图1.由赛乐（Racelogic）提供的这张有点搞笑的照片，强调了模拟器如何帮助GNSS工程师在多种场景情况下“路测”多种定位产品。（照片：赛乐）
面对一系列GNSS信号，和对这些信号的有意和无意威胁的频率和复杂场景，使得GNSS与其他定位、导航和授时（PNT）源（尤其是室内和自主导航）之间集成的需求不断增加， GNSS的一系列新应用也是如此。作为回应，GNSS模拟器的制造商，正在创建新的且经过改进的模型，从而能够模拟所有这些新信号和场景。另外，随着GNSS芯片组的进一步商品化，模拟器制造商必须满足GNSS接收机市场中新进入者的需求，这些需求具有较低的精度要求和较少的技术知识，因此需要的设备更小、更便宜且接口更简单。
没有任何一家制造商能够应对这些趋势所带来的全部挑战。因此，尽管他们的产品在功能和SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）上重叠，但每厂家都会选择自己的市场定位和首选功能组合。即使在看似简单的“什么是GNSS模拟器？”定义问题上，也各有千秋，此处列举的多个制造商也给出了不同的答案，模拟器需要涵盖了以下功能：一是能够模拟GNSS信号以及惯性导航数据；二是使用户能够在系统进行部署之前在实验室中测试硬件、软件和新解决方案；三是使用户能够在原始或极端条件（包括存在误差条件）下测试系统；四是使用户能够在罕见的过渡和禁止的事件期间测试系统；五是帮助将现有设备改造成新的和新兴的标准。
模拟器需要引入或开发的创新包括：一是有种消声模拟器用来测试连续辐射图天线（CRPA）；二是模拟完整的现代化M（军）码信号；三是软件定义的模拟器；四是提高重复性任务的自动化程度；五是记录和回放真实信号的能力；六是在测试车辆所面临的条件下记录和同步数据的能力。
总之，在GNSS卫星和接收机的范围不断增长和发展的同时，GNSS模拟器的范围也在不断进步，甚至更向前迈进了一步。
1. CAST 导航公司
图2.CAST 导航的模拟器图片
在实验室中，模拟器使用户可以在3D空间中“驱动”设备，执行飞行测试或检查设备集成。模拟器还可以在飞行员派遣前验证其在飞程序（OFP），以确保软件正常运行。CAST的最新模拟器是CAST 5000波前发生器。它允许用户驱动代表连续辐射图天线（CRPA）的GNSS信号和干扰信号，该辐射图天线由多个较小的天线组成，这些天线全部组合为一个单元。在现实生活中，这些天线单元中的每一个都位于不同的位置。因此，当它们从干扰机或任何GNSS卫星接收信号时，人们将以与其他单元略有不同的相位看到该信号。模拟器使人们能够向这些天线注入信号，这些信号模拟了在现实生活中看到的相同类型的相位微差分。CAST 导航会根据用户反馈不断改进其软件，正在增强用户界面，使其功能更强大，但使用起来也更简单，硬件也在不断改进，最新的GNSS变化实施始终在清单中。
展望2022年。GNSS干扰和欺骗正变得越来越普遍，不仅对于军方而且对于消费者而言，同样如此。消费者开始遇到更多的干扰情况，他们的手机无法跟踪GPS卫星或传输不正确的GPS数据，因此他们的设备给他们的解决方案是不正确的。CAST专注于产品和功能，以帮助其客户模拟这些类型的环境并减轻这些类型的反应。”
2. 杰克逊实验室技术有限公司
杰克逊实验室（Jackson Labs）的模拟器获取定位、导航或授时信号，通过GPS仿真程序将其重新编码为RF信号，并输出实时的RF信号，该信号在几毫秒内对定位、导航和授时（PNT）信息进行编码形成射频信号，可以馈入现有设备。杰克逊实验室提出了一种通用的模拟器，它基本上是一种简洁、低成本、高精度、高度稳定、高度可靠、非常小的GPS模拟器。它仅提供GPS L1仿真，以降低产品成本，因为GPS L1 C / A代码是生成准确而有保证的PNT修复所需的唯一代码，并且因为正在考虑对嵌入式系统进行仿真，因此只需要一个L1 C / A代码模拟器即可。
图3. 杰克逊实验室模拟器
