基于平流層飛艇的GNSS導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用前景

文|張偉 潘麗靜 張爽娜

航天恒星科技有限公司

一、前言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，GNSS可以為用戶提供全球覆蓋的、高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)，但在實(shí)際應(yīng)用中衛(wèi)星導(dǎo)航的脆弱性也表現(xiàn)得十分明顯。一方面GNSS導(dǎo)航信號(hào)的傳播速度和方向在經(jīng)過電離層時(shí)會(huì)發(fā)生改變，由此會(huì)在GNSS導(dǎo)航信號(hào)的測(cè)量中因?yàn)殡婋x層的存在而帶來延遲誤差[1]；另一方面衛(wèi)星軌道高度較高，到達(dá)地面時(shí)已經(jīng)非常微弱，容易受到自然和人為的電磁干擾，特別是在遠(yuǎn)海、陸上偏遠(yuǎn)地區(qū)、城市峽谷等，其服務(wù)精度、可用性、信號(hào)的連續(xù)性及完好性等方面都不能滿足導(dǎo)航用戶對(duì)于導(dǎo)航的應(yīng)用需求[2]。因此，業(yè)界開始尋找其他有效的導(dǎo)航平臺(tái)。

從20世紀(jì)末以來，全球很多國家開始了平流層飛艇的研究工作，發(fā)展較快的有日本平流層飛艇、美國JP公司的“攀登者”飛艇以及英國的平流層飛艇StratSat等。隨著平流層飛艇的不斷發(fā)展，其在通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域的地位逐漸被人們重視。考慮到平流層飛艇生存環(huán)境平穩(wěn)、信號(hào)質(zhì)量良好、體積大負(fù)荷能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好、費(fèi)效比高等優(yōu)勢(shì)[3-4]，因此可以把基于平流層飛艇的GNSS導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的一個(gè)有效備份和補(bǔ)充系統(tǒng)。

二、平流層飛艇的特點(diǎn)分析

地球表面的大氣層隨著高度的變化具有不同的特性，可分為對(duì)流層、平流層和電離層。

1）對(duì)流層從地球表面一直伸展到8km的高空，具有氣象變化復(fù)雜的特點(diǎn)，包括大氣層越高溫度越低、空氣水平和垂直對(duì)流活躍、溫度和濕度等分布不均勻?qū)е掠辍⒀?、云、霧、雹、霜、露等復(fù)雜多變的天氣現(xiàn)象。

2）平流層是指從8～50km的高空，又稱“同溫層”。與對(duì)流層不同，平流層中氣流主要表現(xiàn)為水平方向的微弱運(yùn)動(dòng)，天氣晴朗無云，氣候平穩(wěn)，電磁傳播性能良好，因此在平流層進(jìn)行區(qū)域?qū)Ш?、通信、預(yù)警等具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

3）電離層是指從50km一直伸展到約1000km的大氣區(qū)域，其中的大氣層都處于部分電離或者完全電離的狀態(tài)，電離層中存在大量的自由離子和電子能使無線電波改變傳播方向和速度。

平流層飛艇是一種利用輕于空氣的氣體（如氦氣）作為升力的浮空器，依靠空氣浮力駐留在平流層。利用平流層飛艇建設(shè)導(dǎo)航增強(qiáng)平臺(tái)，相比導(dǎo)航衛(wèi)星具有以下優(yōu)勢(shì)[5-7]。

1）長期定點(diǎn)駐空：平流層內(nèi)空氣流動(dòng)相對(duì)較小，柔和的風(fēng)力適合飛艇長期駐留空中，發(fā)射準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)。

2）信號(hào)落地功率高：平流層飛艇與地球表面的距離一般在20km左右，自由空間損耗較小，其播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)落地功率高，具有信號(hào)功率增強(qiáng)的特性。

3）無電離層影響：平流層飛艇飛行在平流層，這樣飛艇播發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過平流層和對(duì)流層后直接到達(dá)地面，不存在電離層延遲誤差對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響。

4）負(fù)荷能力大：平流層飛艇機(jī)體尺寸較大，負(fù)荷能力強(qiáng)，可以同時(shí)搭載不同的有效載荷，建立集導(dǎo)航電子對(duì)抗、通信指揮、偵察監(jiān)視、預(yù)警探測(cè)于一體的綜合服務(wù)系統(tǒng)。

