PULSAR低軌衛星導航星座性能分析研究

張弓 馬福建 聶欣 陳秋麗 李平 張旭 王騰

(1 中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部,北京 100094)(2 中國星網網絡系統研究院有限公司,北京 100029)

社會生產活動的全球化、精細化和智能化迫切需要廣域、實時、高精度和高可靠的導航定位服務,然而,當前的全球導航衛星系統(GNSS)不僅存在信號落地功率低、民用信號結構公開易受欺騙等固有的脆弱性、局限性,在廣域精密定位方面還存在收斂時間長的難題,無法完全適應新形勢、新需求[1]。

與中高軌GNSS衛星相比,低軌衛星離地球近了20～40倍,自由空間損耗減小約30dB,可提供更高功率的信號;其次,相比GNSS衛星數小時的過境時間,低軌衛星劃過上空僅數分鐘,快速的幾何圖形變化為精密定位參數快速分離與收斂提供了可行性;低軌衛星信號設計不受當前衛星導航系統約束,可以通過創新的加密和信號認證設計抵御欺騙攻擊;配置星載接收機的低軌衛星,可充當天基移動監測站,實現對GNSS衛星的全域精度和完好性監測[1-3]。因此,低軌衛星導航系統有望成為未來導航、定位與授時(PNT)領域的重要支撐力量。

近年來,美歐等多個國家均提出低軌導航星座建設規劃,大致概括為3類:第1類是以“銥星”為代表的低軌通導融合星座,星座規模通常較小,約數十顆衛星,主營業務為通信,通過在導航時隙播發加密測距信號,提供獨立于GNSS的抗欺騙PNT服務,利用信號落地功率高的優勢,解決遮擋環境下的PNT難題,但受限于頻率帶寬窄的影響,測距精度低[4];第2類是以SpaceX公司的“星鏈”為代表的低軌寬帶互聯網星座,星座規模通常巨大,約數百至上萬顆衛星,主營業務為通信,星上無需搭載導航增強載荷,僅通過在終端提取通信信號的多普勒頻移信息,便能實現多普勒或多普勒+慣導定位,利用定位體制和信號頻率與GNSS的差異性及星座規模優勢,增強PNT體系頑存性[5];第3類便是以修娜(Xona)公司PULSAR為代表的低軌衛星導航星座,星座規模居中,約100～300顆衛星,主營業務為導航,低軌衛星配置導航載荷,自身下播高精度雙頻或多頻偽碼、載波相位測距信號和精密電文,用戶通過接收低軌或GNSS+LEO信號進行數據處理,發揮低軌衛星幾何圖形變化快的優勢,可實現全球分米級快速精密定位[6]。現階段,銥星系統已完成75顆星的二代星座升級,在軌驗證結果表明,其播發的定位授時(STL)信號可獨立提供全球20～50m定位和亞微秒授時服務[4];截至2023年9月,SpaceX公司已發射5111顆星鏈衛星,提供在軌服務的衛星數量超4721顆,研究人員基于其通信信號的多普勒頻移信息,在800s累計觀測和高程計輔助條件下,已實現7.7m的水平獨立定位精度[5];未來,隨著修娜PULSAR低軌衛星導航星座的建設,能夠使導航性能和用戶體驗提升到全新的高度,顯著提升PNT核心業務性能和對GNSS的彈性備份能力,更好地滿足智能時代精準時空服務需求,是當前衛星導航領域最熱點的方向。

基于此,本文梳理介紹了修娜PULSAR星座的發展目標、建設規劃和最新進展,分析了星座設計參數,重點對星座特性和預期定位服務能力進行定量研究,并給出相應的結論,以期為我國低軌衛星導航系統建設提供參考。

1 PULSAR星座發展規劃和最新進展

2016年,Reid等人提出全球低軌導航星座建設設想,并成立了修娜公司[1]。2021年,修娜公司公布了其PULSAR星座發展計劃,共規劃300顆低軌導航衛星,第一階段包括40顆組網衛星,計劃2024年底發射,2025年具備初始運行能力,實現北美、歐洲等地單重覆蓋,重點提供精密授時和導航增強GNSS服務;第二階段將星座擴展至70顆星,填補兩極地區的導航服務空白,并增加中低緯度地區可見衛星數量;第三階段共300顆衛星工作,將提供比肩GPS的衛星可見性和幾何圖形條件,2027年具備完全運行能力,在全球范圍內提供精確安全完好且能獨立于GNSS的PNT服務,滿足無人化、智能化市場需求[7-8]。

