吳 燕，李 川

歐洲開普勒衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展探析

吳 燕，李 川

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

隨著衛(wèi)星導航技術(shù)在各領域應用的深入，對衛(wèi)星導航增強技術(shù)提出了需求，基于低軌星導航增強或中低軌星座相結(jié)合的系統(tǒng)建設和應用正在蓬勃發(fā)展。首先，闡述了歐洲開普勒衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設背景；其次，重點圍繞開普勒系統(tǒng)描述了系統(tǒng)的組成，分析了系統(tǒng)的三個特點，介紹了系統(tǒng)的發(fā)展計劃；最后，簡要闡明了開普勒系統(tǒng)對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展帶來的啟示。

開普勒系統(tǒng)；低軌星座；增強系統(tǒng)；衛(wèi)星導航

0 引言

當前，使用單一全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）難以滿足全部定位導航服務的需求，各類導航增強系統(tǒng)和技術(shù)快速發(fā)展，其中，低軌星導航增強成為熱點。因低軌衛(wèi)星星座運動速度快、成本低，利用其作為天基平臺進行導航增強和各類監(jiān)視，可不依賴密集地面建站完成全球覆蓋，實現(xiàn)高精度服務的準實時收斂，有望解決當前高性能導航服務的瓶頸，成為下一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[1]。當前國外低軌星座蓬勃發(fā)展，低軌導航增強和通導融合技術(shù)研究、試驗及應用也成為熱點，美國波音公司提出的與銥星系統(tǒng)相結(jié)合的導航增強系統(tǒng)即iGPS（High Integrity GPS）是一個低軌星與中軌星結(jié)合的導航和授時系統(tǒng)[2]，歐洲專家提出建立開普勒衛(wèi)星導航系統(tǒng)，在減少地面運控測量通信設施的同時，可大幅增強伽俐略系統(tǒng)的完好性和定軌精度[3]。歐洲開普勒計劃采用6顆低軌（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星實現(xiàn)對中軌道（Middle Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星天基監(jiān)測，通過星間激光鏈路、高精度光鐘以及地面觀測的技術(shù)手段，對高中低軌衛(wèi)星進行聯(lián)合定軌，期望能夠達到厘米級定軌精度[4]。

1 開普勒衛(wèi)星導航系統(tǒng)提出背景

開普勒衛(wèi)星導航系統(tǒng)（以下簡稱開普勒系統(tǒng)）的提出主要基于以下三個原因：

1）現(xiàn)有伽俐略系統(tǒng)對時鐘穩(wěn)定性和地面基礎設施要求高。當前的衛(wèi)星導航接收機使用偽距測量進行定位和授時，在其復雜的測算過程中，地面站接收機需估算衛(wèi)星軌道、時鐘偏移量和信號偏差，其中還涉及大氣延遲。而這些參數(shù)對衛(wèi)星時鐘的穩(wěn)定性和地面基礎設施提出了很高的要求。

2）現(xiàn)有伽俐略系統(tǒng)的地面控制站多，且分處于多國多地區(qū)。目前伽利略系統(tǒng)地面段有16個傳感器站、5個上行鏈路站和5個遙測跟蹤控制站，分布于全球，并將進一步擴大。這需要與部署國達成協(xié)議以便實現(xiàn)全球部署，保護系統(tǒng)不受干擾、欺騙和其他操縱，并保障站點和控制中心之間的通信鏈路可靠可信。由于歐盟并不像美國那樣有很多的海外軍事基地，因此這些部署在多國多地區(qū)的地面站可能還面臨著較大的安全風險。

3）LEO衛(wèi)星納入歐洲導航衛(wèi)星體系非常必要?，F(xiàn)有的伽利略衛(wèi)星位于MEO軌道，距離地球表面很遠，信號傳播可能會出現(xiàn)達數(shù)百毫秒的延遲，在拒止或設備降級情況下會導致導航誤差增大。將LEO衛(wèi)星納入歐洲導航衛(wèi)星體系具有三項優(yōu)勢：一是可作為MEO衛(wèi)星的備份導航源，對其導航信號進行補充；二是現(xiàn)有MEO衛(wèi)星對高緯度地區(qū)的覆蓋性不足，需要用LEO衛(wèi)星進行補充以滿足未來全球覆蓋的需求；三是相較于MEO衛(wèi)星，LEO衛(wèi)星的造價相對低廉，且發(fā)射更加容易。

