基于平流層飛艇的GNSS導航增強系統設計與應用前景

文|張偉 潘麗靜 張爽娜

航天恒星科技有限公司

一、前言

隨著衛星導航技術的發展，GNSS可以為用戶提供全球覆蓋的、高精度的導航定位服務，但在實際應用中衛星導航的脆弱性也表現得十分明顯。一方面GNSS導航信號的傳播速度和方向在經過電離層時會發生改變，由此會在GNSS導航信號的測量中因為電離層的存在而帶來延遲誤差[1]；另一方面衛星軌道高度較高，到達地面時已經非常微弱，容易受到自然和人為的電磁干擾，特別是在遠海、陸上偏遠地區、城市峽谷等，其服務精度、可用性、信號的連續性及完好性等方面都不能滿足導航用戶對于導航的應用需求[2]。因此，業界開始尋找其他有效的導航平臺。

從20世紀末以來，全球很多國家開始了平流層飛艇的研究工作，發展較快的有日本平流層飛艇、美國JP公司的“攀登者”飛艇以及英國的平流層飛艇StratSat等。隨著平流層飛艇的不斷發展，其在通信、導航等領域的地位逐漸被人們重視。考慮到平流層飛艇生存環境平穩、信號質量良好、體積大負荷能力強、機動性好、費效比高等優勢[3-4]，因此可以把基于平流層飛艇的GNSS導航增強系統作為衛星導航定位系統的一個有效備份和補充系統。

二、平流層飛艇的特點分析

地球表面的大氣層隨著高度的變化具有不同的特性，可分為對流層、平流層和電離層。

1）對流層從地球表面一直伸展到8km的高空，具有氣象變化復雜的特點，包括大氣層越高溫度越低、空氣水平和垂直對流活躍、溫度和濕度等分布不均勻導致雨、雪、云、霧、雹、霜、露等復雜多變的天氣現象。

2）平流層是指從8～50km的高空，又稱“同溫層”。與對流層不同，平流層中氣流主要表現為水平方向的微弱運動，天氣晴朗無云，氣候平穩，電磁傳播性能良好，因此在平流層進行區域導航、通信、預警等具有得天獨厚的優勢。

3）電離層是指從50km一直伸展到約1000km的大氣區域，其中的大氣層都處于部分電離或者完全電離的狀態，電離層中存在大量的自由離子和電子能使無線電波改變傳播方向和速度。

平流層飛艇是一種利用輕于空氣的氣體（如氦氣）作為升力的浮空器，依靠空氣浮力駐留在平流層。利用平流層飛艇建設導航增強平臺，相比導航衛星具有以下優勢[5-7]。

1）長期定點駐空：平流層內空氣流動相對較小，柔和的風力適合飛艇長期駐留空中，發射準靜態信號。

2）信號落地功率高：平流層飛艇與地球表面的距離一般在20km左右，自由空間損耗較小，其播發的導航信號落地功率高，具有信號功率增強的特性。

3）無電離層影響：平流層飛艇飛行在平流層，這樣飛艇播發的導航信號經過平流層和對流層后直接到達地面，不存在電離層延遲誤差對導航信號的影響。

4）負荷能力大：平流層飛艇機體尺寸較大，負荷能力強，可以同時搭載不同的有效載荷，建立集導航電子對抗、通信指揮、偵察監視、預警探測于一體的綜合服務系統。

5）機動性好：平流層飛艇具有較好的機動性（機動速度可達100km/h左右），所需的地面設備少，易于更新和維護平臺，因此平流層飛艇更機動靈活。

6）易于快速部署：與導航衛星相比，平流層飛艇更加方便發射和維護管理，衛星發射前需要做大量的準備工作，發射過程本身也十分復雜繁瑣，平流層飛艇無需專門的發射工具，只需要簡單的地面設備發射（例如飛機），可以快速發射組網。

7）可重復使用：平流層飛艇有利于環境保護，可以回收利用，失效后不像衛星那樣變成太空垃圾。

鑒于平流層飛艇的以上優勢，利用平流層飛艇建設GNSS導航增強系統，使其成為衛星導航定位系統的一個有效的備份和補充系統，對于有效解決地面終端導航可用性問題，尤其是干擾條件下的可用性具有重要意義。

