盧鋆 宿晨庚 呂飛仁 姜坤 楊曉珩 唐成盼

(1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所,北京 100094)(2 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所,成都 610036)(3 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海 200030)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)極大地牽引了衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展需求,使各衛(wèi)星導(dǎo)航國(guó)家愈加關(guān)注更高精度、更加可靠的PNT服務(wù)。我國(guó)北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)完成并順利提供服務(wù)。如何進(jìn)一步提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)能力以及提供彈性PNT服務(wù)能力成為未來(lái)工作重點(diǎn)。綜合PNT體系建設(shè)中也明確提出了以北斗為核心,多手段融合的體系建設(shè)新架構(gòu)[1]。為形成高性能和彈性PNT新能力,發(fā)展相互賦能、有效互補(bǔ)的融合增強(qiáng)和備份定位手段成為未來(lái)綜合PNT體系建設(shè)的重要組成部分[2]。

低軌星座具備運(yùn)行速度快、信號(hào)傳輸路徑短、功率損耗低等特點(diǎn),受到世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注和青睞,有望成為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。利用低軌星座實(shí)現(xiàn)PNT能力提升,主要有兩方面貢獻(xiàn):一是導(dǎo)航增強(qiáng),重點(diǎn)提升空間信號(hào)精度、完好性、安全性、加快精密單點(diǎn)定位(Precise Point Position,PPP)收斂速度等;二是提供彈性應(yīng)急PNT服務(wù),在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)短時(shí)區(qū)域拒止情況下,通過非導(dǎo)航頻段,如通信頻段信號(hào)為GNSS提供彈性備份能力。具體有三種實(shí)現(xiàn)方式:①可通過低軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)及軌道設(shè)計(jì),播發(fā)與GNSS兼容互操作的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào);②可利用低軌通信衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航通信(導(dǎo)通)融合信號(hào);(二者均可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng),主要區(qū)別是播發(fā)信號(hào)頻段不同,播發(fā)信號(hào)與GNSS兼容互操作性能不同,最終實(shí)現(xiàn)的代價(jià)和效能也有區(qū)別)③在低軌星座規(guī)模較大時(shí),低軌星座如希望獨(dú)立提供定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù),則星座規(guī)模要保證全球至少四重以上均勻覆蓋且具備良好的空間位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)值,同時(shí),也需要高精度時(shí)空基準(zhǔn)獨(dú)立建立與維持、巨型星座運(yùn)行維護(hù)和終端適應(yīng)低軌衛(wèi)星頻繁切換。第三種方式星座規(guī)模大、低軌獨(dú)立定位需求不顯著,見諸文獻(xiàn)較少,本文重點(diǎn)討論前兩種方式,現(xiàn)有文獻(xiàn)[3-9]分析了低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)能力,文獻(xiàn)[10-13]對(duì)低軌導(dǎo)通融合實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)和彈性PNT服務(wù)開展了研究,尚未有論文綜合全面分析兩種低軌導(dǎo)航增強(qiáng)的能力特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)代價(jià)。本文旨在系統(tǒng)闡述基于低軌星座的PNT性能提升能力,并深入分析對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)代價(jià),以此提出低軌導(dǎo)航發(fā)展的相關(guān)建議。通過本文研究,有助于進(jìn)一步探索低軌星座的潛力,促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,并為低軌PNT性能提升技術(shù)的研究和應(yīng)用提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外低軌研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)低軌衛(wèi)星開展了大量研究工作,如表1和表2所示?？傮w來(lái)看,美國(guó)肖那(XONA)、真點(diǎn)(TrustPoint)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)的微厘空間系統(tǒng)等,采用了低軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)及軌道設(shè)計(jì),星上實(shí)現(xiàn)含導(dǎo)航頻段在內(nèi)的導(dǎo)航增強(qiáng)。美國(guó)的星鏈系統(tǒng)和國(guó)內(nèi)的虹云系統(tǒng)等,重點(diǎn)基于通信星座的導(dǎo)通融合,可實(shí)現(xiàn)彈性PNT服務(wù)。

表2 國(guó)內(nèi)部分低軌導(dǎo)通融合星座Table 2 Fusion constellation of LEO satellites in China