2 開普勒系統(tǒng)介紹

開普勒系統(tǒng)是德國通信導航研究所（Institute of Communications and Navigation，DLR）提出的，旨在復用并逐步以開普勒衛(wèi)星取代目前在軌的伽利略衛(wèi)星，并計劃發(fā)射新的LEO衛(wèi)星，以及采用一個地面站和多個時間同步系統(tǒng)，并應用先進的星間光學通信、精確軌道測定以及光學原子鐘技術(shù)，構(gòu)建新型全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，最終減少對地面站的依賴，并提高系統(tǒng)的完好性以及定位和授時的精度[5]。

2.1 系統(tǒng)組成

開普勒系統(tǒng)空間段由24顆MEO衛(wèi)星和6顆LEO衛(wèi)星組成。MEO衛(wèi)星為Walker（24/3/1）星座，分布在三個軌道面上，軌道高度為29 600 km，軌道與當前伽利略星座相同。LEO衛(wèi)星亦采用Walker（6/2/1）星座，分布在高度為1 209 km的兩個近極軌道面上。開普勒系統(tǒng)空間段組成如圖1所示[6,7]。

圖1 開普勒系統(tǒng)星座示意圖

每顆MEO衛(wèi)星的有效載荷包括3個激光通信終端（Laser Communication Terminal，LCT）、 1個用作頻率基準的腔穩(wěn)激光器以及1個頻率梳。頻率梳將光頻率轉(zhuǎn)換為標準微波信號，對導航信息的生成進行計時。每顆MEO衛(wèi)星使用其中的2個LCT分別指向其飛行方向的前方和后方，從而與相鄰的MEO衛(wèi)星保持連續(xù)的光學鏈路。這些連續(xù)的光鏈路通過低延遲（往返時間在700 ms以內(nèi)）的雙向時間傳輸技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星軌道平面內(nèi)的時間同步。每顆MEO衛(wèi)星上的第3個LCT指向最低點的LEO衛(wèi)星。

每顆LEO衛(wèi)星配備3個LCT，通過LCT將一顆LEO衛(wèi)星鏈接到MEO衛(wèi)星的三個軌道平面或?qū)深wLEO衛(wèi)星鏈接到不同的MEO衛(wèi)星軌道平面（例如，一顆LEO衛(wèi)星鏈接到MEO軌道面和，而另一顆LEO衛(wèi)星鏈接到MEO平面和），從而實現(xiàn)衛(wèi)星軌道平面間的同步。

開普勒系統(tǒng)地面段由一個地面站組成（可另建一個冗余備份站）。地面站通過射頻或光學鏈路與所有開普勒衛(wèi)星鏈接，以維持空間基準坐標系和地面基準坐標系之間的關(guān)系。

2.2 系統(tǒng)特點

2.2.1 通過雙向光鏈路實現(xiàn)衛(wèi)星的同步

開普勒系統(tǒng)空間段的MEO衛(wèi)星發(fā)射L波段信號，通過使用頻率梳將頻率和時間同步轉(zhuǎn)到L波段，同時保持光學通信傳輸?shù)姆€(wěn)定。MEO衛(wèi)星的光學終端提供衛(wèi)星間雙向鏈路，從而支持所有衛(wèi)星皮秒級別的精確全球同步。

開普勒系統(tǒng)的LEO衛(wèi)星通過不同軌道面的光學終端與頂端兩個MEO衛(wèi)星實現(xiàn)光學鏈路通信，并利用軌道面之間的中繼同步信號實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)同步；同時通過對發(fā)射導航信號實現(xiàn)星地間的觀測，不受大氣等離子體影響，并可進行星間的全光學測距，以精確測定軌道位置。