三、基于平流層飛艇的GNSS導航增強系統設計

1.系統組成

隨著衛星導航系統在指揮控制、戰場機動、火力協同、戰場救援和精確打擊等軍事領域的廣泛應用，GNSS系統的脆弱性也在逐漸突顯。特別是在叢林、城市峽谷以及復雜電磁環境下，GNSS導航信號存在信號易丟失、難捕獲、抗干擾能力弱、定位時間長、難以保證導航服務精度等問題。

為了克服GNSS導航信號的脆弱性，有效提高導航系統的可靠性和服務精度，本文設計了一種基于平流層飛艇的導航增強系統。該系統主要包括可視GNSS衛星、若干平流層飛艇、地面測控站以及地面導航增強用戶終端（圖1）。

圖1 基于平流層飛艇的GNSS導航增強系統

其中，GNSS衛星播發衛星導航信號，平流層飛艇搭載導航增強有效載荷，發射導航增強信號，地面測控站負責對平流層飛艇進行測控，地面導航增強用戶終端通過接收GNSS信號和飛艇的導航增強信號完成自身的導航增強定位服務。

2.工作原理

平流層飛艇搭載導航增強有效載荷，播發類GNSS導航信號，包括測距碼和導航電文，這樣飛艇在平流層漂浮，充當偽衛星的角色，天然地與GNSS衛星組網。平流層飛艇通過接收GNSS導航信號完成定位解算，獲取自身的位置信息和可視衛星的電文信息。一方面，向地面播發高功率的導航增強信號，包括飛艇的測距碼、飛艇的位置信息，實現信號功率增強，另一方面轉發可視GNSS衛星的電文信息，實現信息增強。

地面用戶終端接收飛艇的導航增強信號，通過對功率增強的導航信號進行測距、電文解調，獲取轉發的GNSS衛星的電文信息。考慮到某些GNSS頻點的導航信號包含數據通道和與其正交的導頻通道兩部分，導頻通道沒有數據調制，因此可以在外部輔助條件下通過對導頻通道的周期信號進行累加提高信噪比來進行檢測。本文設計利用轉發的GNSS可視星的電文信息，輔助完成弱信號GNSS導航信號的接收處理，實現GNSS接收靈敏度的提升。

3.工作模式

針對GNSS信號在遮擋以及電磁干擾環境下，出現的信號較弱無法正常捕獲，可見星少于4顆無法正常定位，甚至嚴重情況下GNSS完全不可用等問題，本文設計了電文增強、星座增強和系統增強三種工作模式用于解決以上問題。

當GNSS導航信號良好時，GNSS信號進行正常工作；當GNSS信號較弱無法檢測時，利用飛艇的輔助電文信息進行高靈敏定位，實現信號功率與增強信息增強；當GNSS可視星小于4顆無法定位，選取若干飛艇與GNSS衛星聯合組網，進行聯合定位，實現星座增強；當GNSS完全不可用時，飛艇可以獨立組網完成導航定位服務，實現系統增強，作為GNSS的有效備份。平流層飛艇導航增強系統工作流程見圖2。

圖2 平流層飛艇導航增強系統工作流程

（1）電文增強模式

當GNSS信號被遮擋或者受干擾條件下，信號信噪比較低，普通的用戶終端無法正常檢測到導航信號。此時可以通過平流層飛艇播發的導航增強信息輔助完成低信噪比信號的檢測。該模式下地面終端接收到平流層飛艇的導航增強信號，獲取飛艇的位置信息，同時測量來波方向可以粗略估算自身位置。然后根據轉發的GNSS的星歷信息獲取衛星的位置，這樣就可以推算GNSS發射時間，進而可以得出GNSS衛星導航信號的碼相位的粗略位置，用于輔助周期信號的長時間累加提高信噪比。利用平流層飛艇的電文輔助可以有效提高GNSS信號的接收靈敏度和干擾條件下的抗干擾能力。

（2）星座增強模式

在遮擋環境下，GNSS可視星數量少于4顆，不能滿足GNSS導航信號的定位需求。在該場景下，將平流層飛艇作為“偽衛星”，播發導航信號，與GNSS可視衛星聯合組網，提供導航定位服務，實現GNSS的星座增強。利用平流層飛艇與其他可視GNSS 衛星組成“T_GNSS系統”，作為GNSS系統的補充手段，提高GNSS系統的可用性。