1.1 國(guó)外低軌導(dǎo)航增強(qiáng)研究情況

美國(guó)計(jì)劃在現(xiàn)有銥星通信系統(tǒng)中,增加廣播授時(shí)和導(dǎo)航信號(hào)的載荷能力,備份現(xiàn)有GPS能力[14]。根據(jù)美國(guó)2016年發(fā)布的授時(shí)和定位服務(wù)白皮書,銥星定位精度僅能達(dá)到20～50m,所以美國(guó)將銥星星座最終定位于靜態(tài)定位和授時(shí)[15]。星鏈?zhǔn)敲绹?guó)SpaceX公司的項(xiàng)目,旨在通過約4.2萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的“星鏈”網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。國(guó)外學(xué)者對(duì)星鏈衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行盲捕,并通過載波跟蹤的方式進(jìn)行測(cè)距,三維定位精度最終能達(dá)到33.5m;在高程輔助條件下靜態(tài)水平定位可達(dá)10m,但這需要通過較大口徑高增益相控陣天線,保障多星的快速切換接收,并通過靜態(tài)長(zhǎng)時(shí)間接收累積[16]。SpaceX公司隨后投資了美斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的肖那低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng),計(jì)劃2026年前建成面向高精度領(lǐng)域的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航星座[17]。2023年4月14日,美國(guó)初創(chuàng)公司的真點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)射首顆商業(yè)資助的PNT低軌導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星, 名為“是時(shí)候了”(It’s About Time),開展低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座的先期驗(yàn)證。該星座利用低軌星座高動(dòng)態(tài)和高功率的特點(diǎn),以低成本實(shí)現(xiàn)安全的分米級(jí)高精度PNT服務(wù),可提升GPS服務(wù)的定位性能、安全性和可靠性。

2022年,俄羅斯國(guó)家航天集團(tuán)(Roscosmos)宣布,俄羅斯聯(lián)邦政府已批準(zhǔn)聯(lián)邦“Sphere/Sfera”(球體)多衛(wèi)星軌道星座項(xiàng)目,用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航、地球監(jiān)測(cè)和通信[18]。英國(guó)脫歐后曾考慮利用一網(wǎng)(OneWeb)通信系統(tǒng)替代伽利略系統(tǒng),但由于無(wú)法提供準(zhǔn)確的定位服務(wù),2022年宣布放棄。歐洲航天局(ESA)部長(zhǎng)理事會(huì)于2022年宣布“未來(lái)導(dǎo)航”(FutureNAV)專項(xiàng)計(jì)劃,通過投資商業(yè)航天企業(yè),研制并發(fā)射12顆低軌導(dǎo)航衛(wèi)星,與中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星協(xié)同工作,進(jìn)一步驗(yàn)證基于低軌導(dǎo)航星座的快收斂、高精度、高安全、高完好性等關(guān)鍵技術(shù)[19]。加拿大Telesat計(jì)劃部署298顆低軌通信衛(wèi)星,采用了極地軌道和傾斜軌道的混合星座,播發(fā)Ka頻段的通信信號(hào),同時(shí)可通過多普勒定位的方式提供備份的定位服務(wù)。2023年慕尼黑導(dǎo)航峰會(huì),印度介紹了其低軌衛(wèi)星發(fā)展意向,通過8顆可見低軌通信衛(wèi)星,采用多普勒定位的方式可實(shí)現(xiàn)20m以下的定位精度。阿聯(lián)酋在國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)第18次609磋商會(huì)議中加入了其低軌試驗(yàn)衛(wèi)星NSAT01.001資料,后續(xù)將發(fā)展12個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面8顆衛(wèi)星的低軌星座,以實(shí)現(xiàn)通信和導(dǎo)航備份能力。

1.2 國(guó)內(nèi)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)研究情況

在基于低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)PNT性能提升方面,我國(guó)學(xué)者也開展了相關(guān)研究以及在軌試驗(yàn)。多位學(xué)者對(duì)低軌衛(wèi)星提升完好性、優(yōu)化衛(wèi)星幾何構(gòu)型、提升精密單點(diǎn)定位性能等方面開展了仿真研究。微厘空間采用低軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)及軌道設(shè)計(jì),開展了低軌導(dǎo)航增強(qiáng)在軌驗(yàn)證,為形成高性能PNT能力積累了關(guān)鍵技術(shù)突破和工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[20]。我國(guó)國(guó)家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正式啟動(dòng)建設(shè),也充分考慮了通信導(dǎo)航協(xié)同發(fā)展需求,可通過導(dǎo)通融合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信與導(dǎo)航定位相互賦能。

2 低軌星座對(duì)PNT能力提升

低軌衛(wèi)星位于低地球軌道,軌道高度一般在100～1200km。相較于GNSS,低軌衛(wèi)星具備以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①制造與發(fā)射成本低,低軌衛(wèi)星質(zhì)量輕,可通過一箭多星等方式發(fā)送,單顆全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星的平均制造與發(fā)射成本相當(dāng)于幾十顆甚至數(shù)百顆低軌衛(wèi)星的成本;②信號(hào)傳播損耗小,抗干擾性能強(qiáng),低軌衛(wèi)星信號(hào)傳輸路徑短,傳播損耗小,相同發(fā)射功率情況下,落地功率比中高軌衛(wèi)星高1000倍,可顯著改善復(fù)雜地形環(huán)境和電磁環(huán)境的定位精度,提升抗干擾和反欺騙能力;③運(yùn)動(dòng)速度快,高精度定位收斂時(shí)間短,低軌衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間遠(yuǎn)小于中高軌衛(wèi)星(飛行速度6～8km/s),幾何構(gòu)型變化比中高軌衛(wèi)星快40倍左右,易于高精度定位快速收斂[5-6]?；诘蛙壭l(wèi)星這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),低軌衛(wèi)星逐步形成了導(dǎo)航增強(qiáng)和實(shí)現(xiàn)彈性PNT兩種PNT性能提升能力,如圖1所示。

