曹沖：利用寬帶低地球軌道（LEO）星座的導航

 目前，人們對建立新的規(guī)模化的低地球軌道（LEO）衛(wèi)星星座重新產生了興趣。他們的目標是為世界提供互聯網服務,計劃可能提供數千顆衛(wèi)星。在這里將介紹如何利用這些低地球軌道星座進行導航。

       在離地球更近的地方,也就是在LEO上提供更強的信號, 有助于增強服務能力，從而免受和少受干擾，并且在室內和城市環(huán)境中也能實現導航定位。把軌道高度降低也有其弱點, 每顆衛(wèi)星信號在地球上的足跡（覆蓋范圍）變小, 需要更多的衛(wèi)星才能夠提供全球覆蓋。事實表明, 寬帶低地球軌道星座的強項是在它們的數量, 與如今的中地球軌道（MEO）導航星座相比, 它們在衛(wèi)星幾何結構放大因子方面提供了三倍的改進。這樣可以降低空間信號用戶距離誤差, 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, 這使得導航有效載荷的設計可使用業(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）星座用于導航”，正面接觸導航這個命題，而不僅僅是導航的增強。這里涉及到政府的作用，面對導航與通信融合的衛(wèi)星星座，這樣空間基礎設施，政府的力量將是巨大的。需要進行統(tǒng)籌考慮，現在這種甚囂塵上的所謂商業(yè)航天，大多是無序的商業(yè)噱頭，應該加強統(tǒng)一規(guī)劃部署，把市場的力量加以引導。

       隨著智能手機的到來, 現在全世界有超過60億臺利用GNSS的設備，這個數量在2020年就達到80億臺。這些衛(wèi)星導航系統(tǒng)不僅提供了代表我們手機位置所在點, 還支持我們的關鍵基礎設施的定時同步功能。美國國土安全部 (DHS) 指出, 美國所有的16個關鍵基礎設施領域都依賴GPS, 其中在14個領域GPS擁有關鍵作用。

       隨著自主系統(tǒng)，或者說是自動化系統(tǒng)的興起, 我們對GNSS的依賴只會越來越大。隨著我們越來越依賴這項技術, 我們就會進一步受到它的脆弱性限制。GNSS的主要缺點是信號強度弱小。GNSS在一定程度上是專為開闊空間工作設計的，在深度衰減環(huán)境中信號接收會受到嚴重限制, 在城市峽谷或建筑物室內幾乎沒有或根本不可能提供服務。此外, GNSS信號容易受到干擾, 只要有20瓦的GNSS干擾器可以輕松地阻斷在一個城市街區(qū)的GNSS導航定位服務。

        與離開地面20000公里左右遙遠的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）上的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)更強的信號。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、可用性存在問題，只能夠做導航的某些增強應用。

        圖1顯示了目前具有31個工作衛(wèi)星的全球定位系統(tǒng)（GPS）星座, 與66顆衛(wèi)星的銥星網絡形成鮮明對比。距離的差異 (幾個地球半徑)的尺度是驚人的。其結果是, 在GNSS受到阻礙的定位、導航和授時(PNT)應用中, 在地面上，低地球軌道衛(wèi)星信號的強度將是GNSS信號的300至2400倍, 因此具有明顯吸引力。為了利用這一優(yōu)勢, 2016年5月通過銥星星座開始提供PNT服務，這項被稱為“衛(wèi)星時間和位置(STL)”的服務是由衛(wèi)星與銥星通信公司合作提供的, 消費者、企業(yè)和政府已經在GNSS干擾程度較高而導致信號阻塞的環(huán)境中使用這些基于LEO星座的信號。從而增強了GNSS星座的魯棒性, 還允許在許多授時應用中進行獨立備份。

 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，所以能夠提供信號強度更加強勁的信號, 它的缺點是覆蓋范圍比較小。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)星數量是GPS的兩倍, 但在赤道區(qū)域,導航用戶通常只能看到1顆低地球軌道衛(wèi)星,而在此同時用戶從地面上可以看到10顆GPS衛(wèi)星。為了達到與在銥星高度上，看到相同與GPS相同的覆蓋范圍,它需要增加一個數量級以上的衛(wèi)星。

