PULSAR低轨卫星导航星座性能分析研究

2024-03-11张弓马福建聂欣陈秋丽李平张旭王腾

航天器工程 2024年1期

张弓马福建聂欣陈秋丽李平张旭王腾

(1 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 100094)(2 中国星网网络系统研究院有限公司,北京 100029)

社会生产活动的全球化、精细化和智能化迫切需要广域、实时、高精度和高可靠的导航定位服务,然而,当前的全球导航卫星系统(GNSS)不仅存在信号落地功率低、民用信号结构公开易受欺骗等固有的脆弱性、局限性,在广域精密定位方面还存在收敛时间长的难题,无法完全适应新形势、新需求[1]。

与中高轨GNSS卫星相比,低轨卫星离地球近了20～40倍,自由空间损耗减小约30dB,可提供更高功率的信号;其次,相比GNSS卫星数小时的过境时间,低轨卫星划过上空仅数分钟,快速的几何图形变化为精密定位参数快速分离与收敛提供了可行性;低轨卫星信号设计不受当前卫星导航系统约束,可以通过创新的加密和信号认证设计抵御欺骗攻击;配置星载接收机的低轨卫星,可充当天基移动监测站,实现对GNSS卫星的全域精度和完好性监测[1-3]。因此,低轨卫星导航系统有望成为未来导航、定位与授时(PNT)领域的重要支撑力量。

近年来,美欧等多个国家均提出低轨导航星座建设规划,大致概括为3类:第1类是以“铱星”为代表的低轨通导融合星座,星座规模通常较小,约数十颗卫星,主营业务为通信,通过在导航时隙播发加密测距信号,提供独立于GNSS的抗欺骗PNT服务,利用信号落地功率高的优势,解决遮挡环境下的PNT难题,但受限于频率带宽窄的影响,测距精度低[4];第2类是以SpaceX公司的“星链”为代表的低轨宽带互联网星座,星座规模通常巨大,约数百至上万颗卫星,主营业务为通信,星上无需搭载导航增强载荷,仅通过在终端提取通信信号的多普勒频移信息,便能实现多普勒或多普勒+惯导定位,利用定位体制和信号频率与GNSS的差异性及星座规模优势,增强PNT体系顽存性[5];第3类便是以修娜(Xona)公司PULSAR为代表的低轨卫星导航星座,星座规模居中,约100～300颗卫星,主营业务为导航,低轨卫星配置导航载荷,自身下播高精度双频或多频伪码、载波相位测距信号和精密电文,用户通过接收低轨或GNSS+LEO信号进行数据处理,发挥低轨卫星几何图形变化快的优势,可实现全球分米级快速精密定位[6]。现阶段,铱星系统已完成75颗星的二代星座升级,在轨验证结果表明,其播发的定位授时(STL)信号可独立提供全球20～50m定位和亚微秒授时服务[4];截至2023年9月,SpaceX公司已发射5111颗星链卫星,提供在轨服务的卫星数量超4721颗,研究人员基于其通信信号的多普勒频移信息,在800s累计观测和高程计辅助条件下,已实现7.7m的水平独立定位精度[5];未来,随着修娜PULSAR低轨卫星导航星座的建设,能够使导航性能和用户体验提升到全新的高度,显著提升PNT核心业务性能和对GNSS的弹性备份能力,更好地满足智能时代精准时空服务需求,是当前卫星导航领域最热点的方向。

基于此,本文梳理介绍了修娜PULSAR星座的发展目标、建设规划和最新进展,分析了星座设计参数,重点对星座特性和预期定位服务能力进行定量研究,并给出相应的结论,以期为我国低轨卫星导航系统建设提供参考。

1 PULSAR星座发展规划和最新进展

2016年,Reid等人提出全球低轨导航星座建设设想,并成立了修娜公司[1]。2021年,修娜公司公布了其PULSAR星座发展计划,共规划300颗低轨导航卫星,第一阶段包括40颗组网卫星,计划2024年底发射,2025年具备初始运行能力,实现北美、欧洲等地单重覆盖,重点提供精密授时和导航增强GNSS服务;第二阶段将星座扩展至70颗星,填补两极地区的导航服务空白,并增加中低纬度地区可见卫星数量;第三阶段共300颗卫星工作,将提供比肩GPS的卫星可见性和几何图形条件,2027年具备完全运行能力,在全球范围内提供精确安全完好且能独立于GNSS的PNT服务,满足无人化、智能化市场需求[7-8]。

2021年8月,修娜公司成功开展了地面演示验证试验。其将5个信标机置于用户接收机周围的高处,两两相距约45.72m,信标机既能接收GNSS卫星信号用于确定自身位置和钟差,又能通过定向天线向移动用户机播发导航电文和测距信号,用户机同时接收GNSS和信标机信号进行定位解算,通过比较解算结果与真实用户位置偏差评估了定位性能[9]。

