低轨卫星导航系统技术发展研究

低轨卫星导航系统技术发展研究

柴超

天津讯联科技有限公司 天津 300300

摘要： 经济在快速发展，社会在不断进步，现阶段整星座低轨卫星观测数据的缺失制约了 LEO 卫星导航增强研究,针对该问题,本文设计了 LEO 导航增强星座地基观测仿真系统,构建生成了 LEO 星座伪距和载波相位观测值的仿真模型;介绍了仿真系统设计流程和架构、仿真地基 LEO 观测数据;使用 RTKLIB 进行了标准单点定位(SPP)和精密单点定位(PPP)解算,验证了仿真系统搭建的正确性,以及伪距和载波观测值仿真的正确性。 结果表明,相较于只考虑几何距离的地基观测数据,该系统考虑各误差模型后观测数据置信度高,可用于支撑LEO 导航增强星座定位研究。

关键词：低轨导航卫星；增强；备份

引言

我国北斗三号卫星导航系统已于 2020 年完成建设，同时欧盟 Galileo 系统预计将在 2022 年完成系统建设，届时全球将有包含美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯全球卫星导航系统（GLOBAL NAVIGATION SATELLITESYSTEM，GLONASS）、中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）和欧盟Galileo 等共计 100 余颗导航卫星在轨运行，卫星导航应用将迎来新的历史篇章 。但是随着四大卫星导航系统广泛应用，现有全球卫星系统（Globalnavigation satellite system，GNSS）系统的不足也逐渐凸显，一是在全球实时厘米级高精度定位方面，现有应用的 GNSS 精密单点定位系统（Precise PointPositioning，PPP）收敛时间仍显较长。二是 GNSS导航信号落地功率低，容易受到干扰，恶劣电磁环境下应用受限。三是目前对我国来讲尚无法全球建站，难以实现北斗信号的全球监测 。

1ＧＮＳＳ 服务能力及低轨卫星导航服务需求分析

（１ ）目前基本导航系统的三维定位精度都在１０ｍ左右，尚不能满足更高精度的服务需求。星基增强系统可将定位精度提升至米级或分米级。基于地球静止轨道（ ＧＥＯ ）卫星的星基增强系统除存在高纬度地区信号覆盖问题，一般而言，纬度超过 ７２°的地区就将出现信号丢失的问题。（２ ） ＧＮＳＳ 卫星信号受到建筑物、森林植被的阻挡，使 得 ＧＮＳＳ接 收 机 在 人 口 稠 密 的 城 市、峡谷、森林等环境中经常由于可见卫星数不足、卫星信号深衰落而不能完成定位。此外在强干扰等恶劣电磁环境下， ＧＮＳＳ服务的性能下降，甚至会出现导航信号无法被正常捕获跟踪而造成定位失败的情况。（３ ）首次定位时间（ ＴＴＦＦ ）是影响导航服务体验和使用效果的因素之一。目前基于伪距测量的接收机在冷启动的情况下定位需要数分钟。如果需要更高的定位精度，采用基于载波相位定位测量的精密单点定位（ ＰＰＰ ）技术，收敛时间还要更长，一般会达到２０ｍｉｎ以上。

2低轨卫星导航系统技术发展研究

2.1软件设计流程

使用 STK(satellitetoolkit)软件,构建具有独立导航定位能力的 LEO 星座,并生成 LEO 星座精密轨道文件,通过拉格朗日插值获取所需时刻各卫星的位置坐标。 在地面测站坐标已知的情况下,计算站星间几何距离,添加卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、相对论效应等误差,实现对 LEO 地基观测链路仿真,生成标准 RINEX3. 02 格式的观测值文件,并使用 RTKLIB 软件,对仿真系统和仿真数据的正确性进行验证。 仿真系统包括精密星历生成模块、误差模型计算模块、观测值仿真模块及验证模块,仿真具体步骤如下:(1)精密星历生成模块:通过精密星历生成模块,将 STK 软件输出的卫星轨道信息转为标准RINEX 精密轨道文件。(2)误差模型计算模块:使用卫星精密钟差文件,通过拉格朗日插值计算卫星钟差;使用天线文件获 取 各 卫 星 天 线 相 位 偏 差; 使 用 NeQuick、Saastamoinen 等模型,计算电离层延迟、对流层延迟、固体潮、相对论等误差项。(3)观测值仿真模块:利用精密卫星轨道文件,采用拉格朗日插值方法计算所需时刻卫星坐标;由已知的地面测站坐标计算站星间几何距离;将误差模型仿真模块中计算的各误差改正量添加至几何距离中,获得置信度更高的 RINEX3. 02 格式伪距和载波仿真观测值。(4)验证模块:首先将仿真观测文件、精密星历文件、卫星钟差文件、天线文件等输入 RTKLIB 中进行定位解算,然后对比解算结果与实际测站坐标间的误差,判断仿真观测文件是否正确。