杰克逊实验室的模拟器不需要外部计算机即可进行数据处理或控制。这样一来，像丰田这样的公司就有可能将该单元插入装配线上的汽车中，并产生RF输出，该输出被馈送到基于GPS的导航系统中，以通过生产线上的最终质量保证检查。杰克逊实验室（Jackson Labs）期望进一步降低SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的要求，并可能增加其他信号。还希望将模拟器与现有的其他产品线相结合，例如互补的原子钟产品线。
展望2022年。杰克逊预测该行业将分为两条路径：一个具有制造和部署能力的工业部门，以及以更低的价格、更小的SWaP，以及更多的模块化部署引入新兴GNSS系统的公司。杰克逊说，惯性导航系统（INS）对于在欺骗和干扰事件期间的自动驾驶和有保证的功能至关重要。如今不可能非常容易地模拟INS装置。在整合军方称为“确保PNT”的方面，创新市场存在，其中包括双重导航。
3. 奥罗利亚（Orolia）公司
根据奥罗利亚的哈迈尔所说，模拟器的目的是双重的：首先，它必须重现威胁；其次，必须证明验证解决方案有效。当Skydel解决方案在三月份加入奥罗利亚时，它带来了一个专业的软件定义的模拟器，这使快速的原型设计和缩短开发周期成为可能。它集成了高级干扰模拟，可以同时模拟数百种威胁。哈迈尔说：“当您想重复一个步骤时，自动化是关键”。“我们的模拟器可以教您如何自动化，只需单击一个按键并生成源代码即可。” 2018年，Skydel推出了一种消声模拟器来测试接收方向图受控天线（CRPA）。波形模拟器也很新，因此可以以传导（而不是辐射）的方式测试CRPA单元。
图4.奥罗利亚公司设备图示
在接下来的三年中，Orolia考虑添加Galileo PRS，GPS M代码或下一代信号。哈迈尔说：“软件定义意味着我们非常灵活，我们可以让我们的合作伙伴开发自己的插件。”“他们可以构建自定义信号，受限的或现代化的信号。我们的模拟器将处理信号的动态变化，我们的合作伙伴可以专注于信号的特性，秘密的、机密的东西，或者只是想保护其IP的东西。”
展望2022年。在奥罗利亚的榜单上，抵御严重的欺骗和干扰威胁具有很高的抵抗力，并且可以在GPS阻断的环境中确保安全或有效的定位、导航和授时（PNT）。替代信号、传感器和增加的复杂性需要模拟器来解决所有这些问题。开发复杂专有硬件平台的公司将面临挑战，以跟上不断增加的复杂性。软件定义的方法将是一个优势。
4. 赛乐（Racelogic）公司
赛乐的第一个实验室卫星（LabSat）是个带有播放器的记录器，在室外记录卫星信号，然后在实验室中重放。现在，赛乐的模拟器还可以使用软件对信号进行仿真，以生成信号，就像它们是由卫星发送的一样。
赛乐在2018年推出了宽带LabSat，该宽带信号使用了该公司的SatGen软件。它以56 MHz的频率和高达6位的分辨率进行记录，并将数据流传输到内部SSD硬盘驱动器。它还可以重放真实世界的仿真或使用SatGen生成的仿真。对于汽车世界，它可以记录和重放CAN、RS232、RS485、IMU和其他数据通道等信号，并同时进行同步。VBOX允许用户使用在LabSat上进行的完美同步录制来录制和重播视频。托马斯说：“您确切地看到了测试车辆或接受测试的人的各种状况。”
赛乐在一个小型电池供电的设备中提供了更宽的带宽，更大的比特数和更多的通道，可记录更多信号，包括激光雷达，EtherCAT（汽车以太网格式）和CAN-FD（CAN格式的更快版本）。它将能够与多台摄像机同步，而不仅仅是高分辨率摄像机。托马斯说：“它与我们出售的产品基本相同。”
展望2022年。随着多GNSS成为主流，芯片制造商和模拟器制造商都将面临测试设备成本的挑战。芯片制造商需要能够在其生产线上测试新信号，而模拟器制造商则需要以较低的价格提供设备，并为技术要求不那么严格或稍低的客户提供易于使用的设备。托马斯说：“他们需要更简单的界面和更小、更便宜的单元。”
5. 罗德与施瓦茨公司
