面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析

沈利荣，毛 嘉，刘智惟，李 慧，涂志鹏

(1.西安电子科技大学空间科学与技术学院，西安 710126；2.中国航天科技创新研究院，北京 100176；3.北京宇航系统工程研究所，北京 100076)

0 引言

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)能够为全球用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，是国家至关重要的时空基础设施，发挥着无可替代的作用。随着GNSS应用的深入，其自身缺点也逐渐显现，主要有：1)落地信号功率低，频点单一，易受电磁干扰；2)面向开阔环境设计，存在覆盖较差区域，导致精度变差，甚至失效；3)建设和维护成本高等[1-2]。

因此，为满足不同用户、不同时间、不同场景下对导航精度、实时性等更高要求，各类卫星导航增强系统和技术快速发展，例如精密单点定位[3]、实时动态载波相位差分[4]、星基增强系统[5]、地基增强系统[6-7]等。此外，近年来快速发展的低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星星座，尤其是星链、一网等为代表的巨型低轨通信星座，落地功率和接收信号载噪比高、覆盖广、频带宽、源充足、运动速度快、几何构型变化快、各历元观测方程相关性弱，能改善卫星几何分布，且成本低，无需额外的建设投入，可在全球范围内对GNSS提供信息增强和信号增强，有力支撑了卫星导航系统能力的大幅跃升[8]，也使基于低轨星座机会信号的新型自主导航技术发展和实现成为可能[9-10]。

本文面向基于低轨星座机会信号的飞行器自主导航需求，考虑单星座构型和可见星数量往往不能同时满足高精度、高可用性要求，以星链星座和铱星星座为对象，根据公布的铱星、星链星座卫星轨道参数[11]，建模铱星、星链星座模型和混合星座模型，探究铱星、星链及铱星星链混合星座覆盖重数、覆盖率及飞行器飞行过程中对上述星座的可见性，为基于低轨星座机会信号的飞行器自主导航提供数据支撑。

1 星链星座及铱星星座简介

1.1 星链星座

美国太空探索技术公司(SpaceX)计划向近地轨道发射总计约4.2万颗通信卫星，构建星链网络，以提供高质量的互联网服务。2027年之前的计划是在低轨道和极低轨道累计发射大约1.2万颗卫星。其中，4 409 颗卫星位于550～1 325 km轨道高度的低轨道，主要实现全球范围内的无线网络信号覆盖。同时，7 518 颗卫星位于335～346 km 的极低轨道，旨在确保高密度用户地区的服务质量，以防止同一地区的卫星互联网用户过多而导致带宽不足和时延较大的问题。2019年5月至2023年8月，星链已发射近 5 000 颗卫星，正常在轨运行 4 614 颗[12-13]。星链卫星单颗质量约260 kg，卫星寿命5～7年，可搭约100 kg有效载荷，紧凑平板型设计，携带4套相控阵天线系统，单太阳能电池阵供电，自主碰撞规避系统实现自主避碰。工作频段覆盖Ku/Ka/V波段[14]。图1所示为目前星链的在轨覆盖模型。

图1 星链星座覆盖模型Fig.1 Starlink constellation coverage model

目前，星链卫星系统已为部分国家和地区开始提供高速率、低时延、全覆盖的太空互联网服务[15-16]。此外，通过对星链卫星下行信号实测数据研究，已在11.325 GHz、11.575 GHz处检测到了导频信号。通过对该信号的实时处理和估计，可用于对地面及以上空间静/动态目标进行瞬时多普勒定位、定速[17]。

1.2 铱星星座

Bertiger于1987年首次提出了第一代铱星系统，这是美国的第一个卫星移动通信星座系统，通过卫星之间的中继来实现全球通信。该系统由分布在6个轨道面上的66颗近极圆轨道卫星组成，轨道高度为780 km。每个轨道包括11颗卫星和1颗备用卫星，轨道倾角为86.4°，轨道周期为100.13 min。5条同向轨道之间间隔为31.6°，而第6条反向轨道与第1条轨道之间间隔为22°，从而实现了南北两极的全球覆盖。下一代铱星系统由总共81颗卫星组成，其中包括66颗低地球轨道卫星、6颗在轨备份卫星和9颗地面备份卫星，可实现对整个地球的信号覆盖，包括南北两极。在已发射的75颗卫星中，70颗卫星轨道高度为625 km，另外5颗卫星为720 km，平均轨道周期为97 min。这些卫星在近极圆轨道上分为6个轨道面，倾角为86.6°，轨道间的间隔大致相等，每条轨道上均匀分布11颗卫星。其中，5条轨道上的卫星按同一方向飞行，而另外一条轨道上的卫星则以相反方向飞行。具体的轨道分布示意如图2所示。

