传输。

伪石

伪卫星是一种地面定位技术，使用地面发射器网络在特定区域内提供强大的无线电定位信号。网络需要纳秒级同步才能提供准确的位置和时间信息。 

JRC 研究了两种不同的同步解决方案：NextNav 使用的原子钟振荡器，以及 Locata 采用的用于内部同步的专有频率对准。

基于伪卫星的解决方案需要大量基础设施投资来建立密集的地面站网络。两位参与者都提出了降低部署成本的方案。NextNav 建议使用现有的 LTE 信号，并通过其传感器进行校准。Locata 提出了一种仅用于定时传输的稀疏网络。

至于频段分配，Locata 目前使用 Wi-Fi 2.4 GHz 频率，而 NextNav 使用 920 至 928 MHz 频段，该频段在美国建立，用于定位和监控服务 (LMS)。两家公司都主张在欧盟范围内使用专用且受保护的地面信号频段，以加强信号保护。

低地轨道

LEO 系统由数百颗或可能数千颗卫星组成，从 400 至 1,500 公里的运行高度进行传输。直到最近，这个高度主要由地球观测 (EO) 和通信卫星 (SatCom) 使用，而如今 LEO-PNT 系统的潜力正在研究中 [3]。LEO 以低传输功率提供低延迟和高接收信号强度（比中地球轨道 (MEO) 高 30 dB）。另一方面，靠近地球表面的轨道定位也有一些缺点。特别是，典型的卫星覆盖区（即，发射天线可以覆盖的地面区域）比MEO卫星小得多（例如，需要9个LEO才能覆盖1个MEO的覆盖区）。另外，卫星与地面的相对速度要高得多，

LEO 系统作为经典 MEO 定位系统的潜在补充解决方案正在接受研究。目前，LEO 轨道上正在填充越来越多的宽带星座，例如 SpaceX、OneWeb 和 IRIS ²。

Satelles 是一家总部位于美国的 PNT 服务提供商，提供通过铱星 LEO 星座传输的专有 STL 信号。在 JRC 测试期间，他们展示了定时和定位能力以及室外和室内操作的可能性。Satelles 基础设施由空间（归铱星所有）、地面控制（部分与铱星共享）和用户部分组成。无需进一步部署基础设施即可使用该服务。 

已执行测试 

该测试活动首先旨在了解 A-PNT 技术的成熟度和可供操作使用的准备情况，其次是根据通用基准 KPI 评估拟议 PNT 平台的性能，以了解每种解决方案的优点和局限性。鉴于所提出技术的多样性，优先考虑的不是直接比较，而是评估单一解决方案。尽管具有定量性质，[13]中提出的测试结果并不是严格的性能基准，而是对技术的定性评估。这是因为所讨论的测试的不可知性，以及一些关键要素（包括操作模式和实施）无法通过 KPI 指标捕获，并且为了评估而进行了简化。

这意味着结果不应用于比较技术，而应用于单独理解每种技术。对单一技术的测试结果发布在单独的公开报告中[14]，并总结在[13]中。

表 4 和表 5 分别报告了每个技术提供商与计时和定位测试之间的映射。带有勾号 (V) 的单元格对应于已执行的测试，而带有星号 (*) 的单元格对应于由于某些测试设备（例如，具有所需的定时源）不可用而无法完成的测试。无法提供稳定性）或在拟议的测试计划中不需要。 

测试活动的主要结论是所有 A-PNT 平台均满足招标中规定的最低要求。此外，就时间生成而言，所提出的解决方案是本地和远程时间源的组合。使用本地时间源的 A-PNT 平台基于本地振荡器，其稳定性可与铯原子钟或被动氢脉泽 (PHM) 原子钟相媲美，需要在没有时钟源的情况下保持长达 100 天所需的时间精度。全球导航卫星系统。那些使用远程时间源的方法是基于从远程时钟位置通过光纤或空中传输的时间（例如，分发官方 UTC 时间尺度的 NMI）。

结论和前进方向

结果表明，成熟的 A-PNT 解决方案可以独立于 GNSS 提供精确且强大的授时和定位服务。所有经过测试的 A-PNT 平台均满足招标中规定的最低要求。一些技术可以通过在 GNSS 不可用的环境（即室内）中提供服务来补充 GNSS，但没有任何 A-PNT 技术可以与 GNSS 服务的普遍性和性能相比。

