曹沖：利用寬帶低地球軌道（LEO）星座的導(dǎo)航

 目前，人們對(duì)建立新的規(guī)?；牡偷厍蜍壍溃↙EO）衛(wèi)星星座重新產(chǎn)生了興趣。他們的目標(biāo)是為世界提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),計(jì)劃可能提供數(shù)千顆衛(wèi)星。在這里將介紹如何利用這些低地球軌道星座進(jìn)行導(dǎo)航。

       在離地球更近的地方,也就是在LEO上提供更強(qiáng)的信號(hào), 有助于增強(qiáng)服務(wù)能力，從而免受和少受干擾，并且在室內(nèi)和城市環(huán)境中也能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。把軌道高度降低也有其弱點(diǎn), 每顆衛(wèi)星信號(hào)在地球上的足跡（覆蓋范圍）變小, 需要更多的衛(wèi)星才能夠提供全球覆蓋。事實(shí)表明, 寬帶低地球軌道星座的強(qiáng)項(xiàng)是在它們的數(shù)量, 與如今的中地球軌道（MEO）導(dǎo)航星座相比, 它們?cè)谛l(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)放大因子方面提供了三倍的改進(jìn)。這樣可以降低空間信號(hào)用戶(hù)距離誤差, 因此仍然可以與GNSS的定位精度相媲美。再加上低地球軌道比中地球軌道GNSS具有更良性的輻射環(huán)境, 這使得導(dǎo)航有效載荷的設(shè)計(jì)可使用業(yè)已商業(yè)化的元組件。這是世界知名雜志《Navigation》今年發(fā)表的一篇文章，題目為“寬帶低地球軌道（LEO）星座用于導(dǎo)航”，正面接觸導(dǎo)航這個(gè)命題，而不僅僅是導(dǎo)航的增強(qiáng)。這里涉及到政府的作用，面對(duì)導(dǎo)航與通信融合的衛(wèi)星星座，這樣空間基礎(chǔ)設(shè)施，政府的力量將是巨大的。需要進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，現(xiàn)在這種甚囂塵上的所謂商業(yè)航天，大多是無(wú)序的商業(yè)噱頭，應(yīng)該加強(qiáng)統(tǒng)一規(guī)劃部署，把市場(chǎng)的力量加以引導(dǎo)。

       隨著智能手機(jī)的到來(lái), 現(xiàn)在全世界有超過(guò)60億臺(tái)利用GNSS的設(shè)備，這個(gè)數(shù)量在2020年就達(dá)到80億臺(tái)。這些衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅提供了代表我們手機(jī)位置所在點(diǎn), 還支持我們的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的定時(shí)同步功能。美國(guó)國(guó)土安全部 (DHS) 指出, 美國(guó)所有的16個(gè)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域都依賴(lài)GPS, 其中在14個(gè)領(lǐng)域GPS擁有關(guān)鍵作用。

       隨著自主系統(tǒng)，或者說(shuō)是自動(dòng)化系統(tǒng)的興起, 我們對(duì)GNSS的依賴(lài)只會(huì)越來(lái)越大。隨著我們?cè)絹?lái)越依賴(lài)這項(xiàng)技術(shù), 我們就會(huì)進(jìn)一步受到它的脆弱性限制。GNSS的主要缺點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度弱小。GNSS在一定程度上是專(zhuān)為開(kāi)闊空間工作設(shè)計(jì)的，在深度衰減環(huán)境中信號(hào)接收會(huì)受到嚴(yán)重限制, 在城市峽谷或建筑物室內(nèi)幾乎沒(méi)有或根本不可能提供服務(wù)。此外, GNSS信號(hào)容易受到干擾, 只要有20瓦的GNSS干擾器可以輕松地阻斷在一個(gè)城市街區(qū)的GNSS導(dǎo)航定位服務(wù)。

        與離開(kāi)地面20000公里左右遙遠(yuǎn)的GNSS星座相比，低地球軌道（LEO）星座的鄰近性能提供比中地球軌道（MEO）上的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)更強(qiáng)的信號(hào)。如今, 唯一覆蓋全球的低地球軌道系統(tǒng)是主要用于通信的銥星星座。但是，它的定位精度和連續(xù)性、可用性存在問(wèn)題，只能夠做導(dǎo)航的某些增強(qiáng)應(yīng)用。