2022年5月,作为PULSAR星座的首个技术演示载荷——Huginn,搭乘SpaceX猎鹰9号火箭成功发射,并在L频段和C频段广播双频导航信号[7]。2023年5月,Huginn载荷取得的主要成果对外进行了发布:①成功将LEO的PNT信号由太空传输至地面;②基于自研的软硬件,成功验证了厘米级定位服务的能力;③验证了修娜专用导航数字波形发生器的在轨可编程能力;④验证了使用低成本商用现货(COTS)器件提供卫星导航的能力;⑤确定了在未配备高性能星载原子钟的条件下,使用分布式时钟架构是实现精密PNT的核心手段,其中,分布式时钟架构指利用地面站配置的高性能原子钟,通过多条星地、星间链路实现全星座的时间传递与同步,提供统一时间基准,形成多个地面高性能钟与多颗低轨卫星低成本钟相结合的架构[10]。

此外,修娜公司与海克斯康、诺瓦泰、思博伦等业界知名企业就接收机和信号模拟器研制方面展开了密切合作,前瞻布局用户接收机和低轨市场应用[11]。

随着PULSAR星座作为一个新型卫星导航系统的地位凸显,2023年8月,修娜公司先后与美国空军研究实验室、美国太空军、洛克希德·马丁公司签署了合作协议,将PULSAR纳入到美国国家空间安全架构中,增强卫星导航系统的弹性[11-12]。

考虑到PULSAR星座可能对未来卫星导航和低轨星座领域发展产生深远的影响,有必要根据其建设目标和发展策略,研究其星座设计和服务性能。

2 星座设计参数分析

目前修娜公司公开发布的关于PULSAR星座构型的材料仅包括不同阶段的卫星总数、轨道高度两项量化指标[6],以及不同阶段的星座概念图[7],本文在仔细研究的基础上,分析得出其可能采用的配置参数如表1所示:阶段1将建设Walker-δ 40/4/1∶875∶55倾斜轨道低轨星座;阶段2将补充Walker-Star 30/3/1∶925∶89极轨道低轨星座,与倾斜轨星座形成混合星座;阶段3将在前一阶段基础上进一步扩展轨道面数和每个面卫星数,形成Walker-δ 240/12/2∶875∶55与Walker-Star 60/6/1∶925∶89的完整混合星座。

表1 不同阶段的PULSAR星座可能采用的配置参数

根据表1星座参数绘制出的星座三维构型如图1所示,与官方公布的星座概念图具有高度一致性,证明了本文星座设计参数分析的合理性,可作为星座特性分析和定位性能分析的基础。

图1 不同阶段的PULSAR星座三维构型

3 星座特性研究

卫星星座是指具有相似类型和功能的多颗卫星,分布在相似或互补的轨道上,在共享控制下协同完成指定任务。星座特性好坏,直接影响系统服务性能。本节将从对地覆盖特性、GNSS天基监测性能、星间建链情况、掩星事件数目等分析各阶段星座特性。

3.1 对地覆盖特性

对地覆盖重数是最重要的导航星座指标,既关系到服务精度、完好性、连续性和可用性,又决定了服务体制。图2显示了不同阶段的PULSAR星座在各纬度地区的覆盖,截止卫星高度角设为5°。可以看出,在第1、2和3阶段,全球分别平均可见1.4、3.4和12.7颗星,其中,低纬度地区分别平均可见1.6、2.5和11.2颗星,中纬度地区分别平均可见2.2、3.7和16.2颗星,高纬度地区分别平均可见0.6、4.2和10.8颗星。

图2 不同纬度地区星座对地覆盖情况

另一项重要指标是星座几何图形条件,其与用户测距误差能够共同决定用户定位授时精度,一般由精度因子(DOP值)反映,具体包括几何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)和时间精度因子(TDOP),DOP值越小,意味着几何图形条件越优、定位授时精度越高。通常开阔条件下,单一导航星座的PDOP值约为3。图3给出了完整PULSAR星座在各纬度地区的可见卫星数和各类DOP值累积概率分布,结果表明,在95%的置信水平下,低、中、高纬地区分别可见9、13和8颗,GDOP值分别为3.8、2.2和3.6,PDOP值分别为3.5、2.0和3.5,HDOP值分别为1.0、0.8和1.6,VDOP值分别为3.4、1.9和3.4,TDOP值分别为1.3、0.8和1.3。

图3 不同纬度地区完整PULSAR星座可见卫星数及DOP值累积概率分布

研究结果表明,仅第3阶段可以满足全球最小五重以上覆盖需求,且除赤道以外,可实现最小六重以上覆盖,不仅可以提供独立PNT服务,还能满足接收机自主完好性监测的冗余观测需求,在相同观测仰角和置信水平下,星座几何图形条件可比肩现有的GPS;而第1、2阶段无法保证四重覆盖,仅支持精密授时和导航增强GNSS服务体制。

3.2 GNSS天基监测能力

图4给出了单颗低轨卫星对GNSS星座的观测情况。分析可知,在95%的置信水平下,当截止高度角为0°时,GPS、GLONASS、Galileo和北斗可见卫星数分别为9、4、6和8颗,对应的几何精度因子(GDOP值)分别为2.0、4.5、2.6和2.0;当截止高度角为10°时,可见卫星数分别为6、3、4和6颗,对应的GDOP值分别为2.4、/、4.1和3.1。

