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Satelles公司發布銥星時間和位置系統試驗結果:授時精度達納秒級

時間:2018-07-02發布者:“天地一體化信息網絡”微信公眾號瀏覽次數:1879次

  衛星時間和位置(STL)技術是Satelles公司研制、應用低軌衛星的一種PNT技術。2016年,Satelles公司對STL系統的性能進行了演示驗證,試驗使用獨立溫控晶體振蕩器(TCXO-based)接收機,接收銥星星座信號,試驗結果顯示,其授時精度達亞微秒級。

  2018年1月,Satelles公司在ION PTTI年度會議上發布STL系統最新測試結果,試驗采用差分數據和精度更高的恒溫晶體振蕩器(OCXO),試驗結果顯示,其授時精度可達納秒級。


衛星時間和位置系統研究背景

  自1995年GPS開始運行以來,除軍事領域需要提供全球無縫覆蓋的服務外,服務范圍還延伸至各大民用領域,比如通信行業、金融服務、電力、能源、財產跟蹤、位置服務(LBS)、授時和定位認證(timing and location based authentication)等。隨著應用范圍的不斷擴展,GNSS的作用愈來愈無法替代。

盡管GNSS有諸多優點,但依然存在不可避免的缺點,其中包括:

  第一,GNSS導航衛星軌道高度高,一般在2~3萬千米軌道高度上,導航信號經過空間損耗到達地面時已很弱,無法穿透衛星和用戶間的各種障礙物,尤其在一些特殊環境中,比如室內和其他如城市峽谷等陰影遮蔽比較嚴重的環境。


  第二、在天體運動中,高軌道導致了衛星本身的幾何位置改變慢,這恰恰與實時快速定位的要求存在沖突。

  第三、GNSS信號易遭受到干擾和欺騙,而且這種設備因價格低廉極易獲取。

而低軌衛星為解決以上問題提供了良好的契機。

  第一、低軌衛星軌道高度相比于傳統導航衛星更低,導航信號在空間中的自由傳播損耗會更低,地面接收機的信號更強,可用于一些陰影遮蔽環境的定位。

  第二、傳統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,而低軌衛星在軌運行速度更快,在相同觀測時間內幾何位置改變更大,更利于載波相位定位時整周模糊度的解算。


   第三、依托低軌衛星星座發射的信號到達地面損耗小,且信號采用專用格式和加密技術,不易受到干擾欺騙。

   衛星時間和位置(Satellite Time and Location, STL)技術是Satelles公司與波音公司和銥星衛星有限責任公司(Iridium Satellite LLC)合作開發的一種低軌衛星PNT技術。STL通過銥星衛星星座發射的定位信號能夠穿透包括深室在內的許多遮蔽環境。2013年,Satelles與波音公司和銥星公司達成協議,由Satelles公司獨家向用戶提供銥星衛星系統商業信號。根據協議要求,Satelles獨家管理與STL技術有關的銥星衛星運營中心的所有接口。

   2016年,Satelles公司對外發布STL服務。


衛星時間和位置系統概述

   STL系統是通過銥星發射STL專用信號為用戶提供PNT服務。銥星星座由66顆低軌道衛星(LEO)組成,主要為全球移動用戶提供話音通信服務。信號發射頻段為L頻段(1616~1626MHz),采用25,000符號率/秒的正交相移編碼(QPSK)調制方式,信號幀長度90ms。由于銥星系統可以在90ms的單幀信號發射通用“文本電文”,Satelles公司根據銥星具備的這種能力發射專用脈沖信號(“bursts”),為用戶提供PNT服務。


  銥星發射的STL脈沖信號包含一組精心設計的數據,經銥星發射機產成一個擴頻RF信號脈沖。STL專用脈沖信號有一個導頻通道和一個數據通道,兩個通道都進行復雜編碼,在進行編碼增益處理后即便是微弱信號也可以穿透建筑物。STL接收機可以通過這種編碼增益得到每個脈沖信號的精確時間(偽距)和頻率測量,相對于未受遮蔽區域最多只有39dB的信號衰減。因此,STL系統可以用于室內和“都市峽谷”等遮蔽區域,這一點恰恰能夠彌補GNSS性能缺陷。

衛星時間和位置系統性能

STL系統具有以下能力:

  全球可用性。銥星星座由66顆低軌衛星組成,是目前在軌運行的最大星座,能夠覆蓋包括極地在內的全球區域。

  信號功率大,具有穿透能力和抗干擾能力。低軌衛星距離地球800多千米,STL信號到達地面時的信號強度是GNSS信號的1000倍,且信號是經銥星高功率尋呼信道(paging channedl)單向發送,即使是在建筑物的地下室內也能接收到STL信號。且高功率STL信號可以抵御大功率干擾機的干擾。

  抗欺騙能力,安全性高。STL系統采用專用加密信號,PNT數據包都經過加密,只有付費用戶才能解密使用,具有抗欺騙能力。



   時間同步和授時能力。STL通過GPS溯源到UTC時間。STL系統通過遍布全球安全可靠的銥星地面監測站(Teleports)獲取GPS高精度UTC時間,從上行鏈設備向銥星星座提供高精度時間。STL相對于UTC授時精度為約200納秒。目前,Satelles公司采用全球25個地面站的銣馴服授時接收機測量GPS時間,并進行比較和相互校驗。GPS出現故障時,STL會檢測到GPS故障,在GPS恢復正常運行前采用銣振蕩器。

   位置認證能力。銥星星座每顆衛星有48個點波束,可以提供位置認證服務。STL系統的定位精度30~50米。對于移動物體的位置定位需結合慣性導航系

統一起使用。

STL系統性能如圖1所示。


 STL系統性能

衛星時間和位置系統最新試驗結果

   2018年,Satelles公司根據不同的設備、服務和環境設置了3種試驗場景,如表1所示。試驗結果顯示,采用差分數據和精度更高的恒溫晶體振蕩器(OCXO)后,STL系統的授時精度可達160納秒。

表1  3種STL試驗場景


  試驗使用的用戶設備包括斯坦福研究系統公司(SRS)的PRS10銣蒸汽頻率參考和Satelles評估套件(EVK2)STL接收機,如圖2所示。



圖2  試驗用戶設備

    試驗分外置銣鐘STL系統和內置OCXO的差分STL系統兩種情況進行。

    (1)外置銣鐘STL系統(無差分校正數據)的試驗參數配置及試驗結果

    場景1和場景2未使用差分校正數據,其參數配置及試驗結果如表2和表3所示。

表2  無差分校正數據的試驗參數配置

表3  無差分校正數據的試驗結果

   試驗結果顯示,場景1的授時精度優于場景2。

  (2)內置OCXO的差分STL試驗參數配置及試驗結果與場景1和場景2不同的是,場景3采用了內置OCXO和差分數據,其參數配置及試驗結果如表4所示。

表4  使用差分校正數據的試驗參數配置

 

為了便于比較,場景3對STL系統和差分STL系統分別進行了測試,試驗持續時間10天,試驗結果如表5所示。


表5  場景3試驗結果

   

試驗結果顯示,在使用內置高精度OCXO時鐘和差分數據的情況下,授時精度可達160納秒。

   衛星時間和位置系統與GNSS的性能比較

  STL系統是應用銥星高功率尋呼信道發射STL專用脈沖信號,使接收機可以接收到精確的時頻觀測量,在GNSS拒止環境下,可以彌補和增強GNSS系統性能。STL系統與GNSS性能比較見表6。

表6  STL系統與GNSS性能比較

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

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