2021年8月,修娜公司成功開展了地面演示驗證試驗。其將5個信標機置于用戶接收機周圍的高處,兩兩相距約45.72m,信標機既能接收GNSS衛星信號用于確定自身位置和鐘差,又能通過定向天線向移動用戶機播發導航電文和測距信號,用戶機同時接收GNSS和信標機信號進行定位解算,通過比較解算結果與真實用戶位置偏差評估了定位性能[9]。

2022年5月,作為PULSAR星座的首個技術演示載荷——Huginn,搭乘SpaceX獵鷹9號火箭成功發射,并在L頻段和C頻段廣播雙頻導航信號[7]。2023年5月,Huginn載荷取得的主要成果對外進行了發布:①成功將LEO的PNT信號由太空傳輸至地面;②基于自研的軟硬件,成功驗證了厘米級定位服務的能力;③驗證了修娜專用導航數字波形發生器的在軌可編程能力;④驗證了使用低成本商用現貨(COTS)器件提供衛星導航的能力;⑤確定了在未配備高性能星載原子鐘的條件下,使用分布式時鐘架構是實現精密PNT的核心手段,其中,分布式時鐘架構指利用地面站配置的高性能原子鐘,通過多條星地、星間鏈路實現全星座的時間傳遞與同步,提供統一時間基準,形成多個地面高性能鐘與多顆低軌衛星低成本鐘相結合的架構[10]。

此外,修娜公司與海克斯康、諾瓦泰、思博倫等業界知名企業就接收機和信號模擬器研制方面展開了密切合作,前瞻布局用戶接收機和低軌市場應用[11]。

隨著PULSAR星座作為一個新型衛星導航系統的地位凸顯,2023年8月,修娜公司先后與美國空軍研究實驗室、美國太空軍、洛克希德·馬丁公司簽署了合作協議,將PULSAR納入到美國國家空間安全架構中,增強衛星導航系統的彈性[11-12]。

考慮到PULSAR星座可能對未來衛星導航和低軌星座領域發展產生深遠的影響,有必要根據其建設目標和發展策略,研究其星座設計和服務性能。

2 星座設計參數分析

目前修娜公司公開發布的關于PULSAR星座構型的材料僅包括不同階段的衛星總數、軌道高度兩項量化指標[6],以及不同階段的星座概念圖[7],本文在仔細研究的基礎上,分析得出其可能采用的配置參數如表1所示:階段1將建設Walker-δ 40/4/1∶875∶55傾斜軌道低軌星座;階段2將補充Walker-Star 30/3/1∶925∶89極軌道低軌星座,與傾斜軌星座形成混合星座;階段3將在前一階段基礎上進一步擴展軌道面數和每個面衛星數,形成Walker-δ 240/12/2∶875∶55與Walker-Star 60/6/1∶925∶89的完整混合星座。

表1 不同階段的PULSAR星座可能采用的配置參數

根據表1星座參數繪制出的星座三維構型如圖1所示,與官方公布的星座概念圖具有高度一致性,證明了本文星座設計參數分析的合理性,可作為星座特性分析和定位性能分析的基礎。

圖1 不同階段的PULSAR星座三維構型

3 星座特性研究

衛星星座是指具有相似類型和功能的多顆衛星,分布在相似或互補的軌道上,在共享控制下協同完成指定任務。星座特性好壞,直接影響系統服務性能。本節將從對地覆蓋特性、GNSS天基監測性能、星間建鏈情況、掩星事件數目等分析各階段星座特性。

3.1 對地覆蓋特性

對地覆蓋重數是最重要的導航星座指標,既關系到服務精度、完好性、連續性和可用性,又決定了服務體制。圖2顯示了不同階段的PULSAR星座在各緯度地區的覆蓋,截止衛星高度角設為5°。可以看出,在第1、2和3階段,全球分別平均可見1.4、3.4和12.7顆星,其中,低緯度地區分別平均可見1.6、2.5和11.2顆星,中緯度地區分別平均可見2.2、3.7和16.2顆星,高緯度地區分別平均可見0.6、4.2和10.8顆星。