2.2.2 通過LEO衛(wèi)星實現(xiàn)衛(wèi)星導航能力增強

開普勒系統(tǒng)的每顆LEO衛(wèi)星都配備了一個指向天頂?shù)腖波段導航天線和接收機，可檢測系統(tǒng)空間段的MEO衛(wèi)星信號。LEO衛(wèi)星的光梳確保L波段接收機鎖定同步光信號。因此，LEO星載接收機測量的是距離而非偽距。由于電離層的等離子體密度集中在遠低于1 209 km的高度，從MEO到LEO衛(wèi)星的路徑受大氣傳播造成的額外延遲影響小。因此，上述測量非常適合校準信號偏差，最重要的是，為軌道測定提供了精確的距離測量值，并可在MEO和LEO衛(wèi)星之間交換，用于計算軌道，然后將計算結(jié)果與偏差一起傳遞給MEO衛(wèi)星，以便整合到導航信息中，從而提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)能力。

2.2.3 系統(tǒng)安全風險較小

在開普勒系統(tǒng)星座中，LEO衛(wèi)星的存在可使地面站大大減少，僅需一個即可，如果考慮冗余，可再加一個備份[8,9]。在空間段，所有數(shù)據(jù)都通過光鏈路傳輸。這些鏈路的發(fā)散很小，信號輻射波束寬度小于700 m。因此，這些光鏈路基本上不可能被干擾或欺騙。如果在地面上對處于1 209 km高空中的LEO衛(wèi)星的星載L波段接收天線進行干擾或欺騙，也是難以實施的，而且通過空域處理還可以進一步提高接收機的魯棒性。與現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，開普勒系統(tǒng)的更為有利。

3 開普勒系統(tǒng)的主要計劃安排

3.1 空間段設計和發(fā)展

空間段設計和發(fā)展主要依托2018年開展的指南針項目，包括軌道設計、星座布局以及光學通信，主要分為下列三個階段：

1）有效載荷開發(fā)和發(fā)射：開發(fā)、測試單個有效載荷設備，并集成到Argus試驗平臺上。這一階段計劃為期約四年。

2）國際空間站實驗階段：將完成計劃中的任務實驗，預計持續(xù)大約一年半。

3）返回和驗證：任務結(jié)束后將拆除設備，待返回地面后移交給德國航天中心進行測試和評估。

計劃時間表如圖2所示[10]。

圖2 空間段相關(guān)設計驗證

除此之外，按照DLR的計劃，開普勒系統(tǒng)的LEO衛(wèi)星預計于2023年發(fā)射，MEO衛(wèi)星預計于2025年發(fā)射。

3.2 精確軌道測定試驗

目前完成了相關(guān)精確軌道測定的模擬試驗。LEO衛(wèi)星接收和分析MEO衛(wèi)星發(fā)射的L波段信號，由LEO衛(wèi)星與MEO衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)保持同步。所有LEO衛(wèi)星對至少兩顆MEO衛(wèi)星進行雙向測距，所有MEO衛(wèi)星對其鄰近衛(wèi)星進行雙向測距。這就建立了一個可用于定軌的L波段射頻測量和光學測量網(wǎng)絡。

另外還進行了定軌能力試驗，試驗的模擬要素包括：相位中心偏移、太陽光壓、大氣阻力、重力場、潮汐以及海洋負荷的估算等。

3.3 確保服務連續(xù)性

由于伽俐略系統(tǒng)目前處于運行狀態(tài)，在引入下一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)時將會有十數(shù)億甚至更多的接收機在使用伽俐略信號，而且其中一些接收機有可能是某些關(guān)鍵基礎設施的一部分，因此，在開普勒系統(tǒng)建設的初期采取雙模方式，即在保障伽利略系統(tǒng)正常運行并提供正常服務的情況下，測試開普勒系統(tǒng)的功能。雙模方式的實質(zhì)是開普勒系統(tǒng)在部署后將會首先在后臺啟動，不干擾伽利略系統(tǒng)。這樣，一旦開普勒衛(wèi)星足夠多，就可以完全切換到全開普勒衛(wèi)星的方式。

開普勒系統(tǒng)復用伽利略星座MEO衛(wèi)星及其信號，并應用小型LEO衛(wèi)星星座和光學星間鏈路對其進行補充。其雙模方式處理的第一步是進行每秒兩次的雙向測量，主要用于測定時鐘偏移量和星間光學距離，以及相鄰衛(wèi)星間的頻率偏移和距離變化速率。開普勒系統(tǒng)與伽利略衛(wèi)星的雙模處理示意圖如圖3所示[11]。

