基于低軌星的通導融合安全定位技術體制與性能驗證

伍蔡倫,郎興康,王 同,趙精博,孫洪馳

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊 050081;2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,河北石家莊,050081)

0 引言

衛星導航是一種利用衛星提供定位、導航和授時服務的技術,具有高精度、全球覆蓋、不受地形和天氣影響等優點,能為各行各業提供低成本高精度定位導航服務[1-4]。在航空航天領域,精準定位和導航能提高飛機、艦船衛星等航海航空航天器的飛行安全性和效率,保障人員和設備安全;在交通運輸領域,可信定位和導航能提高汽車、火車、船舶等交通運輸工具的效率和安全性,減少交通事故和擁堵。隨著航天技術的不斷發展,衛星導航系統的精度和覆蓋范圍也在不斷提高,未來衛星導航系統將會更加廣泛應用于民生等各個領域。

盡管衛星導航技術已經取得了很大進展,但仍存在一些缺陷[5-8]:(1)易被欺騙:衛星導航信號可以被偽造來欺騙接收器,導致定位誤差或被欺騙;(2)信號功率不夠:衛星導航信號功率有限,會導致在某些環境下信號弱化或丟失,影響可用性和定位精度;(3)抗干擾能力差:衛星導航系統抗干擾能力相對較弱,容易受到電磁干擾、雷電等外部干擾因素影響,導致定位精度變差;(4)安全問題:衛星導航系統的安全問題也是需要考慮的因素,黑客攻擊、惡意干擾等行為可能會破壞系統正常運行。

低軌衛星由于覆蓋重數多、落地功率高以及具備雙向信息認證等優點,低軌導航增強系統已經成為解決上述問題的一種有效手段,也是獲取低成本、高可靠、實時高精度動態定位服務的優選之路。世界各大國均已開始部署全球低軌星座,意圖搶占低軌航天先機,如具有代表性的美國銥星系統和星鏈計劃。美國從2006開始研究構建集多種導航資源,具有更強可用性、魯棒性和導航作戰能力的國家定位、導航與授時(positioning navigation timing, PNT)體系。其中PNT體系與通信系統的融合是建設重點之一,通過二者深度融合提高PNT服務彈性和韌性,目前已在新一代銥星系統上實現并提供服務[9]。

新一代銥星星座已部署完成75顆在軌衛星,提供衛星授時和定位(satellites time and location, STL)服務。根據公開資料顯示,STL定位精度達到20m,授時精度為1μs[10-12]。銥星STL信號用于導航的優勢主要有:一是相對于GNSS信號,具有更強信號落地功率,能夠在衰減條件(室內深處)以及一定惡意干擾條件下提供定位授時服務;二是銥星采用48個點波束,將點波束和隨機廣播相結合形成了基于位置認證的服務機制,能夠抵抗欺騙干擾。

2015年9月20日,長征六號火箭成功將20顆小衛星送入太空,其中6顆搭載了實時精密定軌驗證載荷,開啟了我國關于低軌導航增強系統的序幕[13]。武漢大學牽頭研制的“珞珈一號”科學實驗衛星于2018年6月發射,該衛星首次成功開展了低軌衛星導航信號增強技術驗證,實現了雙頻增強信號播發,為低軌衛星導航增強技術驗證積累了大量在軌實測數據[14]。2018年12月29日,鴻雁星座首顆試驗星“重慶號”在酒泉衛星發射中心發射升空,計劃在2023年建成由60顆左右衛星構成的窄帶系統,在2025年建成約270顆星構成的寬帶系統。該星座就是利用低軌衛星實現導航增強功能,使高性能導航服務從行業用戶進入大眾市場[14]。中國電子科技集團公司在2019年6月發射了網通一號雙星(天象一號A/B星),用于低軌衛星通信和低軌導航增強技術體制的融合驗證,為我國后續基于低軌衛星的通導融合技術發展打下了良好基礎[15]。

綜上,低軌導航增強系統已經成為當前衛星導航領域的熱點方向,世界上各大國和組織均在開展相關研究工作。利用低軌星座進行通導融合設計,實現全球無縫覆蓋的PNT服務,是低軌導航增強技術的重要發展趨勢,也是我國進一步打造北斗全球服務核心競爭力,提升國際影響,謀求時空信息領域競爭博弈優勢的重要保障。因此,面向低軌星座導航增強的服務需求和發展目標,文章針對下一代天基通導融合安全定位技術體制展開研究,實現通導一體化融合設計并進行性能驗證,為通導融合安全定位技術體制的實現提供參考依據。