图5给出了单颗GPS卫星被PULSAR星座的跟踪情况。分析可知,在95%的置信水平下,第1、2、3阶段,分别能够被5、8和44颗星同步监测到。

图5 单颗GPS卫星被不同阶段PULSAR星座的跟踪情况

研究结果表明,通过在PULSAR低轨卫星上配置星载GNSS接收机,接收处理中高轨导航卫星观测数据,具有以下优势:首先,结合动力学信息,具备确定自身的精密轨道和钟差的能力;其次,低轨卫星作为天基移动监测站,采用高中低轨卫星“一步法”联合定轨,可以提升GNSS卫星轨道确定精度;再者,利用多颗低轨卫星对同一颗GNSS卫星的冗余观测,能够分离出GNSS卫星下行信号偏差,同时提供GNSS卫星完好性监测信息。

3.3 星间建链情况

PULSAR星座将依靠星间链路进行通信数传,图6给出了PULSAR星座可能采用的一种星间链路拓扑结构,其中,红点表示卫星,绿线表示星间链路,品红线为1颗卫星与周围卫星的所有星间链路。

图6 PULSAR星座可能采用的星间链路拓扑结构

图7分别给出了星间链路变化特性。可以看出,同轨相邻卫星间的星间链路方位角、俯仰角和星间距均保持稳定不变,极轨道和倾斜轨道同轨相邻卫星间的距离分别为4513.7km和2269.3km;异轨相邻卫星间的星间链路方位角、俯仰角和星间距呈现周期性变化,其中,方位角变化周期为1个轨道周期,俯仰角和星间距变化周期为半个轨道周期,极轨道异轨相邻卫星方位角、俯仰角和星间距变化范围分别为-84.4°～+84.4°、+74.7°～+86.9°和798.7～3863.4km,倾斜轨道异轨相邻卫星方位角、俯仰角和星间距变化范围分别为-53.4°～+53.4°、74.1°～80.0°和2513.5～3975.3km。

图7 PULSAR星座星间链路变化特性

研究结果表明,通过简单的链路拓扑,即某颗卫星与其同轨道面前后相邻卫星以及相邻轨道面上的左右相邻卫星相互建链,能够保证极轨星座和倾斜轨星座各自内部所有卫星互联互通,在链路特性方面,同轨链路特征恒定,异轨链路具有显著周期性规律,因此易于工程实现。

3.4 掩星事件数目

如图8所示,PULSAR星座在其系统架构设计中规划了掩星探测功能,既包括GNSS卫星至低轨卫星的掩星观测,又包括低轨卫星至低轨卫星的掩星观测[6,13]。

图8 PULSAR系统架构

图9和图10分别给出了15min内GNSS-LEO和LEO-LEO掩星事件的空间分布,假设仅低轨卫星前后挡板安装掩星探测天线,且探测范围为±45°,分别记录切点高度在150～500 km和0～150 km的掩星事件为电离层掩星和对流层掩星。表2给出了掩星事件数量统计,可以看出:①电离层掩星事件数量要多于对流层掩星事件数量;②低轨星座规模越大,掩星事件数量越多,低轨星座规模扩大N倍,则GNSS-LEO掩星事件数量也近似扩大N倍,但LEO-LEO掩星事件数量会呈现爆炸式增长。

图9 15min内GNSS-LEO掩星事件分布

图10 15min内LEO-LEO掩星事件分布

表2 15min内不同类型掩星事件数量统计结果

研究结果表明,在低轨巨型星座上配置掩星探测接收机,能够短时间内获取大量的GNSS-LEO、LEO-LEO掩星事件,通过对折射信号提取分析,能够反演出电离层电子密度、大气折射率、温度、湿度和气压数据,实现电离层和对流层建模和监测,最终可利用精密大气改正信息辅助精密定位快速收敛。

4 低轨导航增强与独立定位性能

4.1 快速精密定位性能分析

图11给出了中国九峰测站(30.5°N,114.5°E)上,PULSAR星座增强GPS动态精密单点定位(PPP)性能仿真。可以看出,在厘米级轨道钟差产品的支持下,PPP收敛时间能够显著缩短约90%,此处收敛时间定义为定位精度达到水平10cm、垂直20cm,且连续保持5min不超限所需的最短时间。

图11 九峰测站上完整PULSAR星座增强GPS动态精密单点定位性能仿真

研究结果表明,低轨星座在增强精密定位快速收敛方面存在巨大潜力,可以作为自动驾驶时代精密导航的重要支撑手段。

4.2 独立定位性能分析

根据覆盖性和几何图形条件分析,完整PULSAR星座具备独立提供导航定位服务的能力,在不依赖GNSS星座的条件下,可以依靠地面站和星间链路测距完成低轨卫星轨道钟差确定与预报,提供独立的时空基准。设该种场景下的空间信号精度为1 m,则九峰测站上完整PULSAR星座独立标准单点定位仿真分析结果如图12所示。