（3）系統增強模式

在GNSS拒止條件下，所有的GNSS衛星不可用，此時可以利用平流層飛艇進行獨立組網，平流層飛艇的數量至少4艘即可向目標用戶提供區域導航定位授時服務，實現導航系統增強。利用平流層飛艇建設導航增強系統，可以作為戰區電磁干擾等GNSS拒止條件下的導航備份手段。

四、平流層飛艇在導航領域的應用前景

通過理論分析表明，基于平流層飛艇的導航增強系統，可以有效提高導航服務的精度、抗干擾性和可用性，滿足導航用戶對導航的應用需求（圖3）。

圖3 平流層飛艇在導航領域的應用

（1）在單兵裝備中的應用

單兵裝備在叢林、溝壕、洞庫、城市繁華街區等應用場景，面臨導航軍用信號易丟失、再捕獲困難，功耗加大、電池壽命縮短等問題。這類問題不僅限于單兵裝備，也是軍用物資運輸車輛、輕型步兵作戰車輛、小型軍用無人機等導航輕裝備面臨的共同問題。輕裝備一般裝備小型無人機、物資運輸車輛、輕型戰車等輕型平臺和用于單兵手持導航。該類裝備復雜電磁環境適應性有限，但體積功耗較小，價格相對低廉，無法使用復雜的導航系統。因此，輕裝備可作為平流層飛艇導航增強一類重要的應用對象。

（2）在遠海軍事作戰中的應用

在遠洋作戰中，失去岸基無線導航系統的交叉備份參考，遠洋艦船迫切希望導航系統能夠提供可靠的、可信的、可參照比較的導航定位服務。相比于定位精度的提高，更期待完好性的保障[8]。不僅遠洋艦船有這樣的軍事需求，災難救援等非戰爭軍事行動同樣也有這樣的軍事需求。平流層飛艇具有操縱簡便靈活、飛行速度快、發射時間短等特點，可以在遠海上空快速部署，通過多個平流層飛艇組網，構成專用的戰區級導航定位系統，為遠海軍事行動提供全時段、自主可控、可信賴和無線電隱蔽的導航手段。

（3）在導航電子對抗戰中的應用

隨著導航定位技術的發展，導航電子對抗技術已經成為電子對抗領域的一個重要發展方向。導航戰是由美軍首先提出的作戰理論，是針對衛星導航定位系統而進行的，其作戰目的是在交戰中保證己方充分利用導航定位系統阻止對方使用導航定位系統并最大限度地降低干擾措施對民用用戶的影響。將集導航、通信、預警偵察等功能于一體的平流層飛艇作為導航電子對抗平臺，對于提高軍隊的電子對抗能力具有重要的意義，體現在：1）進行導航偵察：平流層飛艇高度適中，便于利用艇載導航電子偵察裝備進行搜索、截獲、識別、定位和分析空中輻射的電磁能量，以掌握敵方輻射源的技術特性、威脅程度和兵力部署變動等情報[9]。2）進行導航攻擊：利用平流層飛艇發射高功率的電磁能或定向能擾亂、削弱、破壞、摧毀敵方導航系統、導航電子設備及相關武器或人員作戰效能所采取的各種戰術技術措施和行動。3）進行導航抗干擾：利用平流層飛艇發射導航增強信號，輔助GNSS提高衛星導航的抗干擾能力，成為GNSS導航系統的補充和備份手段。

（4）在有效載荷試驗中的應用

衛星有效載荷一般選擇高山、高塔、飛機等場地進行搭載試驗，上述試驗環境與有效載荷的空間飛行環境差別太大，不能模擬真實環境；此外，試驗平臺的高度低、導致信號的覆蓋范圍小，影響試驗效果。而平流層飛艇平臺可提供平穩的飛行條件，平臺環境更加接近真實的空間環境；另外，平流層飛艇負荷能力大，可以同時搭載多個有效載荷，一次飛艇發射可以同時進行多個有效載荷的搭載試驗，節約成本。

五、結論

本文針對GNSS衛星導航信號脆弱性的問題，提出了一種基于平流層飛艇的GNSS導航增強系統設計方案。首先，詳細分析了平流層飛艇相比衛星平臺的優勢，明確了系統的組成、工作原理，并針對目前GNSS存在的問題設計了三種導航增強的工作模式，然后闡述了平流層飛艇在導航領域的應用前景。通過理論分析表明建立基于平流層飛艇的導航增強系統，能夠有效提高GNSS導航服務的精度和可用性。目前只是完成了系統級設計，后續將進一步研究如何將系統設計方案進行工程化實現。