1 通導融合發展趨勢

目前國內關于低軌通導融合體制的研究和工程應用主要集中于快速高精度定位、抗干擾定位及安全定位等方面。

快速高精度定位主要利用兩路兼容北斗的雙頻導航信號實現增強,實現快速收斂的精密定位。低軌導航信號采用L頻點,具有較高的穿透能力,但其精度受到多徑效應和大氣延遲等因素影響。低軌衛星播發雙頻導航信號可有效消除電離層和對流層誤差,實現高精度、高可靠、快速定位服務。

抗干擾定位通過低軌衛星播發Ka導航增強信號,接收機獲取觀測數據(如偽距、多普勒等)及低軌衛星導航電文信息后,在衛星四重覆蓋條件下實現快速定位。 Ka導航增強信號帶寬大、波束窄、功率高(天線增益高),可大幅提升用戶終端抗干擾能力,實現北斗拒止環境下的抗干擾定位導航服務。

安全定位是衛星導航系統在航天、航空等領域最重要應用之一?；诘蛙壭堑耐▽诤习踩ㄎ患夹g是在北斗信號拒止環境下實現獨立于北斗的可信定位服務。該定位技術體制可通過多次觀測一顆或多顆低軌衛星L頻段播發的通導融合信號,通過雙向鑒權以及不依賴于北斗的獨立定位來互校驗定位結果,從而實現“安全定位”,以達到可信和反欺騙的定位能力。低軌衛星通導融合相比GNSS信號的落地功率更高,且通信導航信號融合設計,充分利用了頻譜資源和功率資源。

綜上分析,基于低軌衛星L頻段通導融合安全定位體制能有效解決傳統衛星導航技術在抗欺騙性、信號功率及安全性等方面的不足,是對現有北斗衛星導航系統的備份補充,能有效擴展衛星導航系統的應用場景。因此,文章主要針對基于低軌衛星L頻段通導融合安全定位體制展開研究,并完成相關算法的服務性能評估。

2 安全定位技術體制

2.1 信號頻率設計

安全定位技術體制基于天基窄帶通信的L頻段信號實現,利用通信時隙播發導航電文并利用高精度多普勒和偽距測量實現導航定位與授時。其中,L窄帶通信體制采用相鄰36個帶寬為150KHz的子帶播發通信信號,整個窄帶通信信號帶寬為5.4MHz。安全定位信號位于窄帶通信體制下的第n個子帶上,帶寬同樣為150KHz,子帶時隙為30ms。天基通導融合安全定位技術體制信號頻譜分布如圖1所示。

圖1 窄帶通信體制下的安全定位信號頻譜Fig.1 Secure positioning signal spectrum under narrowband communication system

2.2 信息幀設計

通導融合安全定位信號的信息幀主要包括幀同步頭、周計數、周內時計數以及與軌道計算和衛星位置計算相關的電文信息,有效電文共640bit。信息幀采用1/2LDPC信道編碼對導航電文進行編碼,完成編碼后形成1280符號的電文幀,對電文幀均分為10份,每份含有128符號,并在每份電文數據前添加12bit子幀頭(用于子幀識別和組幀)后進行8倍擴頻,擴頻后形成1120bit安全定位導航電文子幀數據段。電文組幀方式如圖2所示。

圖2 電文信息幀設計Fig.2 Design of Message Information Frame

子帶時隙為30ms,播發固定字(80bit)和子幀數據塊(1120bit),其中子幀數據塊為測距碼調制的電文子幀數據。固定字是由0和1組成的某個固定序列,用于實現子幀同步,從而獲取偽距和載波相位。測距碼碼長為1120bit,碼周期為28ms,碼片速率為40kcps。

3 算法設計與仿真

3.1 算法設計

根據多普勒效應原理,用戶終端相對衛星發射信號的等多普勒面是一個錐面,用戶終端位于以觀測衛星為錐頂的圓錐面上。通過單顆衛星多次測量或對多顆衛星測量,就可以獲得若干等多普勒圓錐面,這些圓錐面相交處就可以確定用戶位置,滿足四個或以上多普勒觀測量即可實現用戶位置和時間的解算。

(1)觀測模型

單星多普勒定位的基本方程如式(1)所列:

(1)

(2)魯棒最小二乘解算模型

在定位解算中,定位方程中待估參數的偏導數的表示如式(2)所列:

(2)

(3)

(3)基于偽距信息的授時算法

在安全定位獲得用戶終端位置后,利用安全定位信號偽距測量結果估計鐘差,并對接收機時鐘進行修正,完成授時。鐘差估計方法如式(4)所列:

δtuk=ρk-|rk-r|

(4)

綜上所述,安全定位授時算法流程如圖3所示:

圖3 安全定位授時算法流程Fig.3 Security positioning and timing algorithm process

3.2 仿真結果

安全定位服務基于衛星載波的多普勒實現測速定位,因此載波多普勒觀測精度與定位精度直接相關,而載波多普勒跟蹤精度取決于信號強度即載噪比。另外,接收機時鐘漂移也會影響安全定位精度。因此,本節分別從載噪比和接收機鐘漂兩個方面進行仿真,研究載噪比和接收機鐘漂對安全定位精度的影響。