        圖1顯示了目前具有31個(gè)工作衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)（GPS）星座, 與66顆衛(wèi)星的銥星網(wǎng)絡(luò)形成鮮明對(duì)比。距離的差異 (幾個(gè)地球半徑)的尺度是驚人的。其結(jié)果是, 在GNSS受到阻礙的定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)應(yīng)用中, 在地面上，低地球軌道衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度將是GNSS信號(hào)的300至2400倍, 因此具有明顯吸引力。為了利用這一優(yōu)勢(shì), 2016年5月通過(guò)銥星星座開(kāi)始提供PNT服務(wù)，這項(xiàng)被稱(chēng)為“衛(wèi)星時(shí)間和位置(STL)”的服務(wù)是由衛(wèi)星與銥星通信公司合作提供的, 消費(fèi)者、企業(yè)和政府已經(jīng)在GNSS干擾程度較高而導(dǎo)致信號(hào)阻塞的環(huán)境中使用這些基于LEO星座的信號(hào)。從而增強(qiáng)了GNSS星座的魯棒性, 還允許在許多授時(shí)應(yīng)用中進(jìn)行獨(dú)立備份。

 圖1. GPS星座與銥星星座

雖然低地球軌道星座由于離地球近得多，所以能夠提供信號(hào)強(qiáng)度更加強(qiáng)勁的信號(hào), 它的缺點(diǎn)是覆蓋范圍比較小。離地球更近意味著衛(wèi)星的足跡要小得多。盡管銥星星座的衛(wèi)星數(shù)量是GPS的兩倍, 但在赤道區(qū)域,導(dǎo)航用戶(hù)通常只能看到1顆低地球軌道衛(wèi)星,而在此同時(shí)用戶(hù)從地面上可以看到10顆GPS衛(wèi)星。為了達(dá)到與在銥星高度上，看到相同與GPS相同的覆蓋范圍,它需要增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的衛(wèi)星。

        與GPS覆蓋相匹配的低地球軌道星座所需的數(shù)百顆衛(wèi)星，這種局面可能即將到來(lái)。2014年底和2015年初, 國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) 報(bào)告了用于低地球軌道大星座的頻譜分配達(dá)6個(gè)最多。2015年1月,OneWeb宣布與維珍和高通建立合作伙伴關(guān)系, 準(zhǔn)備建立由648顆低地球軌道衛(wèi)星組成的星座, 在全球范圍內(nèi)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。在這一公告發(fā)布后的幾天后, SpaceX 在谷歌的支持下, 宣布了要建立由 4, 000多顆低地球軌道衛(wèi)星組成的類(lèi)似星座。2015年8月, 三星表示有興趣提出一項(xiàng)由 4, 600個(gè)衛(wèi)星組成的低地球軌道星座的提案。波音公司于2016年6月加入這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)比賽, 宣布了一個(gè)近3000個(gè)低地球軌道星座的計(jì)劃。這些新的低地球軌道星座被提出來(lái)應(yīng)用，其目的是跟上不斷增長(zhǎng)的寬帶需求。