圖1 基于低軌星座對(duì)PNT能力的提升Fig.1 Navigation augmentation capabilities based on LEO constellations

2.1 導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)

低軌衛(wèi)星搭載星載GNSS接收機(jī),并播發(fā)導(dǎo)航信號(hào),可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù),主要包括全球天基監(jiān)測(cè)和全球準(zhǔn)實(shí)時(shí)高精度等。

1)全球天基監(jiān)測(cè)

全球天基監(jiān)測(cè)是利用全球組網(wǎng)的低軌星座對(duì)GNSS衛(wèi)星實(shí)時(shí)觀測(cè)、實(shí)時(shí)處理并提供性能分析與評(píng)估的一項(xiàng)服務(wù)。該服務(wù)將使GNSS空間信號(hào)精度、完好性等指標(biāo)得到大幅提升。

(1)空間信號(hào)精度提升

低軌衛(wèi)星搭載星載GNSS接收機(jī)形成天基監(jiān)測(cè)站,與地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)相比較,低軌衛(wèi)星接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)所受電離層、對(duì)流層影響較小,具備跟蹤弧段長(zhǎng)、多重覆蓋和多路徑效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn),可以明顯改善GNSS衛(wèi)星觀測(cè)幾何構(gòu)型。因此,聯(lián)合地基與低軌監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù),通過高中低軌衛(wèi)星聯(lián)合精密定軌與鐘差處理,可提高GNSS軌道以及鐘差解算精度,有效彌補(bǔ)地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)在空間覆蓋上的不足[21]。表3顯示了高中低地聯(lián)合定軌的仿真評(píng)估情況。加入12顆軌道傾角為55°的低軌衛(wèi)星后,利用文獻(xiàn)[4]的方法計(jì)算平均軌道測(cè)量誤差(User Range Error, URE)和空間信號(hào)測(cè)量誤差(Signal-In-Space Range Error,SISRE),高中低地聯(lián)合定軌后北斗衛(wèi)星的URE提升到0.012m,SISRE提升到0.118m。

表3 高中低地聯(lián)合定軌精度評(píng)估Table 3 Accuracy evaluation of combination orbit determination m

(2)全球完好性增強(qiáng)

低軌星座衛(wèi)星之間配備星間鏈路,具備高速、大容量、實(shí)時(shí)傳輸信息能力,可支撐導(dǎo)航信息常態(tài)化、低延遲、高并發(fā)傳輸,實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)低軌星載GNSS接收機(jī)整網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳以及星座整網(wǎng)數(shù)據(jù)同步。借助低軌星座全球分布以及常態(tài)化運(yùn)行的“信息高速公路”,理論上可將完好性告警時(shí)間縮短至6s以內(nèi),符合一類精密進(jìn)近(CAT-I)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航星座更高等級(jí)的完好性服務(wù)[4]。低軌衛(wèi)星配置SAIM載荷,可一定程度保證自身完好性,對(duì)中高軌衛(wèi)星全球五重覆蓋,可容忍雙故障。仿真分析軌道傾角為55°,星座分別為Walk 30/3/1、Walk 33/3/1、Walk 36/3/1的LEO衛(wèi)星對(duì)北斗衛(wèi)星的覆蓋重?cái)?shù),如表4所示。其中,33顆LEO衛(wèi)星則可實(shí)現(xiàn)對(duì)中高軌衛(wèi)星全球五重覆蓋,實(shí)現(xiàn)完好性監(jiān)測(cè)。

表4 全球完好性仿真情況Table 4 Global integrity simulation

2)全球準(zhǔn)實(shí)時(shí)高精度

全球快速高精度定位服務(wù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于:①導(dǎo)航衛(wèi)星增強(qiáng)信息的播發(fā),根據(jù)香農(nóng)定理,信道容量與信噪比正相關(guān),低軌衛(wèi)星信號(hào)落地功率高,因此可播發(fā)更高速率的增強(qiáng)信息;②GNSS信號(hào)結(jié)合低軌衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)可以改善衛(wèi)星幾何構(gòu)型變化,降低參數(shù)間耦合性,從而縮短精密定位所需時(shí)間,實(shí)現(xiàn)全球快速高精度定位。搭建仿真場(chǎng)景,驗(yàn)證低軌星座對(duì)精密定位的提升情況。仿真星座為北斗三號(hào)空間星座疊加144顆1100km高度的近圓低軌衛(wèi)星組成的空間星座,其中低軌星座為平均分布于12個(gè)軌道平面的Walker星座,軌道傾角為55°。仿真場(chǎng)景構(gòu)建參數(shù)見表5。