結合當前衛星互聯網星座通導融合信號功率大小和衛星覆蓋情況,設用戶初始位置(0N,120E,10m),仿真時間500s,接收信號載噪比分別設置為60dB-Hz、55dB-Hz、50dB-Hz、45dB-Hz,衛星覆蓋重數分別為1～3顆。按照仿真條件,得到實時載波精度、后處理精度以及300s定位精度,其結果如表1所列,其中實時載波精度采用鎖頻環得到,后處理精度采用開環估計算法得到。由表1可知,信號載噪比越高,環路跟蹤誤差越小,定位精度越高。另外,設置不同的初始值,所得結果基本一致,可見初值的選擇不影響最終定位結果。不同載噪比下鎖頻環精度仿真結果如下圖4所示。按照當前衛星互聯網星座L頻段通導融合信號功率水平,低軌衛星信號載噪比可達60dB-Hz,定位精度采用載噪比為45～60dB-Hz范圍內的信號進行評估是符合實際情況的。

表1 不同載噪比對安全定位精度的影響Tab.1 The impact of different carrier to noise ratios on the accuracy of secure positioning

圖4 不同載噪比下鎖頻環精度Fig.4 Frequency locked loop accuracy under different carrier to noise ratios

接收機鐘漂也是影響安全定位服務能力的重要因素。通過時長兩小時的實測數據,統計得到的鐘漂變化率為10-13量級,因此加入10-13的鐘漂變化率后,在不同可見星數目場景下進行仿真驗證,仿真結果如表2和圖5所示。通過表2統計得到了接收機鐘漂變化前后定位精度。當可見衛星數目不足時則定位精度受接收機鐘漂穩定性影響很大,需要接收機采用更高精度的時鐘。而當衛星數目達到3顆及以上時,接收機鐘漂穩定性影響不大,無需對接收機時鐘提出更高要求。

表2 鐘漂變化對安全定位精度的影響Tab.2 The impact of clock drift changes on the accuracy of safe positioning

圖5 不同可見星數目對定位精度影響Fig.5 The influence of different visible star numbers on positioning accuracy

從圖5可以看出,單星場景下接收機鐘漂變化對定位精度的影響十分敏感,而3顆星時,接收機鐘漂對定位影響很小,這也說明了可見星數目也是對定位精度影響最大的因素之一。

4 實際性能驗證

根據第2.1節和2.2節信號格式完成了安全定位技術體制信號模擬源和接收終端的硬件研制。假設信號發射場景為單波束,一個完整電文幀播發時間設為0.5s(實際播發一個完整電文幀所需時間為0.3s,剩余的0.2秒不播發任何信號),因此安全定位技術體制信號模擬源能夠生成周期為0.5s的電文幀,接收終端按照技術體制協議,完成安全定位信號接收并解調電文。安全定位信號收發示意圖如圖6所示,信號收發采用同源方式,可忽略時鐘同步以及大氣延遲效應等誤差對信號測試結果的影響。

圖6 信號實際收發示意圖Fig.6 Schematic diagram of actual signal transmission and reception

接收終端完成15min信號接收,并對多普勒等觀測數據進行輸出。圖7給出了在載噪比55dB-Hz條件下的多普勒測量結果。測試環境為同源測試,對載波多普勒觀測量進行多普勒精度評估,其精度為0.9687Hz。對接收電文進行統計分析,由于電文0.5s播發一次,因此15min共接收完整電文1800幀,每個電文幀1280bit,15min共接收2304000bit,電文誤碼bit數為0,電文誤碼率為0,電文誤碼測試結果如圖8所示。載噪比測試結果如圖9所示,電文誤碼統計表如表3所列。

表3 電文誤碼率統計Tab.3 Statistics of message error rate

圖7 多普勒測試結果Fig.7 Doppler test results

圖8 電文bit誤碼測試結果Fig.8 Message bit error test results

圖9 載噪比測試結果Fig.9 Carrier to noise ratio test results

5 結論

文章基于低軌星的通導融合安全定位技術體制進行了探索研究和性能仿真驗證。針對當前通導融合信號的播發特點,設計了基于通導融合的安全定位信號技術體制,并通過仿真對安全定位技術體制進行了觀測量和定位精度的性能驗證。通過研制硬件收發平臺,模擬信號單波束播發場景,也同步驗證了安全定位信號的實際可用性和定位性能。因此,基于低軌星的通導融合安全定位技術體制為我國低軌衛星通導融合系統的工程化建設提供了技術參考,同時也是對我國北斗衛星導航系統應用的有益補充。