在GNSS排位中，美国仍想留在第一！

在四大全球导航卫星系统中，美国GPS历来是高居第一，无论是性能和用户量，居于霸主地位。近些年来，情况有些改变，特别是GPS现代化进程不断地往后拖延，GPSIII成体系工作的最后一颗卫星发射，甚至要到2034年，最好用的一个信号（L1C）迟迟不能形成足够数量的体系化服务。而后来者居上的北斗系统和伽利略系统，已经推出星基PPP和HAS（高精度服务）。美国人会坐视不管吗？最近《GPS世界》杂志，就提出了这一问题，实际上美国天基PNT咨询委员会，在去年5月份发布的《高精度和鲁棒性白皮书（以下简称白皮书）》中，就提出了一项鲜为人知的提议，这就是建立推进基于地面的、受加密保护的GPS高精度和鲁棒性服务（HARS），使用互联网来分发美国政府和政府资助的组织已经产生的数据。

该白皮书认为，GPS正在“落后于”其他GNSS，因为它依赖于第三方系统的增强，如移动电话中的辅助全球导航卫星系统、用于航空精度的WAAS和完好性，以及针对高精度用户的商业RTK，而不是像北斗和伽利略那样提供专门的先进的新星基服务类型。虽然目前几乎所有的GNSS芯片都首先获得GPS信号，然后从其他系统获取卫星信号，但北斗和伽利略部署的亚米级高精度服务可能会导致芯片制造商扭转这一顺序。该白皮书认为，如果他们这样做，将导致美国政府失去在这一领域的战略优势，并使其处于导致中国和欧洲政府启动自己的GNSS计划的相同位置。

该白皮书提出了一种HARS，它将消除卫星轨道和时钟误差、电离层误差和对流层误差，并增强GNSS接收机在具有挑战性的条件下运行的能力。该白皮书称，这种方法可以实现PPP（精密单点定位）、身份验证等。它将“安全且对无线电噪声和中断不那么敏感”，保护关键基础设施，并实现新的应用，例如“汽车导航中的车道相关路线引导和紧急车辆引导”。此外，通过在同一信道上提供加密签名的星历表以及数据校正，该系统将解决欺骗性导航数据的问题。所有这些都可以“在不增加GPS本身的成本和复杂性的情况下”完成，从而“与在新的GPS卫星上实施相比，以一小部分的成本或时间获得世界级的HARS”。该白皮书要求为这项新服务提供资金，并要求设立一个机构来运营它，例如美国太空部队或联邦交通部，或者类似的机构。

一、 提出的问题是：

目前GPS落后于其他全球导航卫星系统（GNSS），如欧洲的伽利略和中国的北斗。因为GPS受到了限制，为了保持向后兼容性，其卫星的寿命太长，无法补充提供最新服务的星座。卫星和地面控制系统无法更新，以便足够快地添加高精度服务和数据加密签名等功能。L2C、L1M、L2M和L5等新信号需要几十年才能完全推出，即使在今天，它们也只存在于星座的一个子集上。新的民法典确实如此，提供对无意干扰和电离层延迟误差的恢复能力。然而，他们确实不允许引入创新的新服务，如伽利略和北斗现在提供的服务。

原先，GPS是几乎所有全球导航卫星系统芯片的主道系统，甚至是欧洲或亚洲制造的芯片，都被设计为首先获取美国提供的GPS信号，然后获取其他系统。如果GPS继续落后，我们将看到下一代全球导航卫星系统芯片首先转向伽利略和北斗，GPS将失去其在世界上的首要地位和影响力。缺乏创新的新服务，如精密单点定位和数据加密/签名是所有GPS用户的迫切需求。GPS如果不及时解决这一问题，它将失去其战略优势。现有的商业芯片被用于许多具有重要战略意义的美国资产，以及支持美军的组织。一旦这些芯片将其架构更改为首先使用的是伽利略或北斗，这些战略用例依赖于这些服务。它是朝着根本没有全球定位系统的方向迈出了一步，GPS将不再是空间政策中要求的“卓越的天基PNT服务”。此外，调制在GPS信号上的数据电文是脆弱的。环境的影响效应或恶意操作可能会阻止接收方读取信息或运作，从而限制了GPS信号的鲁棒性。

从GPS作为主要PNT系统的地位转变对美国政府来说是一个问题，因为它将失去战略优势。现有的商用芯片被战略性地用于重要的美国资产许多领域，如航空公司、船舶和支持美军的组织。一旦这些芯片首先将其架构更改为伽利略或北斗主导，这些战略用例变得依赖这些服务，GPS将不再是“卓越的”天基PNT服务”。

二、 提供的解决方案是：

创新的新服务不能等待GPS星座的全面补充。相反，我们可以使用灵活的“带外”传递机制，这种机制可以更快地实现。应通过互联网向用户社区提供可靠和可靠的新服务安全。因此，它们不会受到GPS低比特率和向后需求的限制兼容性。这种方法可用于提供高速率GNSS纠错，以允许精确点定位（PPP）、身份验证等。缺点是用户设备需要单独连接到互联网。然而，这样的能力已经存在于移动电话和许多其他接收器实现中。此外，这种连接将随着卫星互联网提供的访问能力，整个用户群体的用户数量只会增加地面用户，无论GPS信号在哪里。