表5 仿真參數(shù)Table 5 Simulation parameters

加入低軌星座前后,站心坐標(biāo)系中的東向(E),北向(N)和天向(U)的定位誤差如圖2所示,圖中地面站選擇為位于中國(guó)武漢的接收機(jī)。加入低軌星座后,厘米級(jí)定位精度的收斂時(shí)間由20min提升到小于1min,可顯著提升用戶體驗(yàn),擴(kuò)展高精度定位應(yīng)用場(chǎng)景。

圖2 高精度收斂情況Fig.2 High precision positioning convergence

3)基于導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的可信認(rèn)證

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過接口控制文件公布信號(hào)的細(xì)節(jié),推廣了衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用,但是也使得信號(hào)面臨被偽造攻擊的威脅。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用越來(lái)越廣泛,時(shí)空信息的可信度變得越來(lái)越重要,可信認(rèn)證正逐步成為GNSS設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。

通過低軌導(dǎo)航信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)GNSS信號(hào)的認(rèn)證,主要認(rèn)證方式有電文認(rèn)證和擴(kuò)頻碼認(rèn)證兩種[22]。電文認(rèn)證常用的TESLA認(rèn)證,通過在低軌導(dǎo)航信號(hào)中發(fā)送GNSS電文密鑰信息,擴(kuò)頻碼認(rèn)證是將GNSS信號(hào)的部分偽碼加密,然后通過低軌導(dǎo)航信號(hào)發(fā)送密鑰信息,二者主要目標(biāo)是使干擾方無(wú)法進(jìn)行生成式欺騙[23]。

2.2 彈性PNT服務(wù)

彈性PNT服務(wù)是指不依賴GNSS的獨(dú)立定位授時(shí)或者對(duì)GNSS服務(wù)的可信認(rèn)證。在導(dǎo)航頻段短時(shí)區(qū)域拒止的情況下,低軌通信衛(wèi)星通過信息傳輸鏈路可快速播發(fā)可信認(rèn)證信息,告知用戶GNSS信號(hào)的可信狀況。同時(shí),低軌衛(wèi)星通過播發(fā)導(dǎo)航頻段以外的信號(hào),可為用戶提供備份服務(wù)。

1)導(dǎo)航應(yīng)急備份服務(wù)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)所在信號(hào)頻段是公開的,在傳統(tǒng)GNSS信號(hào)短時(shí)區(qū)域拒止情況下,用戶終端可利用導(dǎo)通融合信號(hào)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于GNSS的降階備份導(dǎo)航。低軌星座實(shí)現(xiàn)降階備份導(dǎo)航的主要工作模式是:用戶終端識(shí)別衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)不可用的告警信息后(可通過可信認(rèn)證等手段實(shí)現(xiàn)),轉(zhuǎn)為使用低軌衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)通融合信號(hào)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立導(dǎo)航(導(dǎo)通融合信號(hào)所在頻段未受到干擾)。目前,L頻段、S頻段(2～4GHz)被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星移動(dòng)通信,無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)、無(wú)線電測(cè)控鏈路等,頻譜資源較為緊張。Ka頻段(27～40GHz)帶寬資源多,可支持更大的業(yè)務(wù)容量、信號(hào)增益大,成為了寬帶互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)先選擇。低軌衛(wèi)星利用寬帶互聯(lián)網(wǎng)Ka頻段播發(fā)導(dǎo)通融合信號(hào),信號(hào)頻率帶寬可達(dá)到3GHz,落地功率比傳統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)高30dB,使信號(hào)的抗干擾能力極強(qiáng),可作為我國(guó)北斗導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)的備份手段,大幅拓展定位授時(shí)服務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景和范圍,提高服務(wù)可靠性和連續(xù)性。導(dǎo)通融合信號(hào)以通信無(wú)失真高速傳輸為前提,在低軌衛(wèi)星低成本,大規(guī)模的約束下,定位能力有限,提供導(dǎo)航降階備份服務(wù)。分別選取兩顆低軌衛(wèi)星對(duì)單星定位進(jìn)行仿真,其中低軌衛(wèi)星軌道高度1150km,軌道精度1m,多普勒觀測(cè)精度為1Hz,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間收斂后,單星定位精度可達(dá)到50m以下的定位精度,實(shí)現(xiàn)降階的導(dǎo)航服務(wù),如圖3所示。

