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铱星时间和位置系统STL和普通GNSS有什么区别?
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发表时间:2018-07-02 09:34来源:天地一体化信息网络

铱星时间和位置系统授时精度达纳秒级

编译:魏艳艳(中国电科20所)

转自:“天地一体化信息网络”微信公众号

卫星时间和位置(STL)技术是Satelles公司研制、应用低轨卫星的一种PNT技术。2016年,Satelles公司对STL系统的性能进行了演示验证,试验使用独立温控晶体振荡器(TCXO-based)接收机,接收铱星星座信号,试验结果显示,其授时精度达亚微秒级。

2018年1月,Satelles公司在ION PTTI年度会议上发布STL系统最新测试结果,试验采用差分数据和精度更高的恒温晶体振荡器(OCXO),试验结果显示,其授时精度可达纳秒级。

卫星时间和位置系统研究背景

自1995年GPS开始运行以来,除军事领域需要提供全球无缝覆盖的服务外,服务范围还延伸至各大民用领域,?#28909;?#36890;信行业、金融服务、电力、能源、财产跟踪、位置服务(LBS)、授时和定位认证(timing and location based authentication)?#21462;?#38543;着应用范围的不断扩展,GNSS的作用愈来愈无法替代。

尽管GNSS有诸多优点,但依然存在不可避免的缺点,其中包括:

第一,GNSS导航卫星轨道高度高,一般在2~3万千米轨道高度上,导航信号经过空间损耗到达地面时已很弱,无法穿透卫星和用户间的各种障碍物,尤其在一些特殊环境中,?#28909;?#23460;内和其他如城市峡谷等阴影遮蔽比较严重的环境。

第二、在天体运动中,高轨道导致了卫星本身的几何位置改变慢,这恰恰与实时快速定位的要求存在冲突。

第三、GNSS信号?#33258;?#21463;到干扰和欺骗,而且这种设备因价格低廉极易获取。

而低轨卫星为解决以上问题提供了良好的契机。

第一、低轨卫星轨道高度相比于传统导航卫星更低,导航信号在空间中的自由传播损耗会更低,地面接收机的信号更强,可用于一些阴影遮?#20301;?#22659;的定位。

第二、传统定位方法大致有?#26412;?#23450;位和载波相位定位两种,其?#24615;?#27874;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难度,而低轨卫星在轨运行速度更快,在相同观测时间内几何位置改变更大,更利于载波相位定位时整周模糊度的解算。


第三、依托低轨卫星星座发射的信号到达地面损耗小,且信号采用专用格式和?#29992;?#25216;术,不?#36164;?#21040;干扰欺骗。

卫星时间和位置(Satellite Time and Location, STL)技术是Satelles公司与波音公司和铱星卫星有限责任公司(Iridium Satellite LLC)合作开发的一种低轨卫星PNT技术。STL通过铱星卫星星座发射的定位信号能够穿透包括深室在内的许多遮?#20301;?#22659;。2013年,Satelles与波音公司和铱星公司达成协议,由Satelles公司独家向用户提供铱星卫星系统商业信号。根据协议要求,Satelles独家管理与STL技术有关的铱星卫星运营?#34892;?#30340;所有接口。2016年,Satelles公司对外发布STL服务。

卫星时间和位置系统概述

STL系统是通过铱星发射STL专用信号为用户提供PNT服务。铱星星座由66颗低轨道卫星(LEO)组成,主要为全球移动用户提供话音通信服务。信号发射频段为L频段(1616~1626MHz),采用25,000符号率/秒的正交相移编码(QPSK)调制方式,信号帧长度90ms。由于铱星系统可以在90ms的单帧信号发射通用“文本电文?#20445;琒atelles公司根据铱星具备的这种能力发射专用脉冲信号(“bursts?#20445;?#20026;用户提供PNT服务。

铱星发射的STL脉冲信号包含一组精心设计的数据,经铱星发射机产成一个扩频RF信号脉冲。STL专用脉冲信号有一个导频通道和一个数据通道,两个通道都进行复杂编码,在进行编码增益处理后即便是微弱信号?#37096;梢源?#36879;建筑物。STL接收机可以通过这种编码增益得到每个脉冲信号的精确时间(?#26412;啵?#21644;频?#20160;?#37327;,相对于?#35789;?#36974;蔽区域最多只有39dB的信号衰减。因此,STL系统可以用于室内和“?#38469;?#23777;?#21462;?#31561;遮蔽区域,这一点恰恰能够弥补GNSS性能缺陷。