图2 铱星座覆盖模型Fig.2 Iridium constellation coverage model

铱星星座卫星带宽为1 616.0～1 626.5 MHz。其中，1 616.0～1 626.0 MHz为双工信道(业务信道)。1 626.0～1 626.5 MHz为单工信道为(信令信道)，该信道分为12个信道，每个信道带宽为41.667 kHz，包括4个消息信道和一个振铃警报信道。铱星导频信号位于该单工信道，属于单音信号。对该导频信号进行实时处理和估计，也可对地面及以上空间目标定位、定速[18-21]。

2 星座覆盖性及可见性仿真实验及分析

2.1 飞行器对铱星/星链星座可见性分析

铱星星座6个轨道面，每个轨道面上11颗卫星分布近似均匀相等，且在南北极不同轨道存在交汇，因此铱星星座卫星可见性随纬度变化明显。星链卫星目前大部分集中在中低纬度区域，南北纬60°以上卫星布局相对较少，不同纬度上星链卫星可见星数也差别明显[22-23]。因此，本文重点分析飞行器在不同纬度上对铱星、星链及铱星+星链星座的可见性。设仿真起始时间为4 Apr 2023 00：00：00.000，仿真终止时间为4 Apr 2023 23：59：59.000，飞行器在该时间段内匀速从纬经度(0，0)飞行至(90，0)，采样时间为1 s。飞行器飞行过程中在不同飞行高度(飞行器最小观测仰角25°)、不同飞行器最小观测仰角(飞行高度为100 km)下对星座的可见性分析结果如图3～图5所示。

(a)不同高度可见性

从图中可以看出：1)飞行器可见星数随飞行高度增加而减少。2)飞行器可见星数随飞行器最小观测仰角增大而减少。3)飞行器对铱星星座可见星数目由低纬向高纬逐渐增加，尤其在南北极最大可见星数达6颗。4)飞行器对星链星座可见星数目由低纬向北纬50°逐渐增加，最大可见星接近50颗，北纬50°到北纬60°间可见星数随纬度增加而下降，到北纬60°以上，可见星数部分区域接近0颗。5)星链和铱星星座的融合，增加了飞行器在不同纬度区域的可见星数，尤其在北纬60°以上区域实现了可见星数互补，为飞行器自主定位定速提供了更多的有效数据支撑。

2.2 铱星/星链星座覆盖性分析

2.2.1 全球覆盖性分析

LEO星座卫星对地面及临近空间飞行器的覆盖重数、覆盖率等是飞行器自主定位定速的关键参数。为此，本文分别研究铱星、星链及星链+铱星的覆盖性。

通过这些问题链使学生懂得数学知识是解决实际问题的工具。当然，数学问题的提出要有真实性、实用性、科学性、适应性，要由浅入深、环环相扣，使学生想解决、能解决。

根据轨道高度，设仿真时长为一天(“9 Jun 2023 00：00：00.000 UTCG”至“10 Jun 2023 00：00：00. 000 UTCG”)，保证每颗卫星基本实现回归。分别下载铱星、星链正常运行卫星(铱星66颗，星链4 195颗(截至2023年6月9日))的两行数据(Two-Line Element，TLE)，构建铱星星座模型、星链星座模型及铱星+星链混合星座模型，如图6所示。根据星座部署情况给卫星添加传感器为简单锥体，铱星传感器圆锥角为71.64°，星链传感器圆锥角为44.85°。添加覆盖定义对象并设分析边界为全球，覆盖计算精度为经纬度1°。

(a)铱星星座

首先，分析了星链、铱星及星链+铱星星座在不同纬度覆盖重数，结果如图7所示。

可以看出，铱星星座覆盖重数由高纬度向低纬度逐渐降低，高纬度最大覆盖重数达12，低纬度最小覆盖重数为4。截至2023年6月9日，星链部署及实际运行卫星覆盖重数由低纬向高纬逐渐增大，在南北纬50°时达到最大值后快速下降，最大覆盖重数为56，到南北两极时部分区域覆盖重数已接近为0。铱星和星链的融合，实现了不同纬度区域覆盖重数的相互补充，混合星座全球覆盖重数均大于10，显著优于单星座，增强了对全球区域的多重覆盖。

其次分析了星链、铱星及星链+铱星星座对全球不同纬度覆盖率，结果如图8所示。

可以看出，铱星星座实现了对全球的全覆盖。星链星座在南纬、北纬58°至86°覆盖率可达 80%以上。在南北纬57°间覆盖率达100%。也就是说，星链从发射至今，覆盖区逐渐向两极拓展，但南北两极区域覆盖率还是较差。铱星和星链星座融合，实现了对全球不同纬度的100%覆盖，弥补了星链在南北极地区覆盖率不足的问题。