圖3 單星定位性能Fig.3 Single satellite positioning performance

2)基于通信信號(hào)的可信認(rèn)證

基于低軌通信信號(hào)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)GNSS信號(hào)的可信認(rèn)證。在電文認(rèn)證中,導(dǎo)航信息的低符號(hào)率限制了電文認(rèn)證的安全性,可能面臨重放攻擊的威脅。擴(kuò)頻碼認(rèn)證可免疫重放攻擊,但是需要向接收機(jī)授權(quán)密鑰分配或存儲(chǔ)信號(hào)樣本,對(duì)通信容量或存儲(chǔ)能力提出了要求。低軌通信信號(hào)通過通信高速傳輸鏈路,可提高信息播發(fā)速率,提升電文認(rèn)證的安全性,同時(shí)也解決了密鑰分配通信容量問題,能夠及時(shí)有效的為用戶提供可信認(rèn)證服務(wù)。

3 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)

低軌星座為用戶提供導(dǎo)航增強(qiáng)和彈性PNT服務(wù),前者重點(diǎn)是性能提升,一是要接收GNSS信號(hào)完成全球天基監(jiān)測(cè),二是播發(fā)與GNSS兼容互操作的導(dǎo)航信號(hào),可大幅改善用戶終端兼容性,提升應(yīng)用范圍;后者突出彈性服務(wù),通過非導(dǎo)航頻段信號(hào)提供降階備份服務(wù),關(guān)鍵在于導(dǎo)通融合信號(hào)設(shè)計(jì)與終端接收處理。

3.1 導(dǎo)航增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)

1)星載GNSS接收及處理技術(shù)

低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng),首先要建立與GNSS統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)?？紤]到低軌衛(wèi)星低成本、大規(guī)模的特點(diǎn),在低軌衛(wèi)星上搭載高穩(wěn)晶振,并通過星載GNSS接收機(jī)向中高軌GNSS衛(wèi)星溯源,是解決低軌衛(wèi)星時(shí)空基準(zhǔn)問題的理想解決手段。

低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快,接收GNSS信號(hào)多普勒大,給星載GNSS接收帶來(lái)一定的挑戰(zhàn),需要綜合權(quán)衡環(huán)路帶寬和測(cè)量精度需求,通?？梢圆扇?dòng)態(tài)環(huán)路參數(shù)或者輔助跟蹤的方式。除此之外,星載GNSS處理技術(shù)涉及到低軌衛(wèi)星精密定軌與鐘差解算,主要方法包括星上自主定軌與地面聯(lián)合定軌兩種。星上自主定軌技術(shù)是利用GNSS星載接收機(jī)數(shù)據(jù)以及地面上注的GNSS增強(qiáng)信息,實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星的精密定軌與鐘差確定;此方法一般采用星上精密單點(diǎn)定位+動(dòng)力學(xué)的方式,由每顆衛(wèi)星自主計(jì)算各自軌道和鐘差,適合超大型低軌星座的時(shí)空統(tǒng)一與維持。地面聯(lián)合定軌技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸星載GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)至地面信息處理系統(tǒng),由地面信息處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度軌道與鐘差解算,如圖4所示。

圖4 星上自主定軌與地面聯(lián)合定軌Fig.4 On-board autonomous orbit determination and ground joint orbit determination

2)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)體制設(shè)計(jì)

導(dǎo)航頻段和通信頻段的低軌信號(hào)均可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng),但導(dǎo)航頻段的低軌信號(hào)對(duì)傳統(tǒng)中高軌GNSS信號(hào)可較好兼容與互操作。為在用戶接收終端層面實(shí)現(xiàn)良好的兼容共用,低軌導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)重點(diǎn)選擇導(dǎo)航頻段的信號(hào),適當(dāng)兼顧通信頻段播發(fā)。設(shè)計(jì)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào),需要綜合權(quán)衡載波頻率、調(diào)制方式、碼速率和電文編排等因素[24]。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的載波頻率設(shè)計(jì)需要滿足頻率資源和ITU規(guī)則約束,同時(shí)需要考慮與已存同頻帶業(yè)務(wù)(或鄰近頻段業(yè)務(wù))的兼容性與互操作性。目前1575.42MHz和1176.45MHz是兼容互操作主用頻段,可作為推薦的低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)頻段。

調(diào)制方式?jīng)Q定了導(dǎo)航信號(hào)功率譜包絡(luò)形狀,從體制上對(duì)于碼跟蹤精度、抗干擾能力、多徑誤差、兼容性方面起到?jīng)Q定性作用。GNSS引入了先進(jìn)的BOC類調(diào)制方式,在設(shè)計(jì)靈活性和兼容性、測(cè)距精度等方面有一定的提升。但先進(jìn)的調(diào)制方式提升了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)調(diào)制方式的設(shè)計(jì)需要綜合權(quán)衡性能提升與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