越来越多的GNSS应用依赖于多频GNSS。作为回应，罗德与施瓦茨公司在其入门级和中档测试解决方案中增加了多频测试功能。“我们已经基于新的中档矢量信号发生器R＆S SMBV100B内，推出了新的GNSS模拟器”。简单灵活的选件概念，使用户可以将仪器变成功能齐全且功能强大的GNSS信号源。它涵盖了从单频和多频产品测试到多频接收器表征的广泛测试应用。该仪器可配备内部噪声发生器，使用户无需额外的外部硬件即可模拟GNSS加上噪声或CW干扰。
图5. 罗德与施瓦茨的产品
R＆S的GNSS测试解决方案基于通用矢量信号发生器。使用这种方法，可以在同一台仪器中同时生成GNSS和其他信号，从而无需额外的外部信号源即可进行共存和干扰测试。由于这带来了紧凑且易于使用的测试解决方案，R＆S将继续使用此方法进行即将到来的产品升级和增强，以及用于其下一代GNSS测试解决方案。该公司即将开展的活动将主要集中在高端领域，其中具有多达4个RF输出和多达144个通道的R＆S SMW200A，满足多天线和多车辆GNSS测试应用的需求。
展望2022年。随着自动驾驶或飞机着陆应用的安全要求，多频测试将成为标准。由于此类应用必须具有足够的鲁棒性以抵御欺骗和干扰威胁，因此越来越需要测试导航系统以防此类影响。“仅模拟GNSS是不够的”。“用于自动驾驶的测试解决方案将需要应用或模拟其他几种技术和信号，例如RTK / PPP或其他车辆传感器的输出来执行传感器融合。”
6. 思博伦联邦系统公司
思博伦的模拟器使用“真实世界”信号进行测试，并允许在原始条件或极端条件下进行测试，而这些条件在现实世界中可能永远不会发生，包括带有误差的条件。2018年12月，思博伦发布了SimMNSA，它提供了完整的M代码现代化信号解决方案。直到现在，GPS Directorate都将M代码模拟限制为伪M代码，伪M代码提供相同的扩频，但使用商业加密标准，或回放一组预先限定于某些卫星、日期和时间的M代码。通过更改策略，思博伦现在可以基于现代化的Navstar安全算法（MNSA）实施M代码，并且现在既提供SimMNSA提供的M代码解决方案，又提供SimSAAS提供的完整Y代码。
思博伦计划为客户提供更多的信道，以帮助他们针对多路径、干扰和欺骗性，测试多星座、多频率接收机。哈特说：“我们在不专门使用GNSS的AV、UAV等方面正处于激烈的发展时期。”思博伦正在研究GNSS /传感器融合平台的测试。
图6. 思博伦的设备照片
展望2022年。“随着新接口规范的发布，我们将积极开发新信号，”哈特说。思博伦还支持实现有保证的PNT解决方案的努力。它正在研究缓解干扰的技术，例如算法、定向天线和其他抗干扰技术。信号认证是另一个需求。哈特说：“随着系统变得越来越集成和网络化，我们意识到网络安全威胁，并正在寻找这一领域。”
7. 同步（Syntony）GNSS公司
GNSS接收机制造商，在无法通过实际数据清晰评估的严峻形势下，使用模拟器来确保其产品具有强大的性能。这就是说：“GNSS模拟器发挥作用的地方，是它提供了可控且可重复的方案。”
同步公司的新型伪随机噪声代码（PRN代码）服务器，使GNSS模拟器用户可以动态发送调制载波的伪随机序列。对于测试加密信号（例如GPS军事信号或IRNSS RS信号）特别有用。对于仿真器制造商而言，访问加密密钥非常困难。但是，模拟器实际上不需要了解那些加密密钥；同步公司的 PRN服务器允许用户动态地将要在目标载波上调制的伪随机序列动态输入到模拟器中。
同步公司的下一个模拟器将模拟欺骗和同步多天线信号，以进行CRPA和天线网络测试。
图7. 同步GNSS公司的模拟器设备
展望2022年。随着欺骗和干扰的威胁增加，接收器行业将不得不制定对策和缓解策略。最好的方法之一仍然是使用天线阵列。“天线阵列可以进行空间辨别，特别有效地抵抗欺骗、故意干扰或意外干扰。为了满足行业的未来需求，同步 GNSS公司已经致力于天线阵列的精确仿真，同时考虑到诸如天线间相位和幅度之类的固有误差、偏移和所要克服的障碍，包括模拟器RF通道输出处的相位相干性。”
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