基于平流层飞艇的GNSS导航增强系统设计与应用前景

文|张伟 潘丽静 张爽娜

航天恒星科技有限公司

一、前言

随着卫星导航技术的发展，GNSS可以为用户提供全球覆盖的、高精度的导航定位服务，但在实际应用中卫星导航的脆弱性也表现得十分明显。一方面GNSS导航信号的传播速度和方向在经过电离层时会发生改变，由此会在GNSS导航信号的测量中因为电离层的存在而带来延迟误差[1]；另一方面卫星轨道高度较高，到达地面时已经非常微弱，容易受到自然和人为的电磁干扰，特别是在远海、陆上偏远地区、城市峡谷等，其服务精度、可用性、信号的连续性及完好性等方面都不能满足导航用户对于导航的应用需求[2]。因此，业界开始寻找其他有效的导航平台。

从20世纪末以来，全球很多国家开始了平流层飞艇的研究工作，发展较快的有日本平流层飞艇、美国JP公司的“攀登者”飞艇以及英国的平流层飞艇StratSat等。随着平流层飞艇的不断发展，其在通信、导航等领域的地位逐渐被人们重视。考虑到平流层飞艇生存环境平稳、信号质量良好、体积大负荷能力强、机动性好、费效比高等优势[3-4]，因此可以把基于平流层飞艇的GNSS导航增强系统作为卫星导航定位系统的一个有效备份和补充系统。

二、平流层飞艇的特点分析

地球表面的大气层随着高度的变化具有不同的特性，可分为对流层、平流层和电离层。

1）对流层从地球表面一直伸展到8km的高空，具有气象变化复杂的特点，包括大气层越高温度越低、空气水平和垂直对流活跃、温度和湿度等分布不均匀导致雨、雪、云、雾、雹、霜、露等复杂多变的天气现象。

2）平流层是指从8～50km的高空，又称“同温层”。与对流层不同，平流层中气流主要表现为水平方向的微弱运动，天气晴朗无云，气候平稳，电磁传播性能良好，因此在平流层进行区域导航、通信、预警等具有得天独厚的优势。

3）电离层是指从50km一直伸展到约1000km的大气区域，其中的大气层都处于部分电离或者完全电离的状态，电离层中存在大量的自由离子和电子能使无线电波改变传播方向和速度。

平流层飞艇是一种利用轻于空气的气体（如氦气）作为升力的浮空器，依靠空气浮力驻留在平流层。利用平流层飞艇建设导航增强平台，相比导航卫星具有以下优势[5-7]。

1）长期定点驻空：平流层内空气流动相对较小，柔和的风力适合飞艇长期驻留空中，发射准静态信号。

2）信号落地功率高：平流层飞艇与地球表面的距离一般在20km左右，自由空间损耗较小，其播发的导航信号落地功率高，具有信号功率增强的特性。

3）无电离层影响：平流层飞艇飞行在平流层，这样飞艇播发的导航信号经过平流层和对流层后直接到达地面，不存在电离层延迟误差对导航信号的影响。

4）负荷能力大：平流层飞艇机体尺寸较大，负荷能力强，可以同时搭载不同的有效载荷，建立集导航电子对抗、通信指挥、侦察监视、预警探测于一体的综合服务系统。

5）机动性好：平流层飞艇具有较好的机动性（机动速度可达100km/h左右），所需的地面设备少，易于更新和维护平台，因此平流层飞艇更机动灵活。

6）易于快速部署：与导航卫星相比，平流层飞艇更加方便发射和维护管理，卫星发射前需要做大量的准备工作，发射过程本身也十分复杂繁琐，平流层飞艇无需专门的发射工具，只需要简单的地面设备发射（例如飞机），可以快速发射组网。

7）可重复使用：平流层飞艇有利于环境保护，可以回收利用，失效后不像卫星那样变成太空垃圾。

鉴于平流层飞艇的以上优势，利用平流层飞艇建设GNSS导航增强系统，使其成为卫星导航定位系统的一个有效的备份和补充系统，对于有效解决地面终端导航可用性问题，尤其是干扰条件下的可用性具有重要意义。

