基于低軌星的通導(dǎo)融合安全定位技術(shù)體制與性能驗(yàn)證

伍蔡倫,郎興康,王 同,趙精博,孫洪馳

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊 050081;2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊,050081)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航是一種利用衛(wèi)星提供定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)的技術(shù),具有高精度、全球覆蓋、不受地形和天氣影響等優(yōu)點(diǎn),能為各行各業(yè)提供低成本高精度定位導(dǎo)航服務(wù)[1-4]。在航空航天領(lǐng)域,精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航能提高飛機(jī)、艦船衛(wèi)星等航海航空航天器的飛行安全性和效率,保障人員和設(shè)備安全;在交通運(yùn)輸領(lǐng)域,可信定位和導(dǎo)航能提高汽車、火車、船舶等交通運(yùn)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(shù)的不斷發(fā)展,衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和覆蓋范圍也在不斷提高,未來(lái)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)更加廣泛應(yīng)用于民生等各個(gè)領(lǐng)域。

盡管衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,但仍存在一些缺陷[5-8]:(1)易被欺騙:衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)可以被偽造來(lái)欺騙接收器,導(dǎo)致定位誤差或被欺騙;(2)信號(hào)功率不夠:衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)功率有限,會(huì)導(dǎo)致在某些環(huán)境下信號(hào)弱化或丟失,影響可用性和定位精度;(3)抗干擾能力差:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾能力相對(duì)較弱,容易受到電磁干擾、雷電等外部干擾因素影響,導(dǎo)致定位精度變差;(4)安全問(wèn)題:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全問(wèn)題也是需要考慮的因素,黑客攻擊、惡意干擾等行為可能會(huì)破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行。

低軌衛(wèi)星由于覆蓋重?cái)?shù)多、落地功率高以及具備雙向信息認(rèn)證等優(yōu)點(diǎn),低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)已經(jīng)成為解決上述問(wèn)題的一種有效手段,也是獲取低成本、高可靠、實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)定位服務(wù)的優(yōu)選之路。世界各大國(guó)均已開(kāi)始部署全球低軌星座,意圖搶占低軌航天先機(jī),如具有代表性的美國(guó)銥星系統(tǒng)和星鏈計(jì)劃。美國(guó)從2006開(kāi)始研究構(gòu)建集多種導(dǎo)航資源,具有更強(qiáng)可用性、魯棒性和導(dǎo)航作戰(zhàn)能力的國(guó)家定位、導(dǎo)航與授時(shí)(positioning navigation timing, PNT)體系。其中PNT體系與通信系統(tǒng)的融合是建設(shè)重點(diǎn)之一,通過(guò)二者深度融合提高PNT服務(wù)彈性和韌性,目前已在新一代銥星系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)并提供服務(wù)[9]。

新一代銥星星座已部署完成75顆在軌衛(wèi)星,提供衛(wèi)星授時(shí)和定位(satellites time and location, STL)服務(wù)。根據(jù)公開(kāi)資料顯示,STL定位精度達(dá)到20m,授時(shí)精度為1μs[10-12]。銥星STL信號(hào)用于導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)主要有:一是相對(duì)于GNSS信號(hào),具有更強(qiáng)信號(hào)落地功率,能夠在衰減條件(室內(nèi)深處)以及一定惡意干擾條件下提供定位授時(shí)服務(wù);二是銥星采用48個(gè)點(diǎn)波束,將點(diǎn)波束和隨機(jī)廣播相結(jié)合形成了基于位置認(rèn)證的服務(wù)機(jī)制,能夠抵抗欺騙干擾。

2015年9月20日,長(zhǎng)征六號(hào)火箭成功將20顆小衛(wèi)星送入太空,其中6顆搭載了實(shí)時(shí)精密定軌驗(yàn)證載荷,開(kāi)啟了我國(guó)關(guān)于低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的序幕[13]。武漢大學(xué)牽頭研制的“珞珈一號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星于2018年6月發(fā)射,該衛(wèi)星首次成功開(kāi)展了低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了雙頻增強(qiáng)信號(hào)播發(fā),為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)驗(yàn)證積累了大量在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[14]。2018年12月29日,鴻雁星座首顆試驗(yàn)星“重慶號(hào)”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空,計(jì)劃在2023年建成由60顆左右衛(wèi)星構(gòu)成的窄帶系統(tǒng),在2025年建成約270顆星構(gòu)成的寬帶系統(tǒng)。該星座就是利用低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)功能,使高性能導(dǎo)航服務(wù)從行業(yè)用戶進(jìn)入大眾市場(chǎng)[14]。中國(guó)電子科技集團(tuán)公司在2019年6月發(fā)射了網(wǎng)通一號(hào)雙星(天象一號(hào)A/B星),用于低軌衛(wèi)星通信和低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)體制的融合驗(yàn)證,為我國(guó)后續(xù)基于低軌衛(wèi)星的通導(dǎo)融合技術(shù)發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)[15]。