5）機(jī)動(dòng)性好：平流層飛艇具有較好的機(jī)動(dòng)性（機(jī)動(dòng)速度可達(dá)100km/h左右），所需的地面設(shè)備少，易于更新和維護(hù)平臺(tái)，因此平流層飛艇更機(jī)動(dòng)靈活。

6）易于快速部署：與導(dǎo)航衛(wèi)星相比，平流層飛艇更加方便發(fā)射和維護(hù)管理，衛(wèi)星發(fā)射前需要做大量的準(zhǔn)備工作，發(fā)射過程本身也十分復(fù)雜繁瑣，平流層飛艇無需專門的發(fā)射工具，只需要簡單的地面設(shè)備發(fā)射（例如飛機(jī)），可以快速發(fā)射組網(wǎng)。

7）可重復(fù)使用：平流層飛艇有利于環(huán)境保護(hù)，可以回收利用，失效后不像衛(wèi)星那樣變成太空垃圾。

鑒于平流層飛艇的以上優(yōu)勢(shì)，利用平流層飛艇建設(shè)GNSS導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，使其成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的一個(gè)有效的備份和補(bǔ)充系統(tǒng)，對(duì)于有效解決地面終端導(dǎo)航可用性問題，尤其是干擾條件下的可用性具有重要意義。

三、基于平流層飛艇的GNSS導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)組成

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在指揮控制、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)、火力協(xié)同、戰(zhàn)場(chǎng)救援和精確打擊等軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，GNSS系統(tǒng)的脆弱性也在逐漸突顯。特別是在叢林、城市峽谷以及復(fù)雜電磁環(huán)境下，GNSS導(dǎo)航信號(hào)存在信號(hào)易丟失、難捕獲、抗干擾能力弱、定位時(shí)間長、難以保證導(dǎo)航服務(wù)精度等問題。

為了克服GNSS導(dǎo)航信號(hào)的脆弱性，有效提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性和服務(wù)精度，本文設(shè)計(jì)了一種基于平流層飛艇的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括可視GNSS衛(wèi)星、若干平流層飛艇、地面測(cè)控站以及地面導(dǎo)航增強(qiáng)用戶終端（圖1）。

圖1 基于平流層飛艇的GNSS導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)

其中，GNSS衛(wèi)星播發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，平流層飛艇搭載導(dǎo)航增強(qiáng)有效載荷，發(fā)射導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，地面測(cè)控站負(fù)責(zé)對(duì)平流層飛艇進(jìn)行測(cè)控，地面導(dǎo)航增強(qiáng)用戶終端通過接收GNSS信號(hào)和飛艇的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)完成自身的導(dǎo)航增強(qiáng)定位服務(wù)。

2.工作原理

平流層飛艇搭載導(dǎo)航增強(qiáng)有效載荷，播發(fā)類GNSS導(dǎo)航信號(hào)，包括測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，這樣飛艇在平流層漂浮，充當(dāng)偽衛(wèi)星的角色，天然地與GNSS衛(wèi)星組網(wǎng)。平流層飛艇通過接收GNSS導(dǎo)航信號(hào)完成定位解算，獲取自身的位置信息和可視衛(wèi)星的電文信息。一方面，向地面播發(fā)高功率的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，包括飛艇的測(cè)距碼、飛艇的位置信息，實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率增強(qiáng)，另一方面轉(zhuǎn)發(fā)可視GNSS衛(wèi)星的電文信息，實(shí)現(xiàn)信息增強(qiáng)。

地面用戶終端接收飛艇的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，通過對(duì)功率增強(qiáng)的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行測(cè)距、電文解調(diào)，獲取轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS衛(wèi)星的電文信息。考慮到某些GNSS頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)包含數(shù)據(jù)通道和與其正交的導(dǎo)頻通道兩部分，導(dǎo)頻通道沒有數(shù)據(jù)調(diào)制，因此可以在外部輔助條件下通過對(duì)導(dǎo)頻通道的周期信號(hào)進(jìn)行累加提高信噪比來進(jìn)行檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)利用轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS可視星的電文信息，輔助完成弱信號(hào)GNSS導(dǎo)航信號(hào)的接收處理，實(shí)現(xiàn)GNSS接收靈敏度的提升。

3.工作模式

針對(duì)GNSS信號(hào)在遮擋以及電磁干擾環(huán)境下，出現(xiàn)的信號(hào)較弱無法正常捕獲，可見星少于4顆無法正常定位，甚至嚴(yán)重情況下GNSS完全不可用等問題，本文設(shè)計(jì)了電文增強(qiáng)、星座增強(qiáng)和系統(tǒng)增強(qiáng)三種工作模式用于解決以上問題。