三、基于平流层飞艇的GNSS导航增强系统设计

1.系统组成

随着卫星导航系统在指挥控制、战场机动、火力协同、战场救援和精确打击等军事领域的广泛应用，GNSS系统的脆弱性也在逐渐突显。特别是在丛林、城市峡谷以及复杂电磁环境下，GNSS导航信号存在信号易丢失、难捕获、抗干扰能力弱、定位时间长、难以保证导航服务精度等问题。

为了克服GNSS导航信号的脆弱性，有效提高导航系统的可靠性和服务精度，本文设计了一种基于平流层飞艇的导航增强系统。该系统主要包括可视GNSS卫星、若干平流层飞艇、地面测控站以及地面导航增强用户终端（图1）。

图1 基于平流层飞艇的GNSS导航增强系统

其中，GNSS卫星播发卫星导航信号，平流层飞艇搭载导航增强有效载荷，发射导航增强信号，地面测控站负责对平流层飞艇进行测控，地面导航增强用户终端通过接收GNSS信号和飞艇的导航增强信号完成自身的导航增强定位服务。

2.工作原理

平流层飞艇搭载导航增强有效载荷，播发类GNSS导航信号，包括测距码和导航电文，这样飞艇在平流层漂浮，充当伪卫星的角色，天然地与GNSS卫星组网。平流层飞艇通过接收GNSS导航信号完成定位解算，获取自身的位置信息和可视卫星的电文信息。一方面，向地面播发高功率的导航增强信号，包括飞艇的测距码、飞艇的位置信息，实现信号功率增强，另一方面转发可视GNSS卫星的电文信息，实现信息增强。

地面用户终端接收飞艇的导航增强信号，通过对功率增强的导航信号进行测距、电文解调，获取转发的GNSS卫星的电文信息。考虑到某些GNSS频点的导航信号包含数据通道和与其正交的导频通道两部分，导频通道没有数据调制，因此可以在外部辅助条件下通过对导频通道的周期信号进行累加提高信噪比来进行检测。本文设计利用转发的GNSS可视星的电文信息，辅助完成弱信号GNSS导航信号的接收处理，实现GNSS接收灵敏度的提升。

3.工作模式

针对GNSS信号在遮挡以及电磁干扰环境下，出现的信号较弱无法正常捕获，可见星少于4颗无法正常定位，甚至严重情况下GNSS完全不可用等问题，本文设计了电文增强、星座增强和系统增强三种工作模式用于解决以上问题。

当GNSS导航信号良好时，GNSS信号进行正常工作；当GNSS信号较弱无法检测时，利用飞艇的辅助电文信息进行高灵敏定位，实现信号功率与增强信息增强；当GNSS可视星小于4颗无法定位，选取若干飞艇与GNSS卫星联合组网，进行联合定位，实现星座增强；当GNSS完全不可用时，飞艇可以独立组网完成导航定位服务，实现系统增强，作为GNSS的有效备份。平流层飞艇导航增强系统工作流程见图2。

图2 平流层飞艇导航增强系统工作流程

（1）电文增强模式

当GNSS信号被遮挡或者受干扰条件下，信号信噪比较低，普通的用户终端无法正常检测到导航信号。此时可以通过平流层飞艇播发的导航增强信息辅助完成低信噪比信号的检测。该模式下地面终端接收到平流层飞艇的导航增强信号，获取飞艇的位置信息，同时测量来波方向可以粗略估算自身位置。然后根据转发的GNSS的星历信息获取卫星的位置，这样就可以推算GNSS发射时间，进而可以得出GNSS卫星导航信号的码相位的粗略位置，用于辅助周期信号的长时间累加提高信噪比。利用平流层飞艇的电文辅助可以有效提高GNSS信号的接收灵敏度和干扰条件下的抗干扰能力。

（2）星座增强模式

在遮挡环境下，GNSS可视星数量少于4颗，不能满足GNSS导航信号的定位需求。在该场景下，将平流层飞艇作为“伪卫星”，播发导航信号，与GNSS可视卫星联合组网，提供导航定位服务，实现GNSS的星座增强。利用平流层飞艇与其他可视GNSS 卫星组成“T_GNSS系统”，作为GNSS系统的补充手段，提高GNSS系统的可用性。

