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▲第一作者：Jeroen C. J. Koelemeij
通讯作者：Christian C. J. M. Tiberius
DOI：10.1038/s41586-022-05315-7
全球导航卫星系统（GNSS）被广泛用于导航和时间校准，这些功能对于移动通信网络等关键基础设施以及自动驾驶和可持续能源网等新兴技术来说是不可或缺的。尽管GNSS可以提供厘米级的精度，但由于多径传播和天空视野受阻，GNSS接收器容易出现几米的误差，这在最需要精确定位的城市地区尤其明显。此外，GNSS的脆弱性以及缺乏备份系统对依赖GNSS的技术构成了严重的风险。本研究展示了一个独立于GNSS的地面定位系统，通过一系列无线电发射器提供卓越的性能，它通过光纤以太网网络在亚纳秒级进行连接和时间同步。该系统使用类似于移动通信网络中遇到的光学和无线传输方案，并利用频谱效率高的虚拟宽带信号，减轻了多径传播的不利影响，从而在多径易发的户外环境中实现了稳健的分米级定位和亚纳秒级的时间同步。这项工作让我们看到了一个未来，即电信网络不仅提供连接，而且还提供独立于GNSS的定时和定位服务，并具有前所未有的准确性和可靠性。l该系统独立于GNSS运行，通过使用光纤基础设施与地面发射器阵列相结合，消除了与GNSS相关的许多风险，使接收的信号功率水平比通常接收的GNSS信号功率高一百万倍。TNPS示意图见图1。本研究在代尔夫特理工大学校园内的绿色村庄（TGV）建立了一个TNPS测试平台（图1a）。六个无线电发射器（Tx-1至Tx-6）分散在660平方米的区域内，扮演着类似于GNSS星座卫星的定位站的角色。l时间同步功能是在不考虑光纤和电信号传播延迟的情况下实现的，这些延迟是由WR协议从测量的往返延迟中准连续地估计出来的，并进行电子补偿。如图1b和2a所示，TNPS网络中的每个发射器从其相关的WR定时节点（TN）接收定时信号（以10-MHz和每秒1个脉冲（PPS）电信号的形式），因此联合无线电传输的定时不确定性约为0.2 ns.lTNPS的发射器和接收器（Rx）是一种基于可编程的通用软件无线电外设（USRP）。Tx站以3.96 GHz的载波频率和160 MHz的有效射频带宽（BW）发射用于定位、导航和定时（PNT）的调制无线电信号。较大的BW有助于将LoS信号从测试现场的各种附近建筑物和物体反射的信号中解脱出来。图2a,b描述了Tx-1至Tx-6的信号结构和传输的相对时间。PNT信号采用正交频分复用（OFDM；图2b）进行编码。为此，本研究将160 MHz的信号BW分为M=16个10 MHz的子频段，每个子带包含N=64个子载波，从而形成一个多频段OFDM信号。使用稀疏的信号波段也可以实现良好的定位性能。这种稀疏频段类似于移动通信系统中经常遇到的非连续频段或分离频段的组合。l为了评估TNPS在城市环境中的性能，本研究在TGV进行了静态和慢速运动学测试（接收单元由手推车或汽车携带），总共进行了7次测试。本研究部署了一个光学地面测量地面实况（GT）系统，它提供的位置参考测量值的估计均方根误差（RMSE）约为2.5厘米。图3a显示了在一次运行中OFDM-TD和GT的位置测试，接收器在小车上沿着30米长的轨迹移动。l图3b显示了这次运行的位置误差（以及它们的平均值和标准偏差），表明与GT结果有很好的一致性，东西方向的总体经验RMSE为10.2厘米，南北方向为7.4厘米。l图3c将全波段和稀疏波段OFDM-TD测量的结果与CP结果进行了比较。结果表明，稀疏带和全频带OFDM-TD定位具有相似的分米级性能。l多径效应的迹象在测量的伪范围中被发现；图4a显示了每个Tx-i的剩余范围误差（定义为TD范围减去GT范围）。显然，单台发射机的测距误差会达到几分米。然而，由于发射机的空间多样性和冗余性，这种误差在位置解决方案中的权重被降低了，所以RMSE低于10厘米。l因此，多径传播是本研究中的TNPS的一个限制因素，尽管由于采用了更宽的带宽，其水平要比GNSS定位低得多（分米而不是米）。这在图4b中得到体现，图中显示了使用全球定位系统（GPS）（L5信号，20.46MHz BW）和TNPS的TD测距的理论多径误差包络。图4b中可见GPS的最大多径误差是4米，而TNPS使用全波段（160 MHz BW）以及稀疏波段OFDM（后者仅占用70 MHz BW）实现的多径误差为0.5米。l在本研究的TNPS中，WR网络时间可追溯到UTC（VSL），并且使用便携式原子钟进行独立验证，其标准不确定性为50 ns。另外，WR支持小得多的时间不确定度。这可以从WR-SL和UTC(VSL)之间往返比较的时间稳定性(TDEV26)得到证明，在平均时间从2分钟到115天的范围内，时间稳定性通常低于10 ps(图4c)。使WR设备的时间同步误差有可能达到纳秒的几分之一，甚至再超过100公里的距离也可以覆盖到。因此，本研究的TNPS可以用来在空中广播UTC，其具有亚纳秒的不确定性，精度比普通的GNSS时间分配技术提高了两个数量级。