張弓 馬福建 聶欣 陳秋麗 李平 張旭 王騰

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)(2 中國星網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究院有限公司,北京 100029)

社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的全球化、精細(xì)化和智能化迫切需要廣域、實(shí)時(shí)、高精度和高可靠的導(dǎo)航定位服務(wù),然而,當(dāng)前的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)不僅存在信號(hào)落地功率低、民用信號(hào)結(jié)構(gòu)公開易受欺騙等固有的脆弱性、局限性,在廣域精密定位方面還存在收斂時(shí)間長的難題,無法完全適應(yīng)新形勢、新需求[1]。

與中高軌GNSS衛(wèi)星相比,低軌衛(wèi)星離地球近了20～40倍,自由空間損耗減小約30dB,可提供更高功率的信號(hào);其次,相比GNSS衛(wèi)星數(shù)小時(shí)的過境時(shí)間,低軌衛(wèi)星劃過上空僅數(shù)分鐘,快速的幾何圖形變化為精密定位參數(shù)快速分離與收斂提供了可行性;低軌衛(wèi)星信號(hào)設(shè)計(jì)不受當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)約束,可以通過創(chuàng)新的加密和信號(hào)認(rèn)證設(shè)計(jì)抵御欺騙攻擊;配置星載接收機(jī)的低軌衛(wèi)星,可充當(dāng)天基移動(dòng)監(jiān)測站,實(shí)現(xiàn)對(duì)GNSS衛(wèi)星的全域精度和完好性監(jiān)測[1-3]。因此,低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有望成為未來導(dǎo)航、定位與授時(shí)(PNT)領(lǐng)域的重要支撐力量。

近年來,美歐等多個(gè)國家均提出低軌導(dǎo)航星座建設(shè)規(guī)劃,大致概括為3類:第1類是以“銥星”為代表的低軌通導(dǎo)融合星座,星座規(guī)模通常較小,約數(shù)十顆衛(wèi)星,主營業(yè)務(wù)為通信,通過在導(dǎo)航時(shí)隙播發(fā)加密測距信號(hào),提供獨(dú)立于GNSS的抗欺騙PNT服務(wù),利用信號(hào)落地功率高的優(yōu)勢,解決遮擋環(huán)境下的PNT難題,但受限于頻率帶寬窄的影響,測距精度低[4];第2類是以SpaceX公司的“星鏈”為代表的低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座,星座規(guī)模通常巨大,約數(shù)百至上萬顆衛(wèi)星,主營業(yè)務(wù)為通信,星上無需搭載導(dǎo)航增強(qiáng)載荷,僅通過在終端提取通信信號(hào)的多普勒頻移信息,便能實(shí)現(xiàn)多普勒或多普勒+慣導(dǎo)定位,利用定位體制和信號(hào)頻率與GNSS的差異性及星座規(guī)模優(yōu)勢,增強(qiáng)PNT體系頑存性[5];第3類便是以修娜(Xona)公司PULSAR為代表的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航星座,星座規(guī)模居中,約100～300顆衛(wèi)星,主營業(yè)務(wù)為導(dǎo)航,低軌衛(wèi)星配置導(dǎo)航載荷,自身下播高精度雙頻或多頻偽碼、載波相位測距信號(hào)和精密電文,用戶通過接收低軌或GNSS+LEO信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,發(fā)揮低軌衛(wèi)星幾何圖形變化快的優(yōu)勢,可實(shí)現(xiàn)全球分米級(jí)快速精密定位[6]?，F(xiàn)階段,銥星系統(tǒng)已完成75顆星的二代星座升級(jí),在軌驗(yàn)證結(jié)果表明,其播發(fā)的定位授時(shí)(STL)信號(hào)可獨(dú)立提供全球20～50m定位和亞微秒授時(shí)服務(wù)[4];截至2023年9月,SpaceX公司已發(fā)射5111顆星鏈衛(wèi)星,提供在軌服務(wù)的衛(wèi)星數(shù)量超4721顆,研究人員基于其通信信號(hào)的多普勒頻移信息,在800s累計(jì)觀測和高程計(jì)輔助條件下,已實(shí)現(xiàn)7.7m的水平獨(dú)立定位精度[5];未來,隨著修娜PULSAR低軌衛(wèi)星導(dǎo)航星座的建設(shè),能夠使導(dǎo)航性能和用戶體驗(yàn)提升到全新的高度,顯著提升PNT核心業(yè)務(wù)性能和對(duì)GNSS的彈性備份能力,更好地滿足智能時(shí)代精準(zhǔn)時(shí)空服務(wù)需求,是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域最熱點(diǎn)的方向。

