• English | 武漢大學 | 院長信箱
    點擊展開菜單

    學術交流

    學術前沿
    當前位置: > 科學研究 > 學術交流 > 學術前沿 >

    在GNSS被阻斷環境中,作為替代PNT的新一代銥星星座

    時間:2019-07-05 來源:新時空研究院 點擊:
    在未被覆蓋和阻斷GNSS信號區域,在諸如深海大洋區域、地球遠北地區和大沙漠區域,基于低地球軌道(LEO)衛星的機會信號的定位問題顯得十分重要。特別是在遇險和航行緊急情況期間,怎樣保持航空公司的跟蹤信息?為實現這一目標,搜索和救援(SAR)的新設計中實施了定位信息的研究開發。收發電臺的位置和速度可以根據來自于LEO衛星的分布式多普勒信息融合估計。在緊急情況下,特別是在考慮飛機、動態、軌跡、天線軸旋轉或任何其他阻礙或損壞條件下,使得飛機的定位和跟蹤變得非常難于實現,并且不具有任何彈性。本文展示的概念證明,正在開發的創新解決方案,選擇新一代銥星低軌(Iridium Next LEO)星座,被認為是一種極具潛力的升級衛星技術,并享有搜索和救援應用的特權;诤笃谔幚韺嶒灁祿占憩F出非常好的性能,和第一手實驗和理論結果表明,用多普勒頻移估計和分析確定位置顯示出了非常有希望的成果。
     
      基于多普勒頻移的定位在過去50年中經過實驗和開發,直到GNSS星座全面投入運行,包括GPS、格洛納斯、伽利略和北斗系統。與更為精準的GNSS解決方案相比,ARGOS和COSPAS-SARSAT等不同的衛星系統,是使用多普勒頻移確定位置算法的。進行搜索和救援應用,以及較高的可接受定位精度。使用這些星座進行定位的主要優點是,它們可以在被阻斷GNSS的環境中工作,并且可以向用戶提供定位和授時信息。由此可見,能夠提供新技術的研發,形成任何環境和射頻條件下必要的導航解決方案,被稱為PNT的系統:定位導航和授時都是基于GPS和其他GNSS信號,以及基于完全獨立的定位系統,如通信衛星:Orbcomm,Globalstar和最近與Iridium Next衛星星座。
     
      為了更好地確保精度,開發并提出了自適應和魯棒性卡爾曼濾波方法,以及許多其它相關問題。最近,隨著銥衛星網絡的發展和升級進入銥星星座,并且主要由波音公司、Satelles和Iridium進行各種研究和開發,通過不同的耦合、濾波和PNT堅韌性與可靠性,在沒有GPS和GNSS信號的境況下,也可以找到各種各樣的重大成果。此外,也已被證明,GNSS信號是最重要的;不僅用于定位和導航,還用于不同部門的定時和時間同步應用,如電信、網絡和傳感器網絡同步等。所有這些都需要堅強性PNT解決方案。特別是,在假設阻斷GNSS的環境中,這里提出了另一種PNT,即基于Iridium Next LEO星座,作為位置確定(PDS)解決方案。該解決方案可以直接應用于靜止情況,然后擴展到動態定位狀態,用于越洋飛行跟蹤,用于在緊急和遇險情況下在GNSS未覆蓋區域中的飛機導航安全性。因此,我們考慮通用設計,但是使用Iridium Next機會信號(SoOp)對固定無線電信標進行了演示應用。
     
      新一代低地球軌道(LEO)銥星星座,77顆衛星,傾角86.4度,48個波束
     
      利用LEO衛星作為位置確定解決方案。在許多導航應用場合,定位系統可能是不可用的或不具備堅強性,特別是在被阻斷或未被覆蓋的區域或受限區域內。因此,出現了一個有趣的問題,如何在全球范圍內隨時隨地保持定位(PDS)信息,以提供距離、距離變化率、位置、方位角和時間?這篇文章試圖解決這個問題,這個問題是在2014年馬來西亞MH370航空公司飛機在印度洋上空消失提出來的。自那次事件發生以來,國際民航組織參與并指導了航空和航天領域的大量專家參與,通過整合額外的PDS使飛行更安全,以期確保在所有條件下的安全、跟蹤和通信。與GNSS和其他導航設備不同,這里建議使用選定的低延遲LEO衛星解決方案,具有可靠的定位功能。
     
      此外,這些增強系統是堅強性PNT/PDS解決方案,可作為車載、機載和多種多樣船舶上的冗余慣性導航的附加輔助手段,為了解決這個具有挑戰性的問題,銥星衛星星座被認為是個選項。相對于信號功率而言,其下行鏈路信號可以明顯優于GNSS信號。試驗結果表明,在最佳情況下(無需先進的信號處理或數據融合),銥星可以提供CEP半徑為1-2Km的位置信息,然后可以將狀態估計解釋為重要的非線性不等式約束或良好的初始化信息。在使用一顆LEO衛星計算瞬時位置時,衛星運營商可以在每個連接的終端檢測和定位時具有可接受的精度(1-10 Km)。問題是目前達到的精度有限,而且將新一代銥星作為機會信號使用時,還要有額外的信息處理工作。
     
      利用新一代銥星實現多普勒定位。在最近的幾十年間,基于卡爾曼濾波的集成衛星多普勒/ INS系統,用于一般車輛導航應用,證明是切實可行的。這種融合被認為是堅強性集成組合導航系統,特別是在阻斷GNSS條件下,使用衛星多普勒測量不失為一種出路,并且開發了不同的頻移估計數值方法,并將其引入定位工程界。值得高度關注的是,銥星星座網絡,已于2017年升級,并于2019年1月初完成。銥星接下來有超過77顆新衛星,它們在天空中的總數超過140顆。值得一提的是,LEO衛星的幾何形狀與GNSS星座不同,它們的可見性提供了值得注意的重要優勢和深入的分析。Iridium Next的另一個吸引人的特性是它們在定位中的執行和有用的通信模式和協議稱為SBD(短脈沖數據),廣泛用于飛行跟蹤應用,通過銥星網絡將突發消息,GPS或飛行數據傳輸到地面服務器。Iridium新一代星座被認為是一個有吸引力且顯著堅強性的PNT / PDS解決方案,原因很多;其中最重要的是:銥星新一代LEO衛星位于海拔780公里的圓形軌道上,這使得它們的信號遠高于GNSS信號的300至2400倍。此外,信號傳輸的延遲時間從700毫秒減少到100毫秒,這使得Iridium Next成為遙控、遙測的潛在PNT解決方案。使用銥星專門的下行電路,作為PNT堅強性解決方案,是由Satelles公司驗證并證明的巨大成果,他們提出了衛星授時和定位(STL)的概念,并且通過銥星星座加以實施推進。
    时时彩计划