利用宽带低地球轨道（LEO）星座的导航

　目前，人们对建立新的规模化的低地球轨道（LEO）卫星星座重新产生了兴趣。他们的目标是为世界提供互联网服务,计划可能提供数千颗卫星。在这里将介绍如何利用这些低地球轨道星座进行导航。

 

　　在离地球更近的地方,也就是在LEO上提供更强的信号, 有助于增强服务能力，从而免受和少受干扰，并且在室内和城市环境中也能实现导航定位。把轨道高度降低也有其弱点, 每颗卫星信号在地球上的足迹（覆盖范围）变小, 需要更多的卫星才能够提供全球覆盖。事实表明, 宽带低地球轨道星座的强项是在它们的数量, 与如今的中地球轨道（MEO）导航星座相比, 它们在卫星几何结构放大因子方面提供了三倍的改进。这样可以降低空间信号用户距离误差, 因此仍然可以与GNSS的定位精度相媲美。再加上低地球轨道比中地球轨道GNSS具有更良性的辐射环境, 这使得导航有效载荷的设计可使用业已商业化的元组件。这是世界知名杂志《Navigation》今年发表的一篇文章，题目为“宽带低地球轨道（LEO）星座用于导航”，正面接触导航这个命题，而不仅仅是导航的增强。这里涉及到政府的作用，面对导航与通信融合的卫星星座，这样空间基础设施，政府的力量将是巨大的。需要进行统筹考虑，现在这种甚嚣尘上的所谓商业航天，大多是无序的商业噱头，应该加强统一规划部署，把市场的力量加以引导。

 

　　随着智能手机的到来, 现在全世界有超过60亿台利用GNSS的设备，这个数量在2020年就达到80亿台。这些卫星导航系统不仅提供了代表我们手机位置所在点, 还支持我们的关键基础设施的定时同步功能。美国国土安全部 (DHS) 指出, 美国所有的16个关键基础设施领域都依赖GPS, 其中在14个领域GPS拥有关键作用。

 

　　随着自主系统，或者说是自动化系统的兴起, 我们对GNSS的依赖只会越来越大。随着我们越来越依赖这项技术, 我们就会进一步受到它的脆弱性限制。GNSS的主要缺点是信号强度弱小。GNSS在一定程度上是专为开阔空间工作设计的，在深度衰减环境中信号接收会受到严重限制, 在城市峡谷或建筑物室内几乎没有或根本不可能提供服务。此外, GNSS信号容易受到干扰, 只要有20瓦的GNSS干扰器可以轻松地阻断在一个城市街区的GNSS导航定位服务。

 

　　与离开地面20000公里左右遥远的GNSS星座相比，低地球轨道（LEO）星座的邻近性能提供比中地球轨道（MEO）上的全球导航卫星系统更强的信号。如今, 唯一覆盖全球的低地球轨道系统是主要用于通信的铱星星座。但是，它的定位精度和连续性、可用性存在问题，只能够做导航的某些增强应用。

 

　　图1显示了目前具有31个工作卫星的全球定位系统（GPS）星座, 与66颗卫星的铱星网络形成鲜明对比。距离的差异 (几个地球半径)的尺度是惊人的。其结果是, 在GNSS受到阻碍的定位、导航和授时(PNT)应用中, 在地面上，低地球轨道卫星信号的强度将是GNSS信号的300至2400倍, 因此具有明显吸引力。为了利用这一优势, 2016年5月通过铱星星座开始提供PNT服务，这项被称为“卫星时间和位置(STL)”的服务是由卫星与铱星通信公司合作提供的, 消费者、企业和政府已经在GNSS干扰程度较高而导致信号阻塞的环境中使用这些基于LEO星座的信号。从而增强了GNSS星座的鲁棒性, 还允许在许多授时应用中进行独立备份。

 

　　
图1. GPS星座与铱星星座

 

　　虽然低地球轨道星座由于离地球近得多，所以能够提供信号强度更加强劲的信号, 它的缺点是覆盖范围比较小。离地球更近意味着卫星的足迹要小得多。尽管铱星星座的卫星数量是GPS的两倍, 但在赤道区域,导航用户通常只能看到1颗低地球轨道卫星,而在此同时用户从地面上可以看到10颗GPS卫星。为了达到与在铱星高度上，看到相同与GPS相同的覆盖范围,它需要增加一个数量级以上的卫星。

 