此外分析了星链、铱星及星链+铱星星座一天内对全球随时间变化的覆盖百分比，结果如图9所示。

(a)铱星星座

可以看出，铱星星座在一天内对全球的覆盖率为100%。而星链一天中最小覆盖百分比为97.7%，最大覆盖百分比为98.9%。铱星和星链星座的融合，实现了对全球不同时刻的100%全覆盖，弥补了星链在不同时间覆盖率不足100%的问题。

2.2.2 典型区域覆盖性分析

(1)中国区域覆盖性分析

本文重点分析陆地区域。仿真条件同全球覆盖性一致。首先，分析星链、铱星及星链+铱星星座在中国区域不同纬度覆盖重数，结果如图10所示。

(a)铱星星座

可以看出，铱星对中国陆地区域覆盖重数由低纬度向高纬度逐渐提升。最小覆盖重数为4，最大覆盖重数可达8。星链对中国陆地区域覆盖重数由低纬向高纬逐渐增大，在北纬50°盖重数最大为47，北纬50°后开始下降，在北纬26°覆盖重数最小为19。铱星和星链星座的融合，实现了对中国陆地区域在不同纬度覆盖重数的相互补充，混合星座覆盖重数均大于20，显著优于单星座。

其次，分析了星链、铱星及星链+铱星星座对中国区域不同纬度覆盖率，结果如图11所示。

(a)铱星星座

可以看出，在中国陆地区域纬度范围北纬19°至北纬53°这个区域，三个星座均可100%覆盖。

进一步分析了星链、铱星及星链+铱星星座一天内对中国区域随时间变化的覆盖百分比，结果如图12所示。

(a)铱星星座

可以看到，3个星座一天中对中国陆地区域覆盖百分比始终保持为100%。

(2)美国区域覆盖性分析

美国领土由美国本土与海外洲组成，本文重点分析美国陆地区域的覆盖性。仿真条件设置同全球覆盖性一致。首先，分析星链、铱星及星链+铱星星座在美国区域不同纬度覆盖重，结果如图13所示。

(a)铱星星座

可以看出，铱星星座对美国陆地区域覆盖重数由低纬度向高纬逐渐提升，最大覆盖重数为12，最小覆盖重数为4。星链星座对美国陆地区域的覆盖重数由低纬向高纬逐渐增大，在北纬49°左右覆盖重数最大为51。在北纬60°左右覆盖重数最小为16。铱星和星链星座的融合，实现了美国陆地区域不同纬度覆盖重数的互补，混合星座覆盖重数大于20，显著优于单星座。

其次，分析了星链、铱星及星链+铱星星座对美国区域不同纬度的覆盖率，结果如图14所示。

(a)铱星星座

可以看出，铱星对美国地区实现了100% 覆盖率。星链在北纬19°至北纬57°范围内可实现100% 覆盖率。在北纬59°处覆盖率最低为78.75%，其余纬度区间内覆盖率优于80%以上。铱星和星链的融合，不同纬度区域覆盖率均达到100%，实现了对星链覆盖率的补充。

最后，分析了星链、铱星及星链+铱星星座一天内对美国区域随时间变化的覆盖百分比，结果如图15所示。

(a)铱星星座

可以看出，铱星对美国地区全天100% 的覆盖。星链对美国地区一天中最小覆盖率为86.6%，最大覆盖率为100%。不难判断，星链星座不久将会实现24 h全区域覆盖。铱星和星链星座的联合使覆盖率达100%，优于星链单星座覆盖率。

3 结束语

本文面向基于LEO星座机会信号的飞行器自主导航需求，考虑单星座构型和可见星数量不能同时满足高精度、高可用性定位要求的问题，以铱星、星链及铱星和星链的混合星座为对象，探究了3类星座的覆盖重数、覆盖率及飞行器飞行过程中对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少，随飞行器最小观测仰角增大而减少，星链和铱星的融合可显著增加纬度60°以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有100%全覆盖；星链目前的覆盖区域逐渐向两极拓展，对全球覆盖重数最大为56，最小为0，未实现全球不同纬度、全时段100%的覆盖率，但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于10，不同纬度、不同时间覆盖率达到100%，显著优于单星座。

综上可见，将多LEO 星座融合，可为目标定位、定速提供可见星数量充足、覆盖重数多、覆盖范围广、频带宽、几何构型优的机会信号数据支撑，可支撑更低延迟、更高精度的导航定位系统。