授时技术包括通过不同方式进行长距离时间传输，包括OTA、光纤和有线通道。所展示的时间传输是微秒级的，其中一些是亚纳秒级的。对于时间生成，解决方案是本地振荡器和直接从国家气象研究所分配 UTC 的组合，使用独立于 GNSS 的时间传输。位置演示由三个公司进行：Satelles、Locata 和 NextNav。这些演示的精度从几十米到厘米级不等，而且在恶劣的环境下也是如此。经测试的技术要么需要部署地面接收器（信标、收发器），要么需要使用 LEO 信号。 

测试活动中展示的每项 A-PNT 技术的严格网络安全性都非常有前景。这包括对硬件的安全远程访问、安全的无线更新、监控和报告。硬件还部署了虚拟化等现代编程技术，从而实现快速部署。

欧盟正在研究多种解决方案，以增强欧盟 PNT 的弹性，例如伽利略和 EGNOS 的演进、具体法规的问题以及即将更新的欧洲无线电导航计划。最重要的是，从测试活动中得出了一些重要的建议。它们可以概括为以下几点：

• 测试活动凸显了欧洲国家测量研究所 (NMI) 的重要作用，因为大多数测试技术都直接或间接与它们合作。

• OPNT、Seven Solutions 和 Locata 展示了通过投票和无缝切换处理多个主时钟输入的能力。

• 将尽可能多的NMI 与可能的本地原子钟备份互连，将形成一个非常强大且有弹性的时间架构，独立于整个欧洲的GNSS。通过欧盟通信基础设施提供弹性且准确的时间（最好是纳秒级）的能力，也将能够使用信号组合实现稳健的定位。 

• 有弹性的欧盟PNT 需要采用“系统的系统”方法，结合行业标准支持的技术组合，以确保所需的互操作性。所有定位技术均应在 ETRF 内运行，并且所有授时解决方案均应与 UTC 时间尺度（参考 NMI）相关。

• 此外，值得一提的是为地面PNT 服务提供专用频段的优势，而这是欧盟所不具备的。这种替代方案在美国已经存在，频段为 902 至 928 MHz，并已获得美国 FCC 的豁免，可以提供地面 PNT 服务。这将为潜在的射频干扰（RFI）源提供更好的法律保护，而且还可以增加传输功率，从而提高信号的鲁棒性并扩大信号范围和建筑物内的穿透力。 

参考

(1) 欧盟委员会，“2023 年欧洲无线电导航计划”，2023 年，ISBN 978-92-68-00079-3，doi：10.2889/245554。网址：https://joint-research-centre.ec.europa.eu/document/download/ea1f597d-24f6-493b-a209-06cc9245dcd6_en?filename=ERNP%202023.pdf

(2)  John A. Volpe 国家交通系统中心（美国）“依赖全球定位系统的交通基础设施的脆弱性评估”，2001

(3)  FS Prol 等人，“通过低地球轨道 (LEO) 卫星进行定位、导航和授时 (PNT)：对当前状态、挑战和机遇的调查”，载于 IEEE Access，第 1 卷。10，第 83971-84002 页，2022 年，doi：10.1109/ACCESS.2022.3194050。

(4)  R. Morales-Ferre、ES Lohan、G. Falco 和 E. Falletti，“基于 GDOP 的 LEO 星座对未来卫星定位的适用性分析”，2020 年 IEEE 国际空间和极端环境无线会议（ WiSEE），意大利维琴察，2020 年，第 147-152 页，doi：10.1109/WiSEE44079.2020.9262624。

(5)  R. Morales Ferre、J. Praks、G. Seco-Granados 和 ES Lohan，“小型化卫星 LEO-PNT 解决方案的空间信号设计可行性研究”，发表于 IEEE 航空航天小型化杂志空间系统，卷。3、没有。4，第 171-183 页，2022 年 12 月，doi：10.1109/JMASS.2022.3206023。

(6)  H. Wymeersch、G. Seco-Granados、G. Destino、D. Dardari 和 F. Tufvesson，“车载网络的 5G 毫米波定位”，IEEE 无线通信杂志卷。24、没有。6，第 80-86 页，2017 年。

(7)  JA del Peral-Rosado、R. Raulefs、JA López-Salcedo、G. Seco-Granados，“蜂窝移动无线电定位方法调查：从 1G 到 5G”，IEEE Commun。幸存者。导师，卷。20，第 1124-1148 页，2018 年。