基于此,本文梳理介紹了修娜PULSAR星座的發(fā)展目標(biāo)、建設(shè)規(guī)劃和最新進(jìn)展,分析了星座設(shè)計(jì)參數(shù),重點(diǎn)對(duì)星座特性和預(yù)期定位服務(wù)能力進(jìn)行定量研究,并給出相應(yīng)的結(jié)論,以期為我國低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

1 PULSAR星座發(fā)展規(guī)劃和最新進(jìn)展

2016年,Reid等人提出全球低軌導(dǎo)航星座建設(shè)設(shè)想,并成立了修娜公司[1]。2021年,修娜公司公布了其PULSAR星座發(fā)展計(jì)劃,共規(guī)劃300顆低軌導(dǎo)航衛(wèi)星,第一階段包括40顆組網(wǎng)衛(wèi)星,計(jì)劃2024年底發(fā)射,2025年具備初始運(yùn)行能力,實(shí)現(xiàn)北美、歐洲等地單重覆蓋,重點(diǎn)提供精密授時(shí)和導(dǎo)航增強(qiáng)GNSS服務(wù);第二階段將星座擴(kuò)展至70顆星,填補(bǔ)兩極地區(qū)的導(dǎo)航服務(wù)空白,并增加中低緯度地區(qū)可見衛(wèi)星數(shù)量;第三階段共300顆衛(wèi)星工作,將提供比肩GPS的衛(wèi)星可見性和幾何圖形條件,2027年具備完全運(yùn)行能力,在全球范圍內(nèi)提供精確安全完好且能獨(dú)立于GNSS的PNT服務(wù),滿足無人化、智能化市場需求[7-8]。

2021年8月,修娜公司成功開展了地面演示驗(yàn)證試驗(yàn)。其將5個(gè)信標(biāo)機(jī)置于用戶接收機(jī)周圍的高處,兩兩相距約45.72m,信標(biāo)機(jī)既能接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)用于確定自身位置和鐘差,又能通過定向天線向移動(dòng)用戶機(jī)播發(fā)導(dǎo)航電文和測距信號(hào),用戶機(jī)同時(shí)接收GNSS和信標(biāo)機(jī)信號(hào)進(jìn)行定位解算,通過比較解算結(jié)果與真實(shí)用戶位置偏差評(píng)估了定位性能[9]。

2022年5月,作為PULSAR星座的首個(gè)技術(shù)演示載荷——Huginn,搭乘SpaceX獵鷹9號(hào)火箭成功發(fā)射,并在L頻段和C頻段廣播雙頻導(dǎo)航信號(hào)[7]。2023年5月,Huginn載荷取得的主要成果對(duì)外進(jìn)行了發(fā)布:①成功將LEO的PNT信號(hào)由太空傳輸至地面;②基于自研的軟硬件,成功驗(yàn)證了厘米級(jí)定位服務(wù)的能力;③驗(yàn)證了修娜專用導(dǎo)航數(shù)字波形發(fā)生器的在軌可編程能力;④驗(yàn)證了使用低成本商用現(xiàn)貨(COTS)器件提供衛(wèi)星導(dǎo)航的能力;⑤確定了在未配備高性能星載原子鐘的條件下,使用分布式時(shí)鐘架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)精密PNT的核心手段,其中,分布式時(shí)鐘架構(gòu)指利用地面站配置的高性能原子鐘,通過多條星地、星間鏈路實(shí)現(xiàn)全星座的時(shí)間傳遞與同步,提供統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn),形成多個(gè)地面高性能鐘與多顆低軌衛(wèi)星低成本鐘相結(jié)合的架構(gòu)[10]。

此外,修娜公司與?？怂箍怠⒅Z瓦泰、思博倫等業(yè)界知名企業(yè)就接收機(jī)和信號(hào)模擬器研制方面展開了密切合作,前瞻布局用戶接收機(jī)和低軌市場應(yīng)用[11]。

隨著PULSAR星座作為一個(gè)新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地位凸顯,2023年8月,修娜公司先后與美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國太空軍、洛克希德·馬丁公司簽署了合作協(xié)議,將PULSAR納入到美國國家空間安全架構(gòu)中,增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的彈性[11-12]。

考慮到PULSAR星座可能對(duì)未來衛(wèi)星導(dǎo)航和低軌星座領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,有必要根據(jù)其建設(shè)目標(biāo)和發(fā)展策略,研究其星座設(shè)計(jì)和服務(wù)性能。