        與GPS覆蓋相匹配的低地球軌道星座所需的數百顆衛(wèi)星，這種局面可能即將到來。2014年底和2015年初, 國際電信聯盟 (ITU) 報告了用于低地球軌道大星座的頻譜分配達6個最多。2015年1月,OneWeb宣布與維珍和高通建立合作伙伴關系, 準備建立由648顆低地球軌道衛(wèi)星組成的星座, 在全球范圍內提供寬帶互聯網服務。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)星組成的類似星座。2015年8月, 三星表示有興趣提出一項由 4, 600個衛(wèi)星組成的低地球軌道星座的提案。波音公司于2016年6月加入這個競爭比賽, 宣布了一個近3000個低地球軌道星座的計劃。這些新的低地球軌道星座被提出來應用，其目的是跟上不斷增長的寬帶需求。

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

        從更加人道主義的角度來說, 這些低地球軌道星座將給至今還沒有基礎設施的地區(qū)（占有54%人口覆蓋），將帶來互聯網訪問接入的可能。在這項工作中, 人們研究了如何利用寬帶低地球軌道星座進行導航。其中將重點研究衛(wèi)星導航有效載荷設計驅動因素, 以及如何利用現有技術實現這些驅動。焦點將主要集中在空間部分, 不過還將討論地面部分、用戶設備、頻譜分配和信號設計等方面。由于最終可能會有幾種架構, 我們驗證的主要組成部分, 使每個航天器都能以低于傳統(tǒng)成本的價格充當導航衛(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計。托管有效載荷可能類似于政府所采取的路線, 效仿美國聯邦航空管理局 (FAA)例子, 將廣域增強系統(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航即服務。這里的機會可能是利用自動駕駛車輛和連接系統(tǒng)（車聯網）的導航需求協(xié)同作用。寬帶低地球軌道星座的優(yōu)勢在于它們的數量, 與今天的GNSS導航星座相比, 它們在衛(wèi)星幾何結構因子方面有三倍的改進。這樣可以降低空間用戶距離誤差 (SIS URE), 同時仍然匹敵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, 這使得使用商用現成 (COTS) 組件設計的導航有效載荷成為可能。還探討了在衛(wèi)星上使用芯片級原子鐘 (CSAC) 來實現精確的定時。并且也驗證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, 以顯示可實現的精度。

       OneWeb、SpaceX、波音和其他公司的寬帶低地球軌道星座代表了一個重大的范式轉變。這種數量空前的新空間基礎設施，可使在軌運行衛(wèi)星的數量增加十倍。在這里, 我們研究了如何利用這些星座作為一個平臺, 提供導航服務, 重點是賦能空間部分。

       LEO星座這種數量上的優(yōu)勢是關鍵, 因為它允許降低空間信號用戶距離誤差 (SIN URE), 同時仍然與GPS的定位精度相媲美。這一點, 再加上與MEO相比, 低地球軌道的輻射環(huán)境更為良性, 從而實現了使用商用現成 (COTS) 組件設計的導航有效載荷。關于信號結構、頻率分配、用戶設備、地面部分, 以及誰將在第一時間提供此類服務, 仍然存在問題。低地球軌道由政府主管有效載荷可能會在地面引發(fā)更多的信號, 并提高PNT基礎設施的彈性。寬帶低地球軌道星座提供商，還可以利用自動駕駛車輛這一類導航需求的互聯系統(tǒng)協(xié)同作用, 將導航作為一項服務加以提供。

這些低地球軌道星座所使用的頻率，仍具有不確定性，因為其中有些類似或相同頻段的頻率已經由國際電聯分配給不同的系統(tǒng)所用。這同樣也導致了用戶設備的不確定性, 這些因素結合在一起是未來工作的一個重要領域。增加低地球軌道導航衛(wèi)星將為用戶提供許多好處。低地球軌道航天器在頭頂上飛行的速度更快, 數分鐘就越過視野，而不會像MEO那樣，每次過境飛行的時間往往超過幾個小時。這樣就會造成更多的多路徑抑制, 因為反射信號不再是穩(wěn)定存在, 因為平均時間較短。也許最重要的是, 低地球軌道的優(yōu)勢是比MEO中的核心星座更接近地球, 路徑損耗更小, 傳輸的信號強度與中軌衛(wèi)星信號相比要高1, 000倍 (30 分貝)。這使得它們在城市峽谷和室內等深度衰減環(huán)境中更有彈性, 更有能力承受干擾。