圖2 不同緯度地區星座對地覆蓋情況

另一項重要指標是星座幾何圖形條件,其與用戶測距誤差能夠共同決定用戶定位授時精度,一般由精度因子(DOP值)反映,具體包括幾何精度因子(GDOP)、位置精度因子(PDOP)、水平精度因子(HDOP)、垂直精度因子(VDOP)和時間精度因子(TDOP),DOP值越小,意味著幾何圖形條件越優、定位授時精度越高。通常開闊條件下,單一導航星座的PDOP值約為3。圖3給出了完整PULSAR星座在各緯度地區的可見衛星數和各類DOP值累積概率分布,結果表明,在95%的置信水平下,低、中、高緯地區分別可見9、13和8顆,GDOP值分別為3.8、2.2和3.6,PDOP值分別為3.5、2.0和3.5,HDOP值分別為1.0、0.8和1.6,VDOP值分別為3.4、1.9和3.4,TDOP值分別為1.3、0.8和1.3。

圖3 不同緯度地區完整PULSAR星座可見衛星數及DOP值累積概率分布

研究結果表明,僅第3階段可以滿足全球最小五重以上覆蓋需求,且除赤道以外,可實現最小六重以上覆蓋,不僅可以提供獨立PNT服務,還能滿足接收機自主完好性監測的冗余觀測需求,在相同觀測仰角和置信水平下,星座幾何圖形條件可比肩現有的GPS;而第1、2階段無法保證四重覆蓋,僅支持精密授時和導航增強GNSS服務體制。

3.2 GNSS天基監測能力

圖4給出了單顆低軌衛星對GNSS星座的觀測情況。分析可知,在95%的置信水平下,當截止高度角為0°時,GPS、GLONASS、Galileo和北斗可見衛星數分別為9、4、6和8顆,對應的幾何精度因子(GDOP值)分別為2.0、4.5、2.6和2.0;當截止高度角為10°時,可見衛星數分別為6、3、4和6顆,對應的GDOP值分別為2.4、/、4.1和3.1。

圖5給出了單顆GPS衛星被PULSAR星座的跟蹤情況。分析可知,在95%的置信水平下,第1、2、3階段,分別能夠被5、8和44顆星同步監測到。

圖5 單顆GPS衛星被不同階段PULSAR星座的跟蹤情況

研究結果表明,通過在PULSAR低軌衛星上配置星載GNSS接收機,接收處理中高軌導航衛星觀測數據,具有以下優勢:首先,結合動力學信息,具備確定自身的精密軌道和鐘差的能力;其次,低軌衛星作為天基移動監測站,采用高中低軌衛星“一步法”聯合定軌,可以提升GNSS衛星軌道確定精度;再者,利用多顆低軌衛星對同一顆GNSS衛星的冗余觀測,能夠分離出GNSS衛星下行信號偏差,同時提供GNSS衛星完好性監測信息。

3.3 星間建鏈情況

PULSAR星座將依靠星間鏈路進行通信數傳,圖6給出了PULSAR星座可能采用的一種星間鏈路拓撲結構,其中,紅點表示衛星,綠線表示星間鏈路,品紅線為1顆衛星與周圍衛星的所有星間鏈路。

圖6 PULSAR星座可能采用的星間鏈路拓撲結構

圖7分別給出了星間鏈路變化特性。可以看出,同軌相鄰衛星間的星間鏈路方位角、俯仰角和星間距均保持穩定不變,極軌道和傾斜軌道同軌相鄰衛星間的距離分別為4513.7km和2269.3km;異軌相鄰衛星間的星間鏈路方位角、俯仰角和星間距呈現周期性變化,其中,方位角變化周期為1個軌道周期,俯仰角和星間距變化周期為半個軌道周期,極軌道異軌相鄰衛星方位角、俯仰角和星間距變化范圍分別為-84.4°～+84.4°、+74.7°～+86.9°和798.7～3863.4km,傾斜軌道異軌相鄰衛星方位角、俯仰角和星間距變化范圍分別為-53.4°～+53.4°、74.1°～80.0°和2513.5～3975.3km。

圖7 PULSAR星座星間鏈路變化特性

研究結果表明,通過簡單的鏈路拓撲,即某顆衛星與其同軌道面前后相鄰衛星以及相鄰軌道面上的左右相鄰衛星相互建鏈,能夠保證極軌星座和傾斜軌星座各自內部所有衛星互聯互通,在鏈路特性方面,同軌鏈路特征恒定,異軌鏈路具有顯著周期性規律,因此易于工程實現。