2 星座設(shè)計(jì)參數(shù)分析

目前修娜公司公開發(fā)布的關(guān)于PULSAR星座構(gòu)型的材料僅包括不同階段的衛(wèi)星總數(shù)、軌道高度兩項(xiàng)量化指標(biāo)[6],以及不同階段的星座概念圖[7],本文在仔細(xì)研究的基礎(chǔ)上,分析得出其可能采用的配置參數(shù)如表1所示:階段1將建設(shè)Walker-δ 40/4/1∶875∶55傾斜軌道低軌星座;階段2將補(bǔ)充Walker-Star 30/3/1∶925∶89極軌道低軌星座,與傾斜軌星座形成混合星座;階段3將在前一階段基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展軌道面數(shù)和每個(gè)面衛(wèi)星數(shù),形成Walker-δ 240/12/2∶875∶55與Walker-Star 60/6/1∶925∶89的完整混合星座。

表1 不同階段的PULSAR星座可能采用的配置參數(shù)

根據(jù)表1星座參數(shù)繪制出的星座三維構(gòu)型如圖1所示,與官方公布的星座概念圖具有高度一致性,證明了本文星座設(shè)計(jì)參數(shù)分析的合理性,可作為星座特性分析和定位性能分析的基礎(chǔ)。

圖1 不同階段的PULSAR星座三維構(gòu)型

3 星座特性研究

衛(wèi)星星座是指具有相似類型和功能的多顆衛(wèi)星,分布在相似或互補(bǔ)的軌道上,在共享控制下協(xié)同完成指定任務(wù)。星座特性好壞,直接影響系統(tǒng)服務(wù)性能。本節(jié)將從對(duì)地覆蓋特性、GNSS天基監(jiān)測性能、星間建鏈情況、掩星事件數(shù)目等分析各階段星座特性。

3.1 對(duì)地覆蓋特性

對(duì)地覆蓋重?cái)?shù)是最重要的導(dǎo)航星座指標(biāo),既關(guān)系到服務(wù)精度、完好性、連續(xù)性和可用性,又決定了服務(wù)體制。圖2顯示了不同階段的PULSAR星座在各緯度地區(qū)的覆蓋,截止衛(wèi)星高度角設(shè)為5°?？梢钥闯?在第1、2和3階段,全球分別平均可見1.4、3.4和12.7顆星,其中,低緯度地區(qū)分別平均可見1.6、2.5和11.2顆星,中緯度地區(qū)分別平均可見2.2、3.7和16.2顆星,高緯度地區(qū)分別平均可見0.6、4.2和10.8顆星。

圖2 不同緯度地區(qū)星座對(duì)地覆蓋情況

另一項(xiàng)重要指標(biāo)是星座幾何圖形條件,其與用戶測距誤差能夠共同決定用戶定位授時(shí)精度,一般由精度因子(DOP值)反映,具體包括幾何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)和時(shí)間精度因子(TDOP),DOP值越小,意味著幾何圖形條件越優(yōu)、定位授時(shí)精度越高。通常開闊條件下,單一導(dǎo)航星座的PDOP值約為3。圖3給出了完整PULSAR星座在各緯度地區(qū)的可見衛(wèi)星數(shù)和各類DOP值累積概率分布,結(jié)果表明,在95%的置信水平下,低、中、高緯地區(qū)分別可見9、13和8顆,GDOP值分別為3.8、2.2和3.6,PDOP值分別為3.5、2.0和3.5,HDOP值分別為1.0、0.8和1.6,VDOP值分別為3.4、1.9和3.4,TDOP值分別為1.3、0.8和1.3。

圖3 不同緯度地區(qū)完整PULSAR星座可見衛(wèi)星數(shù)及DOP值累積概率分布

研究結(jié)果表明,僅第3階段可以滿足全球最小五重以上覆蓋需求,且除赤道以外,可實(shí)現(xiàn)最小六重以上覆蓋,不僅可以提供獨(dú)立PNT服務(wù),還能滿足接收機(jī)自主完好性監(jiān)測的冗余觀測需求,在相同觀測仰角和置信水平下,星座幾何圖形條件可比肩現(xiàn)有的GPS;而第1、2階段無法保證四重覆蓋,僅支持精密授時(shí)和導(dǎo)航增強(qiáng)GNSS服務(wù)體制。