圖3 伽利略—開普勒雙模處理過程

4 結(jié)束語

開普勒系統(tǒng)是歐洲伽俐略系統(tǒng)技術(shù)團隊提出的新構(gòu)想，在實現(xiàn)對伽俐略系統(tǒng)完好性和精度增強的同時，減輕對地面系統(tǒng)的依賴。開普勒系統(tǒng)的技術(shù)核心，是用6顆LEO衛(wèi)星構(gòu)成小規(guī)模星座，以及激光星間鏈路來完善現(xiàn)有星座體系。MEO衛(wèi)星不需配備原子鐘，通過激光星間鏈路連接所有衛(wèi)星，使得導航衛(wèi)星能夠在極高精度水平上實現(xiàn)直接同步，之后再進一步為定軌提供高精度的距離測量而不是偽距，以期得到毫米級的定軌精度和納米級的相位測量精度，從而實現(xiàn)能力大幅提升。同時，系統(tǒng)通過LEO衛(wèi)星星座，對無電離層、對流層擾動的導航信號進行觀測，可提升MEO系統(tǒng)的完好性和精度[8]。開普勒系統(tǒng)的發(fā)展給我們帶來了如下啟示：

1）開普勒衛(wèi)星空間段布局采用中低軌結(jié)合，地面段基礎設施少。利用MEO和LEO衛(wèi)星結(jié)合的方式構(gòu)建星座系統(tǒng)，對星間軌道測定和探測信號的增強均有好處，符合未來歐洲無線電導航規(guī)劃的要求。使用MEO與伽利略系統(tǒng)共軌，可減少資金投入，最大限度地保持了現(xiàn)有伽利略系統(tǒng)的穩(wěn)定；使用LEO衛(wèi)星則可有效增強衛(wèi)星導航信號，提高抗干擾性，未來可利用星間光學交叉鏈路將陸?？仗於嘤蚬?jié)點連接起來，提供近實時和基礎的數(shù)據(jù)傳輸服務。另外，還減少了地面站的控制環(huán)節(jié)和控制節(jié)點，簡化了相關(guān)操作。

2）光學原子鐘的應用代表了授時領域的未來方向。光學原子鐘在光頻下工作，測量的光波諧振頻率比微波頻率高約十萬倍，從而可提供更高的精度。開普勒系統(tǒng)框架下設計的光學原子鐘在幾千秒的時間內(nèi)，頻率穩(wěn)定度有望達到10e-18級，超過了微波鐘幾個數(shù)量級的性能。目前使用的腔穩(wěn)光學頻率基準可以在10e-15級以下提供長期和短期頻率穩(wěn)定度。在復雜的實驗室裝置中已經(jīng)應用光學鐘顯示出頻率穩(wěn)定性，后續(xù)將付諸于實現(xiàn)和應用。

3）星間光學通信技術(shù)將有效推動光學通信的發(fā)展。星間光學通信技術(shù)對于小衛(wèi)星很有吸引力，因為其終端設備體積小、數(shù)據(jù)速率高、安全且成本更低，同時可滿足小衛(wèi)星運行尺寸、重量和功率受限的需求。未來將著重推動星地間的光學通信，但其面臨視距阻擋的難題，開普勒系統(tǒng)在僅有一個地面站的情況下，很難通過地面分集的手段破解該難題，可適當提高星地間光學通信的頻率和通信速率解決這個問題，但還需要具體驗證。

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Analysis of European Kepler Navigation System Development

WU Yan, LI Chuan

With the development of satellite navigation technology in various field, the demand for satellite navigation augmentation is put forward, and LEO-based navigation augmentation system or MEO-LEO satellite-based augmentation system are being developed rapidly. The background to build European Kepler satellite navigation system is introduced at first. Secondly, the system compositions, characteristics and development schedules is focused. The benefits of Kepler system is analyzed and stated at last.

Kepler System; LEO Constellation; Augmentation; Satellite Navigation

TN967

A

1674-7976-(2022)-04-247-05

2022-07-14。

吳燕（1967.04—），山東滕州人，碩士，高級工程師，主要研究方向為導航、通信。