2.2导航增强系统

导航增强系统不单独提供服务，主要解决现有ＧＮＳＳ系统在特定区域、场景下服务性能降低的问题，与基本导航系统共同提供服务，起到扩展服务区域，增强导航性能，提高服务指标等作用。根据增强的性能指标，增强技术可分为信号强度增强、精度增强、完好性增强、连续性和可用性增强和面向ＧＮＳＳ系统的辅助增强。信号强度增强主要通过功率增强提升播发信号的功率。精度、完好性、连续性和可用性增强分别增强导航服务的定位收敛时间、精度、完好性、连续性和可用性等指标。辅助增强通过低轨卫星实现ＧＮＳＳ系统的信号接收和监测，利用低轨卫星获得的测量值和监测结果，提高ＧＮＳＳ系统轨道、钟差等产品估计精度，间接增强导航服务性能。根据增强效用产生的载体可以分为信息增强、信号增强。信息增强不提供观测量，通过播发差分信息、辅助信息等来提高导航性能。信号增强是发射信号为用户提供测量信息。鉴于信息一般调制在射频信号中，信息增强、信号增强可以同时使用和产生效果。

2.3低轨增强 GNSS 高精度服务能力分析

低轨卫星轨道高度大约在 800~1400km 之间，处于北斗卫星（22000km）的下方，可以作为天基监测站，实现 GNSS 信号监测，进一步提升 GNSS实时定轨/定钟能力。此外，采用低轨与中高轨卫星导航组合工作的方式，由低轨卫星播发导航测距信号，并广播高精度电文信息，可形成新质的高精度定位能力 。传统 PPP 中，由于 GNSS 卫星轨道高、星座几何构型变化较慢，相邻历元间观测方程之间的相关性太强，因此在 PPP 定位过程中要经历一个相对较长的收敛时间（十几分钟至几十分钟），将载波相位模糊度收敛为整数以获取厘米级的高精度定位结果。低轨卫星星座的定位几何构型变化快（比中高轨星座快 40 倍左右），有利于缩短精密单点定位的收敛时间，有研究表明，GNSS/LEO 联合高精度定位收敛时间可缩短至 1 分钟。低轨卫星高度低于 GNSS 卫星，利用低轨卫星实现对 GNSS 卫星观测，能够实现全球监测覆盖。利用低轨卫星作为天基监测站一方面能够大大减少地面站依靠，另一方面有望提高定轨精度。欧洲开普勒计划采用 6 颗 LEO 实现对中轨道卫星（MediumEarth Orbit，MEO）天基监测，通过星间激光链路、高精度光钟以及地面观测的技术手段，对高中低轨卫星进行联合定轨，期望能够达到厘米级定轨精度 。

结语

随着 ＧＮＳＳ在民用、军事等应用领域的不断拓展和深入，对 ＧＮＳＳ系统要求越来越高，不仅需要缩短定位时间、提高定位精度、改善恶劣环境下的服务质量，还要求利用其他各种手段实现对导航系统的备份能力。随着国内外各种低轨星座的日益兴起，通过低轨卫星进行导航增强、备份，乃至独立提供导航服务已经成为国内外学术界、工业界关注的热点之一。

参考文献

[1]吴海玲,高丽峰,汪陶胜,李作虎.北斗卫星导航系统发展与应用[J].导航定位学报,2015,3(02):1-6.

[2]卢鋆,张弓,陈谷仓,高为广,宿晨庚.卫星导航系统发展现状及前景展望[J].航天器工程,2020,29(04):1-10.