　　与GPS覆盖相匹配的低地球轨道星座所需的数百颗卫星，这种局面可能即将到来。2014年底和2015年初, 国际电信联盟 (ITU) 报告了用于低地球轨道大星座的频谱分配达6个最多。2015年1月,OneWeb宣布与维珍和高通建立合作伙伴关系, 准备建立由648颗低地球轨道卫星组成的星座, 在全球范围内提供宽带互联网服务。在这一公告发布后的几天后, SpaceX 在谷歌的支持下, 宣布了要建立由 4, 000多颗低地球轨道卫星组成的类似星座。2015年8月, 三星表示有兴趣提出一项由 4, 600个卫星组成的低地球轨道星座的提案。波音公司于2016年6月加入这个竞争比赛, 宣布了一个近3000个低地球轨道星座的计划。这些新的低地球轨道星座被提出来应用，其目的是跟上不断增长的宽带需求。

 

　　
图2. 648颗卫星构成的OneWeb星座图3. 2956颗卫星构成的波音星座

 

　　从更加人道主义的角度来说, 这些低地球轨道星座将给至今还没有基础设施的地区（占有54%人口覆盖），将带来互联网访问接入的可能。在这项工作中, 人们研究了如何利用宽带低地球轨道星座进行导航。其中将重点研究卫星导航有效载荷设计驱动因素, 以及如何利用现有技术实现这些驱动。焦点将主要集中在空间部分, 不过还将讨论地面部分、用户设备、频谱分配和信号设计等方面。由于最终可能会有几种架构, 我们验证的主要组成部分, 使每个航天器都能以低于传统成本的价格充当导航卫星。这可以采取托管有效载荷的形式, 也可以是更综合的设计。托管有效载荷可能类似于政府所采取的路线, 效仿美国联邦航空管理局 (FAA)例子, 将广域增强系统 (WAAS) 作为托管有效载荷放在在商业卫星上。另一种可能是星座提供商提供导航即服务。这里的机会可能是利用自动驾驶车辆和连接系统（车联网）的导航需求协同作用。宽带低地球轨道星座的优势在于它们的数量, 与今天的GNSS导航星座相比, 它们在卫星几何结构因子方面有三倍的改进。这样可以降低空间用户距离误差 (SIS URE), 同时仍然匹敌GPS的位置精度。再加上与MEO相比, 低地球轨道的辐射环境更为良性, 这使得使用商用现成 (COTS) 组件设计的导航有效载荷成为可能。还探讨了在卫星上使用芯片级原子钟 (CSAC) 来实现精确的定时。并且也验证GPS星历表信息在低地球轨道描述中的使用情况。此外, 还讨论了全星座轨道的确定方法。将空间部分的这些元素组合在一起, 以显示可实现的精度。

 

　　OneWeb、SpaceX、波音和其他公司的宽带低地球轨道星座代表了一个重大的范式转变。这种数量空前的新空间基础设施，可使在轨运行卫星的数量增加十倍。在这里, 我们研究了如何利用这些星座作为一个平台, 提供导航服务, 重点是赋能空间部分。

 

　　LEO星座这种数量上的优势是关键, 因为它允许降低空间信号用户距离误差 (SIN URE), 同时仍然与GPS的定位精度相媲美。这一点, 再加上与MEO相比, 低地球轨道的辐射环境更为良性, 从而实现了使用商用现成 (COTS) 组件设计的导航有效载荷。关于信号结构、频率分配、用户设备、地面部分, 以及谁将在第一时间提供此类服务, 仍然存在问题。低地球轨道由政府主管有效载荷可能会在地面引发更多的信号, 并提高PNT基础设施的弹性。宽带低地球轨道星座提供商，还可以利用自动驾驶车辆这一类导航需求的互联系统协同作用, 将导航作为一项服务加以提供。

 

　　这些低地球轨道星座所使用的频率，仍具有不确定性，因为其中有些类似或相同频段的频率已经由国际电联分配给不同的系统所用。这同样也导致了用户设备的不确定性, 这些因素结合在一起是未来工作的一个重要领域。增加低地球轨道导航卫星将为用户提供许多好处。低地球轨道航天器在头顶上飞行的速度更快, 数分钟就越过视野，而不会像MEO那样，每次过境飞行的时间往往超过几个小时。这样就会造成更多的多路径抑制, 因为反射信号不再是稳定存在, 因为平均时间较短。也许最重要的是, 低地球轨道的优势是比MEO中的核心星座更接近地球, 路径损耗更小, 传输的信号强度与中轨卫星信号相比要高1, 000倍 (30 分贝)。这使得它们在城市峡谷和室内等深度衰减环境中更有弹性, 更有能力承受干扰。