卫星时间和位置系统性能

STL系统具有以下能力:

全球可用性。铱星星座由66颗低轨卫星组成,是目前在轨运行的最大星座,能够覆盖包括极地在内的全球区域。

信号功率大,具有穿透能力和抗干扰能力。低轨卫星距离地球800多千米,STL信号到达地面时的信号强度是GNSS信号的1000倍,且信号是经铱星高功率寻呼信道(paging channedl)单向发送,即使是在建筑物的地?#29575;?#20869;也能接收到STL信号。且高功率STL信号可以?#38047;?#22823;功率干扰机的干扰。

抗欺骗能力,安全性高。STL系统采用专用?#29992;?#20449;号,PNT数据包都经过?#29992;埽?#21482;有付费用户才能解密使用,具有抗欺骗能力。

时间同步和授时能力。STL通过GPS溯源到UTC时间。STL系统通过遍布全球安全可靠的铱星地面监测站(Teleports)获取GPS高精度UTC时间,从上行链设备向铱星星座提供高精度时间。STL相对于UTC授时精度为约200纳秒。目前,Satelles公司采用全球25个地面站的铷驯服授时接收机测量GPS时间,并进行比较和相互校验。GPS出现?#25910;?#26102;,STL会检测到GPS?#25910;希?#22312;GPS恢复正常运?#26143;安?#29992;铷振荡器。

位置认证能力。铱星星座每颗卫星有48个点波束,可以提供位置认证服务。STL系统的定位精度30~50米。对于移动物体的位置定位需结合惯性导航系统一起使用。

STL系统性能如图1所示。

图1  STL系统性能

卫星时间和位置系统最新试验结果

2018年,Satelles公司根据不同的设备、服务和环境设置了3种试验场景,如表1所示。试验结果显示,采用差分数据和精度更高的恒温晶体振荡器(OCXO)后,STL系统的授时精度可达160纳秒。

表1  3种STL试验场景


试验使用的用户设备包括斯坦福研究系统公司(SRS)的PRS10铷蒸汽频?#20160;?#32771;和Satelles评估?#20934;‥VK2)STL接收机,如图2所示。

图2  试验用户设备

试验分外置铷钟STL系统和内置OCXO的差分STL系统两种情况进行。

(1)外置铷钟STL系统(无差?#20013;?#27491;数据)的试验参数配置及试验结果

场景1和场景2未使用差?#20013;?#27491;数据,其参数配置及试验结果如表2和表3所示。

表2  无差?#20013;?#27491;数据的试验参数配置

表3  无差?#20013;?#27491;数据的试验结果

试验结果显示,场景1的授时精度优于场景2。

(2)内置OCXO的差分STL试验参数配置及试验结果

与场景1和场景2不同的是,场景3采用了内置OCXO和差分数据,其参数配置及试验结果如表4所示。

表4  使用差?#20013;?#27491;数据的试验参数配置

为了便于比较,场景3对STL系统和差分STL系统分别进行了测试,试验?#20013;?#26102;间10天,试验结果如表5所示。

表5  场景3试验结果

试验结果显示,在使用内置高精度OCXO时钟和差分数据的情况下,授时精度可达160纳秒。

卫星时间和位置系统与GNSS的性能比较

STL系统是应用铱星高功率寻呼信道发射STL专用脉冲信号,使接收机可以接收到精确的时频观测量,在GNSS拒止环境下,可以弥补和增强GNSS系统性能。STL系统与GNSS性能比较见表6。

表6  STL系统与GNSS性能比较

从表6可以看出,STL系统定位和授时精度不及GNSS,但具有抗干扰和欺骗能力,且大功率信号不受遮蔽障碍物影响,在性能上可以与GNSS形成互补。但是,STL系统采用STL专用脉冲信号,目前还未对所有用户提供公开规范。而且,STL系统仅向付费用户提供服务,这些都是STL系统亟待解决的问题。

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