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Satelles公司發(fā)布銥星時(shí)間和位置系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果:授時(shí)精度達(dá)納秒級(jí)

發(fā)布時(shí)間:2022-04-14 09:28:51

  衛(wèi)星時(shí)間和位置(STL)技術(shù)是Satelles公司研制、應(yīng)用低軌衛(wèi)星的一種PNT技術(shù)。2016年,Satelles公司對(duì)STL系統(tǒng)的性能進(jìn)行了演示驗(yàn)證,試驗(yàn)使用獨(dú)立溫控晶體振蕩器(TCXO-based)接收機(jī),接收銥星星座信號(hào),試驗(yàn)結(jié)果顯示,其授時(shí)精度達(dá)亞微秒級(jí)。

  2018年1月,Satelles公司在ION PTTI年度會(huì)議上發(fā)布STL系統(tǒng)最新測(cè)試結(jié)果,試驗(yàn)采用差分?jǐn)?shù)據(jù)和精度更高的恒溫晶體振蕩器(OCXO),試驗(yàn)結(jié)果顯示,其授時(shí)精度可達(dá)納秒級(jí)。

PNT技術(shù)

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)研究背景

  自1995年GPS開始運(yùn)行以來,除軍事領(lǐng)域需要提供全球無縫覆蓋的服務(wù)外,服務(wù)范圍還延伸至各大民用領(lǐng)域,比如通信行業(yè)、金融服務(wù)、電力、能源、財(cái)產(chǎn)跟蹤、位置服務(wù)(LBS)、授時(shí)和定位認(rèn)證(timing and location based authentication)等。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展,GNSS的作用愈來愈無法替代。

盡管GNSS有諸多優(yōu)點(diǎn),但依然存在不可避免的缺點(diǎn),其中包括:

  第一,GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度高,一般在2~3萬(wàn)千米軌道高度上,導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過空間損耗到達(dá)地面時(shí)已很弱,無法穿透衛(wèi)星和用戶間的各種障礙物,尤其在一些特殊環(huán)境中,比如室內(nèi)和其他如城市峽谷等陰影遮蔽比較嚴(yán)重的環(huán)境。

低軌衛(wèi)星軌道高度相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星更低

  第二、在天體運(yùn)動(dòng)中,高軌道導(dǎo)致了衛(wèi)星本身的幾何位置改變慢,這恰恰與實(shí)時(shí)快速定位的要求存在沖突。

  第三、GNSS信號(hào)易遭受到干擾和欺騙,而且這種設(shè)備因價(jià)格低廉極易獲取。

而低軌衛(wèi)星為解決以上問題提供了良好的契機(jī)。

  第一、低軌衛(wèi)星軌道高度相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星更低,導(dǎo)航信號(hào)在空間中的自由傳播損耗會(huì)更低,地面接收機(jī)的信號(hào)更強(qiáng),可用于一些陰影遮蔽環(huán)境的定位。

  第二、傳統(tǒng)定位方法大致有偽距定位和載波相位定位兩種,其中載波相位定位具有更高的定位精度,但解算整周模糊度具有一定的難度,而低軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行速度更快,在相同觀測(cè)時(shí)間內(nèi)幾何位置改變更大,更利于載波相位定位時(shí)整周模糊度的解算。

載波相位定位時(shí)整周模糊度的解算

  第三、依托低軌衛(wèi)星星座發(fā)射的信號(hào)到達(dá)地面損耗小,且信號(hào)采用專用格式和加密技術(shù),不易受到干擾欺騙。

  衛(wèi)星時(shí)間和位置(Satellite Time and Location, STL)技術(shù)是Satelles公司與波音公司和銥星衛(wèi)星有限責(zé)任公司(Iridium Satellite LLC)合作開發(fā)的一種低軌衛(wèi)星PNT技術(shù)。STL通過銥星衛(wèi)星星座發(fā)射的定位信號(hào)能夠穿透包括深室在內(nèi)的許多遮蔽環(huán)境。2013年,Satelles與波音公司和銥星公司達(dá)成協(xié)議,由Satelles公司獨(dú)家向用戶提供銥星衛(wèi)星系統(tǒng)商業(yè)信號(hào)。根據(jù)協(xié)議要求,Satelles獨(dú)家管理與STL技術(shù)有關(guān)的銥星衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)中心的所有接口。

   2016年,Satelles公司對(duì)外發(fā)布STL服務(wù)。

STL服務(wù)

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)概述

   STL系統(tǒng)是通過銥星發(fā)射STL專用信號(hào)為用戶提供PNT服務(wù)。銥星星座由66顆低軌道衛(wèi)星(LEO)組成,主要為全球移動(dòng)用戶提供話音通信服務(wù)。信號(hào)發(fā)射頻段為L(zhǎng)頻段(1616~1626MHz),采用25,000符號(hào)率/秒的正交相移編碼(QPSK)調(diào)制方式,信號(hào)幀長(zhǎng)度90ms。由于銥星系統(tǒng)可以在90ms的單幀信號(hào)發(fā)射通用“文本電文”,Satelles公司根據(jù)銥星具備的這種能力發(fā)射專用脈沖信號(hào)(“bursts”),為用戶提供PNT服務(wù)。

STL專用信號(hào)為用戶提供PNT服務(wù)