碼速率在一定程度上決定了信號(hào)的功率譜密度,進(jìn)而決定了信號(hào)跟蹤精度、抗多徑能力和抗干擾能力。碼速率的選擇需要在測(cè)距性能和終端成本、功耗、體積之間進(jìn)行權(quán)衡,并兼顧到系統(tǒng)間的兼容性和互操作性。

導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的通信資源的利用率和電文結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展性。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)落地功率高,具備更強(qiáng)的通信容量。同時(shí)考慮到低軌導(dǎo)航增強(qiáng)需求,低軌導(dǎo)航增強(qiáng)電文應(yīng)包括基本導(dǎo)航信息、衛(wèi)星歷書、中高軌衛(wèi)星星歷鐘差改正數(shù)、以及中高軌衛(wèi)星精密星歷鐘差等信息。

3)同時(shí)同頻干擾抑制技術(shù)

低軌衛(wèi)星接收GNSS信號(hào),同時(shí)向地面輻射導(dǎo)航頻段的增強(qiáng)信號(hào)。星載接收機(jī)天線口面GNSS信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)。因此,增強(qiáng)信號(hào)對(duì)星載接收機(jī)是同時(shí)同頻的強(qiáng)干擾,應(yīng)通過干擾抑制技術(shù)保證星載接收機(jī)的正常工作,如天線隔離、射頻和數(shù)字干擾抵消等[25]。

天線隔離是一種有效的被動(dòng)干擾抑制方法。天線的旁瓣抑制可以對(duì)星載接收機(jī)天線口面的干擾信號(hào)進(jìn)行有效的抑制,其隔離度主要受到天線、衛(wèi)星布局等影響。

射頻干擾抵消是一種特征模擬技術(shù)。將干擾信號(hào)的特征信息傳遞到星載接收機(jī),星載接收機(jī)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行特征模擬,得到與干擾信號(hào)延遲和功率相同,而相位相反的本地信號(hào),隨后在射頻端將模擬信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行合成,可抑制大部分的干擾信號(hào)。

殘留的干擾信號(hào)可通過數(shù)字干擾抵消進(jìn)行處理。數(shù)字干擾抵消主要采用信道估計(jì)和自適應(yīng)濾波等算法。干擾殘留信號(hào)通常是非高斯的,相近采樣值之間具備較強(qiáng)相關(guān)性,所以可利用樣本對(duì)殘留信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè),然后將預(yù)測(cè)信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行合成,以達(dá)到干擾抑制的目的。

3.2 彈性PNT關(guān)鍵技術(shù)

1)導(dǎo)通融合信號(hào)體制設(shè)計(jì)

導(dǎo)通融合信號(hào)體制設(shè)計(jì)是導(dǎo)通融合的核心部分,也是兩者融合程度的集中體現(xiàn)。通信衛(wèi)星的核心業(yè)務(wù)是實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)失真高速傳輸,所以導(dǎo)通融合信號(hào)的設(shè)計(jì),應(yīng)以通信受影響程度可控為前提,適度融合導(dǎo)航信號(hào),以免導(dǎo)航能力有限,而通信能力過度降級(jí)。

根據(jù)對(duì)無(wú)線信號(hào)時(shí)頻資源的分配方式,可將低軌導(dǎo)通融合信號(hào)分為時(shí)分、頻分、功分、復(fù)合等方式[26]。時(shí)分體制是指通信和導(dǎo)航信號(hào)共用整個(gè)頻段,但在通信的空閑時(shí)隙播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)通信無(wú)影響,且導(dǎo)航信號(hào)的Gabor帶寬較大,測(cè)距精度高。但由于導(dǎo)航信號(hào)在時(shí)域上不連續(xù),且不均勻,難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PNT服務(wù)。頻分體制中,導(dǎo)航和通信信號(hào)分別占據(jù)部分頻段,優(yōu)點(diǎn)為導(dǎo)航信號(hào)是時(shí)域連續(xù)信號(hào),可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定跟蹤,但由于信號(hào)帶寬較小導(dǎo)致測(cè)距精度有限。功分體制是指導(dǎo)航信號(hào)在時(shí)域和頻域上均連續(xù),但功率譜密度比通信信號(hào)低。導(dǎo)航相對(duì)于通信信號(hào)引入了額外的白噪聲,將引起通信信號(hào)載噪比下降,可能引起通信誤碼問題,所以導(dǎo)航信號(hào)功率必須受限,不能獲得通信信號(hào)高功率播發(fā)帶來(lái)的好處。復(fù)合體制的特點(diǎn)是導(dǎo)航信號(hào)占據(jù)特定帶寬,在時(shí)域上采用獨(dú)立時(shí)隙。其優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)航信號(hào)占用資源少,銥星STL信號(hào)即采用這種體制[27]。該方式對(duì)原有通信體制改動(dòng)較少,僅需在已有系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)升級(jí),其缺點(diǎn)是收斂后定位精度僅能達(dá)到50m以內(nèi),可作為導(dǎo)航降階備份。