3.4 掩星事件數目

如圖8所示,PULSAR星座在其系統架構設計中規劃了掩星探測功能,既包括GNSS衛星至低軌衛星的掩星觀測,又包括低軌衛星至低軌衛星的掩星觀測[6,13]。

圖8 PULSAR系統架構

圖9和圖10分別給出了15min內GNSS-LEO和LEO-LEO掩星事件的空間分布,假設僅低軌衛星前后擋板安裝掩星探測天線,且探測范圍為±45°,分別記錄切點高度在150～500 km和0～150 km的掩星事件為電離層掩星和對流層掩星。表2給出了掩星事件數量統計,可以看出:①電離層掩星事件數量要多于對流層掩星事件數量;②低軌星座規模越大,掩星事件數量越多,低軌星座規模擴大N倍,則GNSS-LEO掩星事件數量也近似擴大N倍,但LEO-LEO掩星事件數量會呈現爆炸式增長。

圖9 15min內GNSS-LEO掩星事件分布

圖10 15min內LEO-LEO掩星事件分布

表2 15min內不同類型掩星事件數量統計結果

研究結果表明,在低軌巨型星座上配置掩星探測接收機,能夠短時間內獲取大量的GNSS-LEO、LEO-LEO掩星事件,通過對折射信號提取分析,能夠反演出電離層電子密度、大氣折射率、溫度、濕度和氣壓數據,實現電離層和對流層建模和監測,最終可利用精密大氣改正信息輔助精密定位快速收斂。

4 低軌導航增強與獨立定位性能

4.1 快速精密定位性能分析

圖11給出了中國九峰測站(30.5°N,114.5°E)上,PULSAR星座增強GPS動態精密單點定位(PPP)性能仿真。可以看出,在厘米級軌道鐘差產品的支持下,PPP收斂時間能夠顯著縮短約90%,此處收斂時間定義為定位精度達到水平10cm、垂直20cm,且連續保持5min不超限所需的最短時間。

圖11 九峰測站上完整PULSAR星座增強GPS動態精密單點定位性能仿真

研究結果表明,低軌星座在增強精密定位快速收斂方面存在巨大潛力,可以作為自動駕駛時代精密導航的重要支撐手段。

4.2 獨立定位性能分析

根據覆蓋性和幾何圖形條件分析,完整PULSAR星座具備獨立提供導航定位服務的能力,在不依賴GNSS星座的條件下,可以依靠地面站和星間鏈路測距完成低軌衛星軌道鐘差確定與預報,提供獨立的時空基準。設該種場景下的空間信號精度為1 m,則九峰測站上完整PULSAR星座獨立標準單點定位仿真分析結果如圖12所示。

圖12 九峰測站上完整PULSAR星座獨立標準單點定位性能仿真

研究結果表明,完整PULSAR星座能夠提供獨立于GNSS的米級標準定位服務,一定程度上可作為GNSS的彈性備份手段。

5 結束語

本文分析了PULSAR星座特性及服務性能,鑒于低軌衛星導航星座在提升PNT核心業務性能和彈性備份能力方面起到的重要作用,應充分借鑒國外先進方案理念,加緊開展低軌導航相關的設計、在軌驗證及工程建設工作,進一步提升我國衛星導航系統的服務性能和國際競爭力。具體建議如下:

(1)低軌導航星座應和北斗系統統籌考慮,采取高中低一體的設計思路,以滿足單向無源、實時動態、成本低廉、連續可靠等用戶體驗要求。

(2)低軌導航可按照系統要求分階段開展部署,從具備低軌導航增強功能到具備獨立導航功能,覆蓋區域隨著星座的建設逐步擴展。

(3)低軌衛星星上可考慮配置高性能星載導航接收機,實現GNSS的時空基準增強、空間天氣監測、天基完好性監測,以解決我國地面站區域受限的難點,提升系統天基監測能力。

(4)國內微厘空間等低軌導航系統已開展了在軌驗證工作,初步驗證了低軌衛星對增強快速精密定位具有積極作用,未來工程建設還需重點加強信號收發隔離、星上時空誤差在軌標定等核心難題的攻關[14]。