當(dāng)GNSS導(dǎo)航信號(hào)良好時(shí)，GNSS信號(hào)進(jìn)行正常工作；當(dāng)GNSS信號(hào)較弱無法檢測(cè)時(shí)，利用飛艇的輔助電文信息進(jìn)行高靈敏定位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率與增強(qiáng)信息增強(qiáng)；當(dāng)GNSS可視星小于4顆無法定位，選取若干飛艇與GNSS衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)，進(jìn)行聯(lián)合定位，實(shí)現(xiàn)星座增強(qiáng)；當(dāng)GNSS完全不可用時(shí)，飛艇可以獨(dú)立組網(wǎng)完成導(dǎo)航定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增強(qiáng)，作為GNSS的有效備份。平流層飛艇導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2 平流層飛艇導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)工作流程

（1）電文增強(qiáng)模式

當(dāng)GNSS信號(hào)被遮擋或者受干擾條件下，信號(hào)信噪比較低，普通的用戶終端無法正常檢測(cè)到導(dǎo)航信號(hào)。此時(shí)可以通過平流層飛艇播發(fā)的導(dǎo)航增強(qiáng)信息輔助完成低信噪比信號(hào)的檢測(cè)。該模式下地面終端接收到平流層飛艇的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，獲取飛艇的位置信息，同時(shí)測(cè)量來波方向可以粗略估算自身位置。然后根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的GNSS的星歷信息獲取衛(wèi)星的位置，這樣就可以推算GNSS發(fā)射時(shí)間，進(jìn)而可以得出GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的碼相位的粗略位置，用于輔助周期信號(hào)的長時(shí)間累加提高信噪比。利用平流層飛艇的電文輔助可以有效提高GNSS信號(hào)的接收靈敏度和干擾條件下的抗干擾能力。

（2）星座增強(qiáng)模式

在遮擋環(huán)境下，GNSS可視星數(shù)量少于4顆，不能滿足GNSS導(dǎo)航信號(hào)的定位需求。在該場(chǎng)景下，將平流層飛艇作為“偽衛(wèi)星”，播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，與GNSS可視衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)，提供導(dǎo)航定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)GNSS的星座增強(qiáng)。利用平流層飛艇與其他可視GNSS 衛(wèi)星組成“T_GNSS系統(tǒng)”，作為GNSS系統(tǒng)的補(bǔ)充手段，提高GNSS系統(tǒng)的可用性。

（3）系統(tǒng)增強(qiáng)模式

在GNSS拒止條件下，所有的GNSS衛(wèi)星不可用，此時(shí)可以利用平流層飛艇進(jìn)行獨(dú)立組網(wǎng)，平流層飛艇的數(shù)量至少4艘即可向目標(biāo)用戶提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r(shí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)增強(qiáng)。利用平流層飛艇建設(shè)導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，可以作為戰(zhàn)區(qū)電磁干擾等GNSS拒止條件下的導(dǎo)航備份手段。

四、平流層飛艇在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用前景

通過理論分析表明，基于平流層飛艇的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，可以有效提高導(dǎo)航服務(wù)的精度、抗干擾性和可用性，滿足導(dǎo)航用戶對(duì)導(dǎo)航的應(yīng)用需求（圖3）。

圖3 平流層飛艇在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）在單兵裝備中的應(yīng)用

單兵裝備在叢林、溝壕、洞庫、城市繁華街區(qū)等應(yīng)用場(chǎng)景，面臨導(dǎo)航軍用信號(hào)易丟失、再捕獲困難，功耗加大、電池壽命縮短等問題。這類問題不僅限于單兵裝備，也是軍用物資運(yùn)輸車輛、輕型步兵作戰(zhàn)車輛、小型軍用無人機(jī)等導(dǎo)航輕裝備面臨的共同問題。輕裝備一般裝備小型無人機(jī)、物資運(yùn)輸車輛、輕型戰(zhàn)車等輕型平臺(tái)和用于單兵手持導(dǎo)航。該類裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性有限，但體積功耗較小，價(jià)格相對(duì)低廉，無法使用復(fù)雜的導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，輕裝備可作為平流層飛艇導(dǎo)航增強(qiáng)一類重要的應(yīng)用對(duì)象。