2)導(dǎo)通融合信號(hào)定位技術(shù)

通信衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)與星座規(guī)模有關(guān),在星座規(guī)模不能滿足全球至少4種以上均勻覆蓋時(shí),需考慮單星情況下的定位技術(shù)。單星多普勒定位是通過累計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的多普勒觀測(cè)量進(jìn)行最小二乘解算來(lái)獲得位置的最優(yōu)估計(jì)。傳統(tǒng)單星多普勒定位算法往往要求載體處于靜止?fàn)顟B(tài)。通過累計(jì)一段時(shí)間的觀測(cè)量來(lái)進(jìn)行定位解算。對(duì)于運(yùn)動(dòng)載體來(lái)說,由于載體位置時(shí)刻變化,其待求解未知量個(gè)數(shù)也隨著觀測(cè)量的增加同步增加,這時(shí)則需要引入慣性測(cè)量信息,采用單星多普勒/INS緊組合體制來(lái)估計(jì)位置參數(shù)。慣性器件作用是對(duì)不同時(shí)刻的位置建立聯(lián)系,從而提高整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測(cè)能力。組合導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行導(dǎo)航解算[28],卡爾曼濾波需要量測(cè)噪聲滿足高斯白噪聲假設(shè),考慮到在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下觀測(cè)量噪聲非高斯化問題,需要對(duì)卡爾曼濾波算法進(jìn)行改進(jìn),結(jié)合廣義極大似然估計(jì)理論設(shè)計(jì)魯棒濾波器量測(cè)更新過程,對(duì)濾波殘差進(jìn)行魯棒加權(quán),根據(jù)加權(quán)結(jié)果分配濾波增益,提高擾動(dòng)環(huán)境下組合導(dǎo)航精度。此外,在星座規(guī)模滿足四重獨(dú)立定位條件下,可以通過配置獨(dú)立的導(dǎo)航載荷,由低軌通信衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航測(cè)距信號(hào),用戶在一個(gè)時(shí)間歷元接收多個(gè)測(cè)距信號(hào),通過比較信號(hào)接收時(shí)延和解調(diào)信號(hào)給出的星歷和鐘差,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)非線性偽距定位。

3)彈性終端融合設(shè)計(jì)

低軌彈性終端接收導(dǎo)通融合信號(hào),相對(duì)于GNSS終端設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,對(duì)算法魯棒性和穩(wěn)定性要求更高。導(dǎo)通融合終端關(guān)鍵技術(shù)的突破能有效提高備份定位授時(shí)服務(wù)的精度和可靠性,進(jìn)一步完善終端應(yīng)用型譜。

多普勒定位難點(diǎn)在于導(dǎo)通信號(hào)通常為突發(fā)式信號(hào),持續(xù)時(shí)間為毫秒量級(jí),采用鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)處理很難保證跟蹤狀態(tài)穩(wěn)定,導(dǎo)致直接從鎖頻環(huán)中提取多普勒測(cè)量值噪聲過大,影響后續(xù)定位精度。由于采用單星多普勒定位體制通常需要累計(jì)幾分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)才能進(jìn)行定位授時(shí),通過對(duì)一段時(shí)間內(nèi)同一顆衛(wèi)星的多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,平滑觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲,可間接提高觀測(cè)數(shù)據(jù)精度[28-29]。

定位授時(shí)的難點(diǎn)在于突發(fā)式信號(hào)跟蹤環(huán)路并不能連續(xù)穩(wěn)定地跟蹤信號(hào),在信號(hào)出現(xiàn)或消失時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)往往會(huì)存在跳變,影響定位授時(shí)精度。因此需要采用改進(jìn)定位授時(shí)算法,利用數(shù)據(jù)跳變產(chǎn)生的殘差異常進(jìn)行數(shù)據(jù)權(quán)重分配,抑制異常數(shù)據(jù)對(duì)定位授時(shí)結(jié)果影響,提高導(dǎo)航終端定位授時(shí)服務(wù)的精度和魯棒性。

4 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)途徑

低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)主要有兩種實(shí)現(xiàn)途徑,分別是低軌導(dǎo)航增強(qiáng)和基于低軌通信衛(wèi)星的導(dǎo)通融合。兩種實(shí)現(xiàn)途徑均可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng),導(dǎo)通融合還可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航降階備份,但是能力特點(diǎn)各異,載荷和終端的實(shí)現(xiàn)代價(jià)也不同,如表6和表7所示。

表6 導(dǎo)航與通信衛(wèi)星比對(duì)分析Table 6 Comparison analysis of navigation and communication satellite

表7 低軌PNT能力提升及實(shí)現(xiàn)代價(jià)分析Table 7 Analysis of LEO navigation augmentation capabilities and implementation cost