应提供的第一项新服务是高精度稳健性服务（HARS），类似于在其他星座上计划的。已经有政府了生成向用户广播所需的基本组件的组织。这些应向所有全球导航卫星系统用户提供，以确保全球定位系统保持其卫星导航系统层次结构中的相关性。

GPS HARS可以消除系统误差的三个组成部分：一是卫星轨道和时钟错误；二是电离层误差；三是对流层误差。每一项修正都构成了一项高精度服务：其一是一些政府组织拥有计算全球导航卫星系统精确轨道的专业知识和时钟误差；其二是电离层TEC（总电子含量）的模型可以类似地计算；其三是美国政府已经提供了全球天气数据模型，这就足够计算对流层误差。这些更正可以一起通过互联网提供如同于A-GPS的方式。目前，每个智能手机都可以获得辅助数据，使GPS能够在手机中工作。除了校正之外，导航数据（星历表）还可以进行加密签名，在同一频道上交付。这解决了伪造导航数据的问题。通过在互联网上提供加密签名的校正和导航数据，GPS解决了卫星更新周期长、精度和安全创新落后的问题高精度和鲁棒性服务（HARS）为用户提供信息接收机，减少误差并增强在具有挑战性的条件下操作的能力。PNT咨询委员会已经确定了一种解决方案，美国政府可以在没有增加了GPS本身的成本和复杂性；而是从政府或政府赞助的组织，并通过互联网适当提供配备接收能力。与之相比，其结果将是以很小的成本或时间实现世界级的HARS在新的全球定位系统卫星上实施。HARS将提供加密保护用于关键基础设施的强大（抗干扰和欺骗）GPS，并将实现新的应用（如汽车导航和紧急情况下的车道相关路线引导车辆导航、无人机仅限GPS的精确定位），从而扩大GPS应用影响。HARS将是安全的，并且对无线电噪声和包括欺骗在内的干扰不那么敏感。

三、解决方案相关信息

1. 服务增强稳健性和安全性

HARS通过提高精度来增强GPS；它还可以通过实现更高的接收机灵敏度，并提供可验证的Nav数据（星历表）以击败欺骗。由于蜂窝信号是以高得多的功率接收的，因此它们可以用于GPS接收器不能从GPS信号中读取数据电文的环境，增强了鲁棒性。加密数据签名是使用数字签名来证明真实性的过程，数据的完好性和不可否认性。这个过程包括获取数据和密钥，并生成数字签名附加到数据。然后，数据的接收者可以使用发送者的公钥，以及接收到的数据和签名，以验证签名。该过程反过来验证数据没有被篡改，而且它确实来自声称的发件人。此过程可以通过确保数据可以追溯到其原始源并且任何可以检测到对数据的改变。

NIST轻量级密码学标准可用于资源受限的用例（例如作为GPS芯片）。轻量级加密哈希可以用于签名，使用以下算法为HMAC。除了上面讨论的校正之外，HARS服务可以包括原始导航电文数据。预广播将预测的实际广播卫星数秒（例如10秒）。这个带有数字签名的原始导航数据，然后将身份验证分发给用户。用户可以比较导航数据位，通过HARS接收到的导航数据比特，它们正在从卫星信号中解码跟踪。如果发生数据欺骗攻击，数据将不匹配，并且可以向用户发出警报，从而不信任他们正在接收的卫星信号，因为它们不是来自真实的来源。除了HARS导航数据预广播的安全优势之外，信号跟踪的鲁棒性。如果用户接收器不再需要对导航进行解调数据，则接收器相关时间可以远远超出一次导航的时间数据位间隔。这可以允许接收器以低得多的C/No跟踪卫星信号，从而在具有挑战性的环境中（例如，在茂密的树冠下、室内或在存在干扰的情况下）。

此外，相干积分时间的增加，有时被称为“超相关”，导致涉及移动接收器的定向天线增益。这增加了抵御欺骗和干扰器的稳健性。

加强GPS和GNSS的其他方法可以纳入这项服务。例如伽利略HAS（高精度服务）提供轨道和时钟数据的修正。几乎所有商用GPS接收机现在都是多星座GNSS接收机。我们已经看到了几个最近的星座故障（包括伽利略时钟错误）。HARS可以提供全球定位系统和伽利略系统的星座可靠性数据，增强了商业的稳健性。

2. 状态空间表示的修正方法

GPS系统中的系统误差可以分为三类，这就是：卫星轨道和时钟误差；电离层误差和对流层误差。

图1. 卫星导航的主要误差组成

图2：拟议中的GPS高精度和鲁棒性服务（HARS）的加密数据签名和交付框图。

HARS服务将为GPS用户提供更高的安全性，他们所得到的GPS信号的精度比他们目前体验到的要高。美国政府将负责生成数据并将其公开给商业服务部门，如谷歌、苹果等…。然后，这些商业服务将具有以与用户当前分发方式类似的方式将数据分发给用户的责任为手机和其他连接设备提供辅助GPS数据。

GPS系统应添加校正服务和数字签名的导航数据，可通过互联网HARS系统必须得到资助，并且具有诸如美国太空军、交通部或类似机构作为运营商。