綜上,低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向,世界上各大國(guó)和組織均在開(kāi)展相關(guān)研究工作。利用低軌星座進(jìn)行通導(dǎo)融合設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋的PNT服務(wù),是低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì),也是我國(guó)進(jìn)一步打造北斗全球服務(wù)核心競(jìng)爭(zhēng)力,提升國(guó)際影響,謀求時(shí)空信息領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)博弈優(yōu)勢(shì)的重要保障。因此,面向低軌星座導(dǎo)航增強(qiáng)的服務(wù)需求和發(fā)展目標(biāo),文章針對(duì)下一代天基通導(dǎo)融合安全定位技術(shù)體制展開(kāi)研究,實(shí)現(xiàn)通導(dǎo)一體化融合設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能驗(yàn)證,為通導(dǎo)融合安全定位技術(shù)體制的實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù)。

1 通導(dǎo)融合發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于低軌通導(dǎo)融合體制的研究和工程應(yīng)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(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)快速收斂的精密定位。低軌導(dǎo)航信號(hào)采用L頻點(diǎn),具有較高的穿透能力,但其精度受到多徑效應(yīng)和大氣延遲等因素影響。低軌衛(wèi)星播發(fā)雙頻導(dǎo)航信號(hào)可有效消除電離層和對(duì)流層誤差,實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、快速定位服務(wù)。

抗干擾定位通過(guò)低軌衛(wèi)星播發(fā)Ka導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào),接收機(jī)獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)(如偽距、多普勒等)及低軌衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息后,在衛(wèi)星四重覆蓋條件下實(shí)現(xiàn)快速定位。 Ka導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)北斗拒止環(huán)境下的抗干擾定位導(dǎo)航服務(wù)。

安全定位是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在航天、航空等領(lǐng)域最重要應(yīng)用之一?；诘蛙壭堑耐▽?dǎo)融合安全定位技術(shù)是在北斗信號(hào)拒止環(huán)境下實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于北斗的可信定位服務(wù)。該定位技術(shù)體制可通過(guò)多次觀測(cè)一顆或多顆低軌衛(wèi)星L頻段播發(fā)的通導(dǎo)融合信號(hào),通過(guò)雙向鑒權(quán)以及不依賴于北斗的獨(dú)立定位來(lái)互校驗(yàn)定位結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)“安全定位”,以達(dá)到可信和反欺騙的定位能力。低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合相比GNSS信號(hào)的落地功率更高,且通信導(dǎo)航信號(hào)融合設(shè)計(jì),充分利用了頻譜資源和功率資源。

綜上分析,基于低軌衛(wèi)星L頻段通導(dǎo)融合安全定位體制能有效解決傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在抗欺騙性、信號(hào)功率及安全性等方面的不足,是對(duì)現(xiàn)有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的備份補(bǔ)充,能有效擴(kuò)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。因此,文章主要針對(duì)基于低軌衛(wèi)星L頻段通導(dǎo)融合安全定位體制展開(kāi)研究,并完成相關(guān)算法的服務(wù)性能評(píng)估。

2 安全定位技術(shù)體制

2.1 信號(hào)頻率設(shè)計(jì)

安全定位技術(shù)體制基于天基窄帶通信的L頻段信號(hào)實(shí)現(xiàn),利用通信時(shí)隙播發(fā)導(dǎo)航電文并利用高精度多普勒和偽距測(cè)量實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位與授時(shí)。其中,L窄帶通信體制采用相鄰36個(gè)帶寬為150KHz的子帶播發(fā)通信信號(hào),整個(gè)窄帶通信信號(hào)帶寬為5.4MHz。安全定位信號(hào)位于窄帶通信體制下的第n個(gè)子帶上,帶寬同樣為150KHz,子帶時(shí)隙為30ms。天基通導(dǎo)融合安全定位技術(shù)體制信號(hào)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(hào)頻譜Fig.1 Secure positioning signal spectrum under narrowband communication system

2.2 信息幀設(shè)計(jì)