（3）系统增强模式

在GNSS拒止条件下，所有的GNSS卫星不可用，此时可以利用平流层飞艇进行独立组网，平流层飞艇的数量至少4艘即可向目标用户提供区域导航定位授时服务，实现导航系统增强。利用平流层飞艇建设导航增强系统，可以作为战区电磁干扰等GNSS拒止条件下的导航备份手段。

四、平流层飞艇在导航领域的应用前景

通过理论分析表明，基于平流层飞艇的导航增强系统，可以有效提高导航服务的精度、抗干扰性和可用性，满足导航用户对导航的应用需求（图3）。

图3 平流层飞艇在导航领域的应用

（1）在单兵装备中的应用

单兵装备在丛林、沟壕、洞库、城市繁华街区等应用场景，面临导航军用信号易丢失、再捕获困难，功耗加大、电池寿命缩短等问题。这类问题不仅限于单兵装备，也是军用物资运输车辆、轻型步兵作战车辆、小型军用无人机等导航轻装备面临的共同问题。轻装备一般装备小型无人机、物资运输车辆、轻型战车等轻型平台和用于单兵手持导航。该类装备复杂电磁环境适应性有限，但体积功耗较小，价格相对低廉，无法使用复杂的导航系统。因此，轻装备可作为平流层飞艇导航增强一类重要的应用对象。

（2）在远海军事作战中的应用

在远洋作战中，失去岸基无线导航系统的交叉备份参考，远洋舰船迫切希望导航系统能够提供可靠的、可信的、可参照比较的导航定位服务。相比于定位精度的提高，更期待完好性的保障[8]。不仅远洋舰船有这样的军事需求，灾难救援等非战争军事行动同样也有这样的军事需求。平流层飞艇具有操纵简便灵活、飞行速度快、发射时间短等特点，可以在远海上空快速部署，通过多个平流层飞艇组网，构成专用的战区级导航定位系统，为远海军事行动提供全时段、自主可控、可信赖和无线电隐蔽的导航手段。

（3）在导航电子对抗战中的应用

随着导航定位技术的发展，导航电子对抗技术已经成为电子对抗领域的一个重要发展方向。导航战是由美军首先提出的作战理论，是针对卫星导航定位系统而进行的，其作战目的是在交战中保证己方充分利用导航定位系统阻止对方使用导航定位系统并最大限度地降低干扰措施对民用用户的影响。将集导航、通信、预警侦察等功能于一体的平流层飞艇作为导航电子对抗平台，对于提高军队的电子对抗能力具有重要的意义，体现在：1）进行导航侦察：平流层飞艇高度适中，便于利用艇载导航电子侦察装备进行搜索、截获、识别、定位和分析空中辐射的电磁能量，以掌握敌方辐射源的技术特性、威胁程度和兵力部署变动等情报[9]。2）进行导航攻击：利用平流层飞艇发射高功率的电磁能或定向能扰乱、削弱、破坏、摧毁敌方导航系统、导航电子设备及相关武器或人员作战效能所采取的各种战术技术措施和行动。3）进行导航抗干扰：利用平流层飞艇发射导航增强信号，辅助GNSS提高卫星导航的抗干扰能力，成为GNSS导航系统的补充和备份手段。

（4）在有效载荷试验中的应用

卫星有效载荷一般选择高山、高塔、飞机等场地进行搭载试验，上述试验环境与有效载荷的空间飞行环境差别太大，不能模拟真实环境；此外，试验平台的高度低、导致信号的覆盖范围小，影响试验效果。而平流层飞艇平台可提供平稳的飞行条件，平台环境更加接近真实的空间环境；另外，平流层飞艇负荷能力大，可以同时搭载多个有效载荷，一次飞艇发射可以同时进行多个有效载荷的搭载试验，节约成本。

五、结论

本文针对GNSS卫星导航信号脆弱性的问题，提出了一种基于平流层飞艇的GNSS导航增强系统设计方案。首先，详细分析了平流层飞艇相比卫星平台的优势，明确了系统的组成、工作原理，并针对目前GNSS存在的问题设计了三种导航增强的工作模式，然后阐述了平流层飞艇在导航领域的应用前景。通过理论分析表明建立基于平流层飞艇的导航增强系统，能够有效提高GNSS导航服务的精度和可用性。目前只是完成了系统级设计，后续将进一步研究如何将系统设计方案进行工程化实现。