3.2 GNSS天基監(jiān)測能力

圖4給出了單顆低軌衛(wèi)星對(duì)GNSS星座的觀測情況。分析可知,在95%的置信水平下,當(dāng)截止高度角為0°時(shí),GPS、GLONASS、Galileo和北斗可見衛(wèi)星數(shù)分別為9、4、6和8顆,對(duì)應(yīng)的幾何精度因子(GDOP值)分別為2.0、4.5、2.6和2.0;當(dāng)截止高度角為10°時(shí),可見衛(wèi)星數(shù)分別為6、3、4和6顆,對(duì)應(yīng)的GDOP值分別為2.4、/、4.1和3.1。

圖5給出了單顆GPS衛(wèi)星被PULSAR星座的跟蹤情況。分析可知,在95%的置信水平下,第1、2、3階段,分別能夠被5、8和44顆星同步監(jiān)測到。

圖5 單顆GPS衛(wèi)星被不同階段PULSAR星座的跟蹤情況

研究結(jié)果表明,通過在PULSAR低軌衛(wèi)星上配置星載GNSS接收機(jī),接收處理中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),具有以下優(yōu)勢:首先,結(jié)合動(dòng)力學(xué)信息,具備確定自身的精密軌道和鐘差的能力;其次,低軌衛(wèi)星作為天基移動(dòng)監(jiān)測站,采用高中低軌衛(wèi)星“一步法”聯(lián)合定軌,可以提升GNSS衛(wèi)星軌道確定精度;再者,利用多顆低軌衛(wèi)星對(duì)同一顆GNSS衛(wèi)星的冗余觀測,能夠分離出GNSS衛(wèi)星下行信號(hào)偏差,同時(shí)提供GNSS衛(wèi)星完好性監(jiān)測信息。

3.3 星間建鏈情況

PULSAR星座將依靠星間鏈路進(jìn)行通信數(shù)傳,圖6給出了PULSAR星座可能采用的一種星間鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中,紅點(diǎn)表示衛(wèi)星,綠線表示星間鏈路,品紅線為1顆衛(wèi)星與周圍衛(wèi)星的所有星間鏈路。

圖6 PULSAR星座可能采用的星間鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7分別給出了星間鏈路變化特性?？梢钥闯?同軌相鄰衛(wèi)星間的星間鏈路方位角、俯仰角和星間距均保持穩(wěn)定不變,極軌道和傾斜軌道同軌相鄰衛(wèi)星間的距離分別為4513.7km和2269.3km;異軌相鄰衛(wèi)星間的星間鏈路方位角、俯仰角和星間距呈現(xiàn)周期性變化,其中,方位角變化周期為1個(gè)軌道周期,俯仰角和星間距變化周期為半個(gè)軌道周期,極軌道異軌相鄰衛(wèi)星方位角、俯仰角和星間距變化范圍分別為-84.4°～+84.4°、+74.7°～+86.9°和798.7～3863.4km,傾斜軌道異軌相鄰衛(wèi)星方位角、俯仰角和星間距變化范圍分別為-53.4°～+53.4°、74.1°～80.0°和2513.5～3975.3km。

圖7 PULSAR星座星間鏈路變化特性

研究結(jié)果表明,通過簡單的鏈路拓?fù)?即某顆衛(wèi)星與其同軌道面前后相鄰衛(wèi)星以及相鄰軌道面上的左右相鄰衛(wèi)星相互建鏈,能夠保證極軌星座和傾斜軌星座各自內(nèi)部所有衛(wèi)星互聯(lián)互通,在鏈路特性方面,同軌鏈路特征恒定,異軌鏈路具有顯著周期性規(guī)律,因此易于工程實(shí)現(xiàn)。

3.4 掩星事件數(shù)目

如圖8所示,PULSAR星座在其系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中規(guī)劃了掩星探測功能,既包括GNSS衛(wèi)星至低軌衛(wèi)星的掩星觀測,又包括低軌衛(wèi)星至低軌衛(wèi)星的掩星觀測[6,13]。

圖8 PULSAR系統(tǒng)架構(gòu)

圖9和圖10分別給出了15min內(nèi)GNSS-LEO和LEO-LEO掩星事件的空間分布,假設(shè)僅低軌衛(wèi)星前后擋板安裝掩星探測天線,且探測范圍為±45°,分別記錄切點(diǎn)高度在150～500 km和0～150 km的掩星事件為電離層掩星和對(duì)流層掩星。表2給出了掩星事件數(shù)量統(tǒng)計(jì),可以看出:①電離層掩星事件數(shù)量要多于對(duì)流層掩星事件數(shù)量;②低軌星座規(guī)模越大,掩星事件數(shù)量越多,低軌星座規(guī)模擴(kuò)大N倍,則GNSS-LEO掩星事件數(shù)量也近似擴(kuò)大N倍,但LEO-LEO掩星事件數(shù)量會(huì)呈現(xiàn)爆炸式增長。