通導(dǎo)融合安全定位信號(hào)的信息幀主要包括幀同步頭、周計(jì)數(shù)、周內(nèi)時(shí)計(jì)數(shù)以及與軌道計(jì)算和衛(wèi)星位置計(jì)算相關(guān)的電文信息,有效電文共640bit。信息幀采用1/2LDPC信道編碼對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行編碼,完成編碼后形成1280符號(hào)的電文幀,對(duì)電文幀均分為10份,每份含有128符號(hào),并在每份電文數(shù)據(jù)前添加12bit子幀頭(用于子幀識(shí)別和組幀)后進(jìn)行8倍擴(kuò)頻,擴(kuò)頻后形成1120bit安全定位導(dǎo)航電文子幀數(shù)據(jù)段。電文組幀方式如圖2所示。

圖2 電文信息幀設(shè)計(jì)Fig.2 Design of Message Information Frame

子帶時(shí)隙為30ms,播發(fā)固定字(80bit)和子幀數(shù)據(jù)塊(1120bit),其中子幀數(shù)據(jù)塊為測(cè)距碼調(diào)制的電文子幀數(shù)據(jù)。固定字是由0和1組成的某個(gè)固定序列,用于實(shí)現(xiàn)子幀同步,從而獲取偽距和載波相位。測(cè)距碼碼長(zhǎng)為1120bit,碼周期為28ms,碼片速率為40kcps。

3 算法設(shè)計(jì)與仿真

3.1 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理,用戶終端相對(duì)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的等多普勒面是一個(gè)錐面,用戶終端位于以觀測(cè)衛(wèi)星為錐頂?shù)膱A錐面上。通過(guò)單顆衛(wèi)星多次測(cè)量或?qū)Χ囝w衛(wèi)星測(cè)量,就可以獲得若干等多普勒?qǐng)A錐面,這些圓錐面相交處就可以確定用戶位置,滿足四個(gè)或以上多普勒觀測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)用戶位置和時(shí)間的解算。

(1)觀測(cè)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(shù)的偏導(dǎo)數(shù)的表示如式(2)所列:

(2)

(3)

(3)基于偽距信息的授時(shí)算法

在安全定位獲得用戶終端位置后,利用安全定位信號(hào)偽距測(cè)量結(jié)果估計(jì)鐘差,并對(duì)接收機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行修正,完成授時(shí)。鐘差估計(jì)方法如式(4)所列:

δtuk=ρk-|rk-r|

(4)

綜上所述,安全定位授時(shí)算法流程如圖3所示:

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

3.2 仿真結(jié)果

安全定位服務(wù)基于衛(wèi)星載波的多普勒實(shí)現(xiàn)測(cè)速定位,因此載波多普勒觀測(cè)精度與定位精度直接相關(guān),而載波多普勒跟蹤精度取決于信號(hào)強(qiáng)度即載噪比。另外,接收機(jī)時(shí)鐘漂移也會(huì)影響安全定位精度。因此,本節(jié)分別從載噪比和接收機(jī)鐘漂兩個(gè)方面進(jìn)行仿真,研究載噪比和接收機(jī)鐘漂對(duì)安全定位精度的影響。

結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座通導(dǎo)融合信號(hào)功率大小和衛(wèi)星覆蓋情況,設(shè)用戶初始位置(0N,120E,10m),仿真時(shí)間500s,接收信號(hào)載噪比分別設(shè)置為60dB-Hz、55dB-Hz、50dB-Hz、45dB-Hz,衛(wèi)星覆蓋重?cái)?shù)分別為1～3顆。按照仿真條件,得到實(shí)時(shí)載波精度、后處理精度以及300s定位精度,其結(jié)果如表1所列,其中實(shí)時(shí)載波精度采用鎖頻環(huán)得到,后處理精度采用開(kāi)環(huán)估計(jì)算法得到。由表1可知,信號(hào)載噪比越高,環(huán)路跟蹤誤差越小,定位精度越高。另外,設(shè)置不同的初始值,所得結(jié)果基本一致,可見(jiàn)初值的選擇不影響最終定位結(jié)果。不同載噪比下鎖頻環(huán)精度仿真結(jié)果如下圖4所示。按照當(dāng)前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座L頻段通導(dǎo)融合信號(hào)功率水平,低軌衛(wèi)星信號(hào)載噪比可達(dá)60dB-Hz,定位精度采用載噪比為45～60dB-Hz范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行評(píng)估是符合實(shí)際情況的。

表1 不同載噪比對(duì)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(huán)精度Fig.4 Frequency locked loop accuracy under different carrier to noise ratios

