低地球轨道卫星导航当前能力与未来展望

zhangzijun

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当前，低地球轨道星座已能提供强大的定位、导航与授时（PNT）服务，在GPS不可用时作为增强服务的解决方案。低地球轨道导航信号的加入可带来许多好处。比起中轨的“全球导航卫星系统”（GNSS）星座，近距离的低轨卫星有潜力提供更强大的信号。

概述

目前，唯一具有全球覆盖能力的低地球轨道系统是“铱星”星座，主要用于通信服务。对比低轨由66颗卫星组成的“铱星”星座和中地球轨道上由31颗卫星组成的GPS星座发现，两个星座的轨道高度差异非常大（几个地球半径），结果是到达地面的“铱星”信号强度比GNSS信号高出300～2400倍；因此，在GNSS信号受限时，“铱星”信号可作为用于PNT应用的极具吸引力的解决方案。



“铱星”星座

①简介。基于低地球轨道的PNT是现在的主流，“铱星”卫星网络自2016年5月起通过提供实时信号实现这种服务。这种服务被称为“卫星授时与定位”（STL），由Satelles公司与铱星通信公司合作促成，是一种非GNSS解决方案，支持具有高度弹性和物理安全性的可靠授时与定位。



②作用。消费者、企业和政府已在GNSS受到强烈干扰或限制的环境中使用这些基于低地球轨道的信号；这些信号的安全特性还用于对GNSS定位、导航与授时解决方案进行实时、可靠验证，帮助减少潜在欺骗；“铱星”在低地球轨道的较快运行速度使其能够产生远强于GPS的“多普勒”频率信号特征，增强了用于定位应用的STL信号效能。

③试验情况。STL现场试验验证了20米的定位精度和不到1微秒的计时精度，所有试验都在深室衰减环境中进行。在增强GNSS核心星座（例如GPS）方面，这种服务可大幅提高稳健性，还可在许多应用中作为独立备份。



④性能特点。比起中地球轨道GNSS核心星座，“铱星”星座可提供强健的信号，其全球覆盖能力使其成为GNSS受限情况下用于PNT应用的理想方案。“铱星”和GPS的轨道高度分别为780千米和2.02万千米。这种差异对于信号强度和覆盖能力都会产生巨大影响。

未来低地球轨道星座



若要提供堪比GPS的覆盖能力，需部署成百上千颗低地球轨道卫星；而这种星座可能即将实现。2015年1月，OneWeb公司宣布与维珍公司、高通公司建立合作关系，生产由648颗低地球轨道卫星组成的星座，以提供全球宽带互联网；其卫星数量将比“铱星”星座多10倍，标志着下一个量级的星座规模。随后，SpaceX公司在Google公司的支持下宣布了类似的计划，寻求组建由超过4000颗低地球轨道卫星组成的星座。2015年8月，三星公司对组建包含4600颗卫星的低地球轨道星座的提议表达了极大兴趣。2016年6月，波音公司宣布，计划组建包含将近3000颗卫星的低地球轨道星座。这些低地球轨道星座旨在满足对宽带服务日益增长的需要，不会取代地面基础设施。

低地球轨道和中地球轨道星座能力对比



①低地球轨道距地球更近，信号发散损耗更少，到达地面的信号强度更高。

②由于距地球更近，卫星在地面上的覆盖半径更小。GPS卫星覆盖半径比“铱星”大3倍，因而其覆盖范围比“铱星”大9倍。因此，为了在铱星轨道高度实现与GPS相同的覆盖能力，低地球轨道星座卫星数量需要多一个量级。



③GPS卫星每12小时完成一次绕地旋转，而“铱星”仅需100分钟。轨道周期越短，角速度就会越快，卫星也会越快地飞过上空。因为在较短平均时间内反射不再有效保持静态，快速运动可使多通道白化，使其更具随机性。

④几何分布多样性还能产生有效的多普勒定位，对于实现载波相位差分GNSS来说也是十分可取的，允许对整周模糊度进行更快的解算。



“铱星”提供的PNT服务或许预示着未来发展趋势。多种低地球轨道星座即将涌现，例如OneWeb公司计划在21世纪20年代组建超过648颗卫星的星座。“铱星”提供的STL信号将开创一个先例，实现无与伦比的强健导航服务。在星座中，每颗卫星都快速移动并提供所需的几何分布多样性，以实现快速的载波相位差分GNSS。

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来源：GPS世界（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑：闻小玖

审核：朱林烨

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)