圖9 15min內(nèi)GNSS-LEO掩星事件分布

圖10 15min內(nèi)LEO-LEO掩星事件分布

表2 15min內(nèi)不同類型掩星事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

研究結(jié)果表明,在低軌巨型星座上配置掩星探測接收機(jī),能夠短時(shí)間內(nèi)獲取大量的GNSS-LEO、LEO-LEO掩星事件,通過對(duì)折射信號(hào)提取分析,能夠反演出電離層電子密度、大氣折射率、溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)電離層和對(duì)流層建模和監(jiān)測,最終可利用精密大氣改正信息輔助精密定位快速收斂。

4 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)與獨(dú)立定位性能

4.1 快速精密定位性能分析

圖11給出了中國九峰測站(30.5°N,114.5°E)上,PULSAR星座增強(qiáng)GPS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位(PPP)性能仿真?？梢钥闯?在厘米級(jí)軌道鐘差產(chǎn)品的支持下,PPP收斂時(shí)間能夠顯著縮短約90%,此處收斂時(shí)間定義為定位精度達(dá)到水平10cm、垂直20cm,且連續(xù)保持5min不超限所需的最短時(shí)間。

圖11 九峰測站上完整PULSAR星座增強(qiáng)GPS動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位性能仿真

研究結(jié)果表明,低軌星座在增強(qiáng)精密定位快速收斂方面存在巨大潛力,可以作為自動(dòng)駕駛時(shí)代精密導(dǎo)航的重要支撐手段。

4.2 獨(dú)立定位性能分析

根據(jù)覆蓋性和幾何圖形條件分析,完整PULSAR星座具備獨(dú)立提供導(dǎo)航定位服務(wù)的能力,在不依賴GNSS星座的條件下,可以依靠地面站和星間鏈路測距完成低軌衛(wèi)星軌道鐘差確定與預(yù)報(bào),提供獨(dú)立的時(shí)空基準(zhǔn)。設(shè)該種場景下的空間信號(hào)精度為1 m,則九峰測站上完整PULSAR星座獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位仿真分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 九峰測站上完整PULSAR星座獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位性能仿真

研究結(jié)果表明,完整PULSAR星座能夠提供獨(dú)立于GNSS的米級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù),一定程度上可作為GNSS的彈性備份手段。

5 結(jié)束語

本文分析了PULSAR星座特性及服務(wù)性能,鑒于低軌衛(wèi)星導(dǎo)航星座在提升PNT核心業(yè)務(wù)性能和彈性備份能力方面起到的重要作用,應(yīng)充分借鑒國外先進(jìn)方案理念,加緊開展低軌導(dǎo)航相關(guān)的設(shè)計(jì)、在軌驗(yàn)證及工程建設(shè)工作,進(jìn)一步提升我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能和國際競爭力。具體建議如下:

(1)低軌導(dǎo)航星座應(yīng)和北斗系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮,采取高中低一體的設(shè)計(jì)思路,以滿足單向無源、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、成本低廉、連續(xù)可靠等用戶體驗(yàn)要求。

(2)低軌導(dǎo)航可按照系統(tǒng)要求分階段開展部署,從具備低軌導(dǎo)航增強(qiáng)功能到具備獨(dú)立導(dǎo)航功能,覆蓋區(qū)域隨著星座的建設(shè)逐步擴(kuò)展。

(3)低軌衛(wèi)星星上可考慮配置高性能星載導(dǎo)航接收機(jī),實(shí)現(xiàn)GNSS的時(shí)空基準(zhǔn)增強(qiáng)、空間天氣監(jiān)測、天基完好性監(jiān)測,以解決我國地面站區(qū)域受限的難點(diǎn),提升系統(tǒng)天基監(jiān)測能力。

(4)國內(nèi)微厘空間等低軌導(dǎo)航系統(tǒng)已開展了在軌驗(yàn)證工作,初步驗(yàn)證了低軌衛(wèi)星對(duì)增強(qiáng)快速精密定位具有積極作用,未來工程建設(shè)還需重點(diǎn)加強(qiáng)信號(hào)收發(fā)隔離、星上時(shí)空誤差在軌標(biāo)定等核心難題的攻關(guān)[14]。