目前，人們對建立新的規(guī)?；牡偷厍蜍壍溃↙EO）衛(wèi)星星座重新產(chǎn)生了興趣。他們的目標是為世界提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),計劃可能提供數(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(wù)能力，從而免受和少受干擾，并且在室內(nèi)和城市環(huán)境中也能實現(xiàn)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)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(chǔ)設(shè)施，政府的力量將是巨大的。需要進行統(tǒng)籌考慮，現(xiàn)在這種甚囂塵上的所謂商業(yè)航天，大多是無序的商業(yè)噱頭，應(yīng)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(xiàn)在全世界有超過60億臺利用GNSS的設(shè)備，這個數(shù)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(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)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(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域都依賴GPS, 其中在14個領(lǐng)域GPS擁有關(guān)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(shù), 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(shè)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(nèi)幾乎沒有或根本不可能提供服務(wù)。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(wù)。

        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?qū)Ш叫l(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(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(jié)果是, 在GNSS受到阻礙的定位、導航和授時(PNT)應(yīng)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(wù)，這項被稱為“衛(wèi)星時間和位置(STL)”的服務(wù)是由衛(wèi)星與銥星通信公司合作提供的, 消費者、企業(yè)和政府已經(jīng)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(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)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(lián)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(guān)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(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(yīng)用，其目的是跟上不斷增長的寬帶需求。

 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說, 這些低地球軌道星座將給至今還沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)（占有54%人口覆蓋），將帶來互聯(lián)網(wǎng)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(shè)計驅(qū)動因素, 以及如何利用現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)這些驅(qū)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(shè)備、頻譜分配和信號設(shè)計等方面。由于最終可能會有幾種架構(gòu), 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(shè)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(lián)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(wù)。這里的機會可能是利用自動駕駛車輛和連接系統(tǒng)（車聯(lián)網(wǎng)）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(shù)量, 與今天的GNSS導航星座相比, 它們在衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)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(xiàn)成 (COTS) 組件設(shè)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(xiàn)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(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平臺, 提供導航服務(wù), 重點是賦能空間部分。

       LEO星座這種數(shù)量上的優(yōu)勢是關(guān)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(xiàn)了使用商用現(xiàn)成 (COTS) 組件設(shè)計的導航有效載荷。關(guān)于信號結(jié)構(gòu)、頻率分配、用戶設(shè)備、地面部分, 以及誰將在第一時間提供此類服務(wù), 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(chǔ)設(shè)施的彈性。寬帶低地球軌道星座提供商，還可以利用自動駕駛車輛這一類導航需求的互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同作用, 將導航作為一項服務(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，因為其中有些類似或相同頻段的頻率已經(jīng)由國際電聯(lián)分配給不同的系統(tǒng)所用。這同樣也導致了用戶設(shè)備的不確定性, 這些因素結(jié)合在一起是未來工作的一個重要領(lǐng)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(shù)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?shù)男盘枏姸扰c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(nèi)等深度衰減環(huán)境中更有彈性, 更有能力承受干擾。