4.1 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)采用低軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)及軌道設(shè)計(jì),搭載星載GNSS接收機(jī),并播發(fā)與GNSS信號(hào)兼容互操作的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)平臺(tái)設(shè)計(jì),有利于實(shí)現(xiàn)星載GNSS接收和導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)播發(fā)的隔離,減少了星載GNSS載荷的射頻前端和數(shù)字處理部分的資源需求,載荷的質(zhì)量功耗要求也隨之降低。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)軌道的設(shè)計(jì),有利于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)對(duì)用戶的多重覆蓋。導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)載荷,播發(fā)與GNSS兼容互操作的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào),讓接收終端進(jìn)行軟件升級(jí)即可享受到導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。但是,若導(dǎo)航頻段受到干擾,難以提供可信定位和彈性導(dǎo)航降階備份服務(wù)。

總體而言,低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷在載荷質(zhì)量功耗可控,接收終端小幅升級(jí)的前提下,可高效實(shí)現(xiàn)全球天基監(jiān)測(cè)、全球準(zhǔn)實(shí)時(shí)高精度增強(qiáng)等導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。但由于導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)位于導(dǎo)航頻段,難以保證導(dǎo)航應(yīng)急備份服務(wù)。

4.2 基于低軌通信衛(wèi)星的導(dǎo)通融合

低軌通信和導(dǎo)航技術(shù)在信號(hào)調(diào)制等方面存在共性特征,為導(dǎo)通融合提供了可能。但通導(dǎo)本質(zhì)上具有不同業(yè)務(wù)需求和技術(shù)體制。通信核心目標(biāo)是無(wú)失真和高速地傳輸信息,為此綜合運(yùn)用了信道編碼、分集和復(fù)用等技術(shù)以提升誤碼率和信道容量。而導(dǎo)航技術(shù)關(guān)注重點(diǎn)是距離測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度,通過高速測(cè)距碼和多頻信號(hào)等提升測(cè)距的性能?；诓煌臉I(yè)務(wù)需求,通信和導(dǎo)航在信號(hào)生成和接收處理等方面具有不同的特性,為通信和導(dǎo)航的融合帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

相比低軌導(dǎo)航增強(qiáng),通信衛(wèi)星首先應(yīng)保證通信信息的無(wú)失真和高速傳輸,并綜合分析權(quán)衡融合帶來(lái)的增量和復(fù)雜度。一方面,導(dǎo)通采用統(tǒng)一的頻段,電磁兼容問題更為復(fù)雜,對(duì)星載GNSS接收提出了更高的要求,同時(shí)導(dǎo)通融合很可能對(duì)高質(zhì)量通信用戶造成影響。為了解決這些問題,勢(shì)必增加衛(wèi)星的質(zhì)量功耗,不符合低軌衛(wèi)星低成本、大規(guī)模的優(yōu)勢(shì)。另一方面,GNSS接收機(jī)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè),導(dǎo)通融合信號(hào)提高了接收終端的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本,不利于大范圍的推廣。

綜上所述,低軌導(dǎo)通融合可重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于通信信道的可信認(rèn)證播發(fā)和彈性導(dǎo)航應(yīng)急備份功能,作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的有益?zhèn)浞莺脱a(bǔ)充。

5 結(jié)束語(yǔ)

2035年前,我國(guó)將建成以北斗系統(tǒng)為核心,更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系[30]。低軌星座以其獨(dú)特的軌道特性、高費(fèi)效比的制造與發(fā)射成本,以及在PNT能力提升方面的重要貢獻(xiàn)度,將成為國(guó)家綜合PNT體系中的重要組成部分。結(jié)合文中關(guān)于低軌對(duì)PNT能力提升、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑的綜合分析,以及國(guó)內(nèi)外低軌導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀趨勢(shì),低軌星座實(shí)現(xiàn)PNT性能提升可瞄準(zhǔn)兩個(gè)方向、各有側(cè)重:一是低軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)及軌道設(shè)計(jì),接收GNSS信號(hào),并播發(fā)與GNSS信號(hào)兼容互操作的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào),重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)高精度、高完好及安全可信能力;二是基于通信星座的導(dǎo)通融合,播發(fā)導(dǎo)通融合信號(hào),以通信受影響程度可控為導(dǎo)向,重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航短時(shí)區(qū)域拒止情況下的彈性應(yīng)急服務(wù)和基于通信的可信認(rèn)證。二者均可實(shí)現(xiàn)PNT性能的提升,工程實(shí)現(xiàn)中可結(jié)合應(yīng)用需求、平臺(tái)能力、實(shí)現(xiàn)代價(jià)等綜合權(quán)衡,實(shí)現(xiàn)兼容發(fā)展、融合共用、相互增能。