  銥星發(fā)射的STL脈沖信號(hào)包含一組精心設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù),經(jīng)銥星發(fā)射機(jī)產(chǎn)成一個(gè)擴(kuò)頻RF信號(hào)脈沖。STL專用脈沖信號(hào)有一個(gè)導(dǎo)頻通道和一個(gè)數(shù)據(jù)通道,兩個(gè)通道都進(jìn)行復(fù)雜編碼,在進(jìn)行編碼增益處理后即便是微弱信號(hào)也可以穿透建筑物。STL接收機(jī)可以通過這種編碼增益得到每個(gè)脈沖信號(hào)的精確時(shí)間(偽距)和頻率測(cè)量,相對(duì)于未受遮蔽區(qū)域最多只有39dB的信號(hào)衰減。因此,STL系統(tǒng)可以用于室內(nèi)和“都市峽谷”等遮蔽區(qū)域,這一點(diǎn)恰恰能夠彌補(bǔ)GNSS性能缺陷。

STL系統(tǒng)可以用于室內(nèi)和“都市峽谷”等遮蔽區(qū)域

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)性能

STL系統(tǒng)具有以下能力:

  全球可用性。銥星星座由66顆低軌衛(wèi)星組成,是目前在軌運(yùn)行的最大星座,能夠覆蓋包括極地在內(nèi)的全球區(qū)域。

  信號(hào)功率大,具有穿透能力和抗干擾能力。低軌衛(wèi)星距離地球800多千米,STL信號(hào)到達(dá)地面時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度是GNSS信號(hào)的1000倍,且信號(hào)是經(jīng)銥星高功率尋呼信道(paging channedl)單向發(fā)送,即使是在建筑物的地下室內(nèi)也能接收到STL信號(hào)。且高功率STL信號(hào)可以抵御大功率干擾機(jī)的干擾。

  抗欺騙能力,安全性高。STL系統(tǒng)采用專用加密信號(hào),PNT數(shù)據(jù)包都經(jīng)過加密,只有付費(fèi)用戶才能解密使用,具有抗欺騙能力。

STL通過GPS溯源到UTC時(shí)間

  時(shí)間同步和授時(shí)能力。STL通過GPS溯源到UTC時(shí)間。STL系統(tǒng)通過遍布全球安全可靠的銥星地面監(jiān)測(cè)站(Teleports)獲取GPS高精度UTC時(shí)間,從上行鏈設(shè)備向銥星星座提供高精度時(shí)間。STL相對(duì)于UTC授時(shí)精度為約200納秒。目前,Satelles公司采用全球25個(gè)地面站的銣馴服授時(shí)接收機(jī)測(cè)量GPS時(shí)間,并進(jìn)行比較和相互校驗(yàn)。GPS出現(xiàn)故障時(shí),STL會(huì)檢測(cè)到GPS故障,在GPS恢復(fù)正常運(yùn)行前采用銣振蕩器。

  位置認(rèn)證能力。銥星星座每顆衛(wèi)星有48個(gè)點(diǎn)波束,可以提供位置認(rèn)證服務(wù)。STL系統(tǒng)的定位精度30~50米。對(duì)于移動(dòng)物體的位置定位需結(jié)合慣性導(dǎo)航系

統(tǒng)一起使用。

STL系統(tǒng)性能如圖1所示。

STL系統(tǒng)性能

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)最新試驗(yàn)結(jié)果

  2018年,Satelles公司根據(jù)不同的設(shè)備、服務(wù)和環(huán)境設(shè)置了3種試驗(yàn)場(chǎng)景,如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示,采用差分?jǐn)?shù)據(jù)和精度更高的恒溫晶體振蕩器(OCXO)后,STL系統(tǒng)的授時(shí)精度可達(dá)160納秒。

  試驗(yàn)使用的用戶設(shè)備包括斯坦福研究系統(tǒng)公司(SRS)的PRS10銣蒸汽頻率參考和Satelles評(píng)估套件(EVK2)STL接收機(jī)

  試驗(yàn)分外置銣鐘STL系統(tǒng)和內(nèi)置OCXO的差分STL系統(tǒng)兩種情況進(jìn)行。

  (1)外置銣鐘STL系統(tǒng)(無差分校正數(shù)據(jù))的試驗(yàn)參數(shù)配置及試驗(yàn)結(jié)果

   試驗(yàn)結(jié)果顯示,場(chǎng)景1的授時(shí)精度優(yōu)于場(chǎng)景2。

  (2)內(nèi)置OCXO的差分STL試驗(yàn)參數(shù)配置及試驗(yàn)結(jié)果與場(chǎng)景1和場(chǎng)景2不同的是,場(chǎng)景3采用了內(nèi)置OCXO和差分?jǐn)?shù)據(jù),其參數(shù)配置及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4  使用差分校正數(shù)據(jù)的試驗(yàn)參數(shù)配置

為了便于比較,場(chǎng)景3對(duì)STL系統(tǒng)和差分STL系統(tǒng)分別進(jìn)行了測(cè)試,試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間10天。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,在使用內(nèi)置高精度OCXO時(shí)鐘和差分?jǐn)?shù)據(jù)的情況下,授時(shí)精度可達(dá)160納秒。

 衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)與GNSS的性能比較

 STL系統(tǒng)是應(yīng)用銥星高功率尋呼信道發(fā)射STL專用脈沖信號(hào),使接收機(jī)可以接收到精確的時(shí)頻觀測(cè)量,在GNSS拒止環(huán)境下,可以彌補(bǔ)和增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)性能。STL系統(tǒng)與GNSS性能比較見表6。

 從表6可以看出,STL系統(tǒng)定位和授時(shí)精度不及GNSS,但具有抗干擾和欺騙能力,且大功率信號(hào)不受遮蔽障礙物影響,在性能上可以與GNSS形成互補(bǔ)。但是,STL系統(tǒng)采用STL專用脈沖信號(hào),目前還未對(duì)所有用戶提供公開規(guī)范。而且,STL系統(tǒng)僅向付費(fèi)用戶提供服務(wù),這些都是STL系統(tǒng)亟待解決的問題。


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