(8)  R. Keating、M. Säily、J. Hulkkonen 和 J. Karjalainen，“5G 新无线电定位概述”，2019 年第 16 届国际无线通信系统研讨会 (ISWCS)，芬兰奥卢，2019 年，第 320 页-324，doi：10.1109/ISWCS.2019.8877160。

(9) 增强型 Loran (eLoran) 定义文档。国际罗兰协会，0.1 版。2007 年 1 月 12 日

(10)  GW Johnson、PF Swaszek、RJ Hartnett、R. Shalaev 和 M. Wiggins，“对 eLoran 作为 GPS 备份的评估”，2007 年 IEEE 国土安全技术会议，美国马萨诸塞州沃本，2007 年，第. 95-100，doi：10.1109/THS.2007.370027。

(11)  Lukas Hosch、Filippo Giacomo Rizzi、Lars Grundhöfer、Ralf Ziebolda 和 Daniel Medina，“使用 R 模式备份 GNSS：递归估计器的定位性能”，ICL-GNSS 2022 WiP，2022 年 6 月 7-09 日，坦佩雷, 芬兰

(12) 替代位置、导航和授时（PNT）服务。2020/S 208-506573。合同通知。2020 年 10 月 26 日。网址：https://ted.europa.eu/udl?uri=TED:NOTICE:506573-2020:DATA:EN:HTML

(13)  Bonenberg, L.、Motella, B. 和 Fortuny Guasch, J.，评估欧盟潜在部署的替代定位、导航和授时技术，EUR 31450 EN，欧盟出版办公室，卢森堡，2023 年，ISBN 978-92-68-01163-8，doi：10.2760/596229，JRC132737。网址：https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC132737 

(14)  https://joint-research-centre.ec.europa.eu/scientific-activities-z/alternative-pnt_en#assessing-alternative-positioning-navigation-and-timing-technologies-for- Potential -deployment-in -欧盟 

(15)  Cucchi, L.、Gioia, C.、Susi, M.、Damy, S.、Bonenberg, L.、Boniface, K.、Basso, M.、Sgammini, M.、Paonni, M. 和 Fortuny Guasch , J.，欧盟 GNSS 计划的 JRC 测试和演示中心，EUR 30747 EN，欧盟出版办公室，卢森堡，2021 年，ISBN 978-92-76-39185-2，doi:10.2838/93444，JRC125180。网址：https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC125180/jrc_gnss_testing-capability-inventory_clean_pubsy_1_1.pdf 

¹ DA/FCC 编号：DA-20-755，案卷编号：12-202，FCC 记录引用：35 FCC Rcd 7136 (9)，FCC 记录：https://docs.fcc.gov/public/attachments/DA- 20-755A1_Rcd.pdf

作者

Matteo Paonni 是位于意大利伊斯普拉的欧盟委员会联合研究中心空间、安全和移民局空间、安全和连接技术部门的副主任。在他的职位上，Matteo 负责协调欧盟 GNSS 计划的科学和政策支持。他的主要技术背景是GNSS信号设计和优化、GNSS安全、兼容性和信号处理。2007 年至 2013 年，Matteo 担任德国慕尼黑联邦武装部队大学助理研究员。

Beatrice Motella 是欧盟委员会联合研究中心空间、安全和互联技术部门的项目官员。她拥有博士学位。获得都灵理工大学电子与通信工程学士学位。她的活动涵盖无线电导航的不同方面，主要关注伽利略信号认证和信号处理。

Lukasz Bonenberg
是位于意大利伊斯普拉的欧盟委员会联合研究中心 (JRC) 的太空计划政策和科学官员。他之前的工作经历包括诺丁汉大学（他在该大学获得了空间大地测量学博士学位）和私营部门。他最近的工作重点是分析替代 PNT 技术和制定欧洲无线电导航计划。

Joaquim Fortuny-Guasch 获得了西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚技术大学 (UPC) 的电信工程学位和工程博士。德国卡尔斯鲁厄大学 (TH) 电气工程学位。自1993年起，他在位于意大利伊斯普拉的欧盟委员会联合研究中心（JRC）工作，担任高级科学官员。

Ignacio Alcantarilla Medina 拥有西班牙马德里理工大学 (UPM) 的航空学学位。他在航天行业工作了 12 年，并于 2012 年加入欧盟委员会，负责欧盟航天计划。他最近协调了 2023 年欧洲无线电导航计划。