接收機(jī)鐘漂也是影響安全定位服務(wù)能力的重要因素。通過(guò)時(shí)長(zhǎng)兩小時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)得到的鐘漂變化率為10-13量級(jí),因此加入10-13的鐘漂變化率后,在不同可見(jiàn)星數(shù)目場(chǎng)景下進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真結(jié)果如表2和圖5所示。通過(guò)表2統(tǒng)計(jì)得到了接收機(jī)鐘漂變化前后定位精度。當(dāng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目不足時(shí)則定位精度受接收機(jī)鐘漂穩(wěn)定性影響很大,需要接收機(jī)采用更高精度的時(shí)鐘。而當(dāng)衛(wèi)星數(shù)目達(dá)到3顆及以上時(shí),接收機(jī)鐘漂穩(wěn)定性影響不大,無(wú)需對(duì)接收機(jī)時(shí)鐘提出更高要求。

表2 鐘漂變化對(duì)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(jiàn)星數(shù)目對(duì)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(chǎng)景下接收機(jī)鐘漂變化對(duì)定位精度的影響十分敏感,而3顆星時(shí),接收機(jī)鐘漂對(duì)定位影響很小,這也說(shuō)明了可見(jiàn)星數(shù)目也是對(duì)定位精度影響最大的因素之一。

4 實(shí)際性能驗(yàn)證

根據(jù)第2.1節(jié)和2.2節(jié)信號(hào)格式完成了安全定位技術(shù)體制信號(hào)模擬源和接收終端的硬件研制。假設(shè)信號(hào)發(fā)射場(chǎng)景為單波束,一個(gè)完整電文幀播發(fā)時(shí)間設(shè)為0.5s(實(shí)際播發(fā)一個(gè)完整電文幀所需時(shí)間為0.3s,剩余的0.2秒不播發(fā)任何信號(hào)),因此安全定位技術(shù)體制信號(hào)模擬源能夠生成周期為0.5s的電文幀,接收終端按照技術(shù)體制協(xié)議,完成安全定位信號(hào)接收并解調(diào)電文。安全定位信號(hào)收發(fā)示意圖如圖6所示,信號(hào)收發(fā)采用同源方式,可忽略時(shí)鐘同步以及大氣延遲效應(yīng)等誤差對(duì)信號(hào)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖6 信號(hào)實(shí)際收發(fā)示意圖Fig.6 Schematic diagram of actual signal transmission and reception

接收終端完成15min信號(hào)接收,并對(duì)多普勒等觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。圖7給出了在載噪比55dB-Hz條件下的多普勒測(cè)量結(jié)果。測(cè)試環(huán)境為同源測(cè)試,對(duì)載波多普勒觀測(cè)量進(jìn)行多普勒精度評(píng)估,其精度為0.9687Hz。對(duì)接收電文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,由于電文0.5s播發(fā)一次,因此15min共接收完整電文1800幀,每個(gè)電文幀1280bit,15min共接收2304000bit,電文誤碼bit數(shù)為0,電文誤碼率為0,電文誤碼測(cè)試結(jié)果如圖8所示。載噪比測(cè)試結(jié)果如圖9所示,電文誤碼統(tǒng)計(jì)表如表3所列。

表3 電文誤碼率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of message error rate

圖7 多普勒測(cè)試結(jié)果Fig.7 Doppler test results

圖8 電文bit誤碼測(cè)試結(jié)果Fig.8 Message bit error test results

圖9 載噪比測(cè)試結(jié)果Fig.9 Carrier to noise ratio test results

5 結(jié)論

文章基于低軌星的通導(dǎo)融合安全定位技術(shù)體制進(jìn)行了探索研究和性能仿真驗(yàn)證。針對(duì)當(dāng)前通導(dǎo)融合信號(hào)的播發(fā)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于通導(dǎo)融合的安全定位信號(hào)技術(shù)體制,并通過(guò)仿真對(duì)安全定位技術(shù)體制進(jìn)行了觀測(cè)量和定位精度的性能驗(yàn)證。通過(guò)研制硬件收發(fā)平臺(tái),模擬信號(hào)單波束播發(fā)場(chǎng)景,也同步驗(yàn)證了安全定位信號(hào)的實(shí)際可用性和定位性能。因此,基于低軌星的通導(dǎo)融合安全定位技術(shù)體制為我國(guó)低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合系統(tǒng)的工程化建設(shè)提供了技術(shù)參考,同時(shí)也是對(duì)我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的有益補(bǔ)充。