 圖2. 648顆衛(wèi)星構(gòu)成的OneWeb星座圖3. 2956顆衛(wèi)星構(gòu)成的波音星座

        從更加人道主義的角度來(lái)說(shuō), 這些低地球軌道星座將給至今還沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)（占有54%人口覆蓋），將帶來(lái)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)接入的可能。在這項(xiàng)工作中, 人們研究了如何利用寬帶低地球軌道星座進(jìn)行導(dǎo)航。其中將重點(diǎn)研究衛(wèi)星導(dǎo)航有效載荷設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素, 以及如何利用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)這些驅(qū)動(dòng)。焦點(diǎn)將主要集中在空間部分, 不過(guò)還將討論地面部分、用戶(hù)設(shè)備、頻譜分配和信號(hào)設(shè)計(jì)等方面。由于最終可能會(huì)有幾種架構(gòu), 我們驗(yàn)證的主要組成部分, 使每個(gè)航天器都能以低于傳統(tǒng)成本的價(jià)格充當(dāng)導(dǎo)航衛(wèi)星。這可以采取托管有效載荷的形式, 也可以是更綜合的設(shè)計(jì)。托管有效載荷可能類(lèi)似于政府所采取的路線(xiàn), 效仿美國(guó)聯(lián)邦航空管理局 (FAA)例子, 將廣域增強(qiáng)系統(tǒng) (WAAS) 作為托管有效載荷放在在商業(yè)衛(wèi)星上。另一種可能是星座提供商提供導(dǎo)航即服務(wù)。這里的機(jī)會(huì)可能是利用自動(dòng)駕駛車(chē)輛和連接系統(tǒng)（車(chē)聯(lián)網(wǎng)）的導(dǎo)航需求協(xié)同作用。寬帶低地球軌道星座的優(yōu)勢(shì)在于它們的數(shù)量, 與今天的GNSS導(dǎo)航星座相比, 它們?cè)谛l(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)因子方面有三倍的改進(jìn)。這樣可以降低空間用戶(hù)距離誤差 (SIS URE), 同時(shí)仍然匹敵GPS的位置精度。再加上與MEO相比, 低地球軌道的輻射環(huán)境更為良性, 這使得使用商用現(xiàn)成 (COTS) 組件設(shè)計(jì)的導(dǎo)航有效載荷成為可能。還探討了在衛(wèi)星上使用芯片級(jí)原子鐘 (CSAC) 來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)。并且也驗(yàn)證GPS星歷表信息在低地球軌道描述中的使用情況。此外, 還討論了全星座軌道的確定方法。將空間部分的這些元素組合在一起, 以顯示可實(shí)現(xiàn)的精度。

       OneWeb、SpaceX、波音和其他公司的寬帶低地球軌道星座代表了一個(gè)重大的范式轉(zhuǎn)變。這種數(shù)量空前的新空間基礎(chǔ)設(shè)施，可使在軌運(yùn)行衛(wèi)星的數(shù)量增加十倍。在這里, 我們研究了如何利用這些星座作為一個(gè)平臺(tái), 提供導(dǎo)航服務(wù), 重點(diǎn)是賦能空間部分。

       LEO星座這種數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)是關(guān)鍵, 因?yàn)樗试S降低空間信號(hào)用戶(hù)距離誤差 (SIN URE), 同時(shí)仍然與GPS的定位精度相媲美。這一點(diǎn), 再加上與MEO相比, 低地球軌道的輻射環(huán)境更為良性, 從而實(shí)現(xiàn)了使用商用現(xiàn)成 (COTS) 組件設(shè)計(jì)的導(dǎo)航有效載荷。關(guān)于信號(hào)結(jié)構(gòu)、頻率分配、用戶(hù)設(shè)備、地面部分, 以及誰(shuí)將在第一時(shí)間提供此類(lèi)服務(wù), 仍然存在問(wèn)題。低地球軌道由政府主管有效載荷可能會(huì)在地面引發(fā)更多的信號(hào), 并提高PNT基礎(chǔ)設(shè)施的彈性。寬帶低地球軌道星座提供商，還可以利用自動(dòng)駕駛車(chē)輛這一類(lèi)導(dǎo)航需求的互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同作用, 將導(dǎo)航作為一項(xiàng)服務(wù)加以提供。

這些低地球軌道星座所使用的頻率，仍具有不確定性，因?yàn)槠渲杏行╊?lèi)似或相同頻段的頻率已經(jīng)由國(guó)際電聯(lián)分配給不同的系統(tǒng)所用。這同樣也導(dǎo)致了用戶(hù)設(shè)備的不確定性, 這些因素結(jié)合在一起是未來(lái)工作的一個(gè)重要領(lǐng)域。增加低地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星將為用戶(hù)提供許多好處。低地球軌道航天器在頭頂上飛行的速度更快, 數(shù)分鐘就越過(guò)視野，而不會(huì)像MEO那樣，每次過(guò)境飛行的時(shí)間往往超過(guò)幾個(gè)小時(shí)。這樣就會(huì)造成更多的多路徑抑制, 因?yàn)榉瓷湫盘?hào)不再是穩(wěn)定存在, 因?yàn)槠骄鶗r(shí)間較短。也許最重要的是, 低地球軌道的優(yōu)勢(shì)是比MEO中的核心星座更接近地球, 路徑損耗更小, 傳輸?shù)男盘?hào)強(qiáng)度與中軌衛(wèi)星信號(hào)相比要高1, 000倍 (30 分貝)。這使得它們?cè)诔鞘袓{谷和室內(nèi)等深度衰減環(huán)境中更有彈性, 更有能力承受干擾。