（2）在遠(yuǎn)海軍事作戰(zhàn)中的應(yīng)用

在遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)中，失去岸基無線導(dǎo)航系統(tǒng)的交叉?zhèn)浞輩⒖迹h(yuǎn)洋艦船迫切希望導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供可靠的、可信的、可參照比較的導(dǎo)航定位服務(wù)。相比于定位精度的提高，更期待完好性的保障[8]。不僅遠(yuǎn)洋艦船有這樣的軍事需求，災(zāi)難救援等非戰(zhàn)爭軍事行動(dòng)同樣也有這樣的軍事需求。平流層飛艇具有操縱簡便靈活、飛行速度快、發(fā)射時(shí)間短等特點(diǎn)，可以在遠(yuǎn)海上空快速部署，通過多個(gè)平流層飛艇組網(wǎng)，構(gòu)成專用的戰(zhàn)區(qū)級(jí)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，為遠(yuǎn)海軍事行動(dòng)提供全時(shí)段、自主可控、可信賴和無線電隱蔽的導(dǎo)航手段。

（3）在導(dǎo)航電子對(duì)抗戰(zhàn)中的應(yīng)用

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航電子對(duì)抗技術(shù)已經(jīng)成為電子對(duì)抗領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。導(dǎo)航戰(zhàn)是由美軍首先提出的作戰(zhàn)理論，是針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)而進(jìn)行的，其作戰(zhàn)目的是在交戰(zhàn)中保證己方充分利用導(dǎo)航定位系統(tǒng)阻止對(duì)方使用導(dǎo)航定位系統(tǒng)并最大限度地降低干擾措施對(duì)民用用戶的影響。將集導(dǎo)航、通信、預(yù)警偵察等功能于一體的平流層飛艇作為導(dǎo)航電子對(duì)抗平臺(tái)，對(duì)于提高軍隊(duì)的電子對(duì)抗能力具有重要的意義，體現(xiàn)在：1）進(jìn)行導(dǎo)航偵察：平流層飛艇高度適中，便于利用艇載導(dǎo)航電子偵察裝備進(jìn)行搜索、截獲、識(shí)別、定位和分析空中輻射的電磁能量，以掌握敵方輻射源的技術(shù)特性、威脅程度和兵力部署變動(dòng)等情報(bào)[9]。2）進(jìn)行導(dǎo)航攻擊：利用平流層飛艇發(fā)射高功率的電磁能或定向能擾亂、削弱、破壞、摧毀敵方導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)航電子設(shè)備及相關(guān)武器或人員作戰(zhàn)效能所采取的各種戰(zhàn)術(shù)技術(shù)措施和行動(dòng)。3）進(jìn)行導(dǎo)航抗干擾：利用平流層飛艇發(fā)射導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，輔助GNSS提高衛(wèi)星導(dǎo)航的抗干擾能力，成為GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充和備份手段。

（4）在有效載荷試驗(yàn)中的應(yīng)用

衛(wèi)星有效載荷一般選擇高山、高塔、飛機(jī)等場(chǎng)地進(jìn)行搭載試驗(yàn)，上述試驗(yàn)環(huán)境與有效載荷的空間飛行環(huán)境差別太大，不能模擬真實(shí)環(huán)境；此外，試驗(yàn)平臺(tái)的高度低、導(dǎo)致信號(hào)的覆蓋范圍小，影響試驗(yàn)效果。而平流層飛艇平臺(tái)可提供平穩(wěn)的飛行條件，平臺(tái)環(huán)境更加接近真實(shí)的空間環(huán)境；另外，平流層飛艇負(fù)荷能力大，可以同時(shí)搭載多個(gè)有效載荷，一次飛艇發(fā)射可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)有效載荷的搭載試驗(yàn)，節(jié)約成本。

五、結(jié)論

本文針對(duì)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)脆弱性的問題，提出了一種基于平流層飛艇的GNSS導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先，詳細(xì)分析了平流層飛艇相比衛(wèi)星平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，明確了系統(tǒng)的組成、工作原理，并針對(duì)目前GNSS存在的問題設(shè)計(jì)了三種導(dǎo)航增強(qiáng)的工作模式，然后闡述了平流層飛艇在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用前景。通過理論分析表明建立基于平流層飛艇的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，能夠有效提高GNSS導(dǎo)航服務(wù)的精度和可用性。目前只是完成了系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，后續(xù)將進(jìn)一步研究如何將系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行工程化實(shí)現(xiàn)。