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低轨(LEO)导航星座是GNSS互补者吗?

添加时间:2020-07-15 来源:斗室智库 作者:曹冲
  一群毕业于斯坦福大学博士生和硕士生,他们已经具有在SpaceX、福特汽车系统公司、蓝色起源、布兹·艾伦·汉密尔顿和其他公司中的工作经验,最近组织起来成立了一家初创公司,以启动低地球轨道导航(简称其为LEO PNT),成为GPS和其他GNSS(简称为MEO GNSS)的继承者。他们说,现有的MEO GNSS服务不能适应自主的自动化和无人系统的挑战。他们希望所创立了Xona空间系统公司,所倡导的LEO PNT以取代有点老旧感的全球卫星导航系统(GNSS)。但是理想很丰满,现实却很骨感。可以说,期待之说有点过,互补与后备是可以的。
  “每年超过3000亿美元依靠的是安全难于受保护的导航网络。智能自主系统需要完善的导航系统解决方案,该解决方案必须为数百万用户提供对安全至关重要的服务运作,实现厘米级定位和网络安全性。”
  计划于今年9月的ION / IEEE PLANS会议上发表的一篇论文中,他们提出了使用低地球轨道(LEO)卫星星座,以及正在申请专利的Pulsar PNT服务的方法。该公司声称,Pulsar将提供比标准GNSS更好十倍的精度、更强的信号、信号加密和更快的收敛时间。LEO的功能包括:一种低成本的导航有效载荷,其开始于原子钟的去除,取而代之的是依靠机载GNSS接收器来确定时间和轨道;简化的信号结构,只用两个分量;还能够利用由GNSS无线电掩星提供的商业天气数据市场进行大气校正等等副产品。
  Xona空间系统公司最近获得了100万美元的种子前资金。该公司总部位于加利福尼亚州圣马特奥,已在英国成立了一家子公司,并在伦敦任命了欧洲负责人,并计划在英国雇用更多的员工。其创始人包括泰勒·里德(Tyler Reid),他是“北美公路上的独立定位和RTK GNSS”一文的合著者(发表于《GNSS内参》2020年1-2月刊),还有一马古宁(Kazuma Gunning),是2019年《GNSS内参》网络研讨会的“自主汽车应用天线”的演讲者,和《用于GNSS防欺骗的消费者大众市场加速度计》一文的合著者阿德里安·珀金斯(Adrien Perkins)(发表于《GNSS内参》2017年9-10月刊),以及《保护GNSS的安全的下行密码学之路》一文的合著者安德鲁·尼什(Andrew Neish)(该文发表于《GNSS内参考》2020年5-6月刊)。
  ION / IEEE PLANS论文题目是《自动化时代的卫星导航》,文章得出的结论是:“大约300余颗卫星的LEO星座可以提供与当今GPS类似的覆盖范围。由OneWeb、SpaceX、Telesat和Amazon等公司建造的成千上万个卫星组成的宽带星座,现在已经在装配线上批量生产了功能强大的卫星和组件,从而为以前无法想象的太空基础设施创造了生态系统。在这场革命中,可以想象出只需花费一颗GPS III卫星(3.45亿美元)就可以建造一个LEO导航星座(每颗卫星为100万美元)。”
  基于商业宽带近地轨道(LEO)卫星星座的潜在定位、导航和授时(PNT)技术的预期正在建立。这些航天器比中轨或对地静止轨道上的传统全球导航卫星系统(GNSS)距离更近,数量也更多,它们的应答器既具有极高的增益,又可获取广泛的频谱。因此,潜在的商业LEO PNT信号比传统的GNSS更加精准、强大、可生存且抗干扰。Reid等人在他们的开创性工作中,分析了使用托管有效载荷实现的潜在系统的性能。该文将通过消除托管有效载荷方法固有的成本,工程设计和频谱分配方面的主要障碍来加速LEO PNT的出现。取而代之的是,该文展示了LEO PNT的“融合”方法的可行性,通过这种方法,已经设计好的通信硬件和已经分配给卫星主要宽带任务的下行链路频谱可以用于PNT。
  传统GNSS的成本由国家和政府承担,而且民用服务是免费的,与之不同,商业宽带LEO提供商必须将成本转嫁给用户。为了使这种方案可行,就必须具有经济性。也就是说,它必须提供与价格相称的传统(免费)GNSS的基本优势,否则就没有需求;并且该服务必须足够便宜才能提供,否则将无法提供。这是一个硬币的两面,该文探讨以下两个方面:一方面,该系统必须提供优于传统(免费)GNSS的基本优势。文章将量化融合LEO PNT的许多优势:改进的抗干扰性能(优势为56 dB);更多的可见航天器以减少阴影;缩短积分时间以减少延迟;内置的高带宽广播数据通道,用于获取最新的星历表或短消息;与标准伪距GNSS接收机相比,极大地提高了单历元定位精度。另一方面,服务必须对提供商具有成本效益。该文将表明,就卫星在提供PNT信号和重新定相天线方面所花费的时间(作为单个1 MB / s下行流)而言,向300 km2的区域提供PNT服务的成本大致相同。该文将进一步说明该系统如何适应愿意花更多钱购买提高精度或抗干扰能力的用户。
  该文论证了在短期内,LEO PNT将按照Reid等人的方法运行,它被称为多层GNSS架构:每颗卫星将携带GNSS接收机。这种体系结构是传统GNSS和完全由LEO保证的全自动PNT之间的保证体系的有效对接:它依赖于可在轨道上使用的GNSS,并为地面用户提供高度抗干扰的信号。在LEO中用卫星对GNSS接收机进行干扰或欺骗要比对地面或空中接收机进行干扰更具挑战性,而且LEO航天器的高轨道速度将使它们迅速超出任何固定干扰器的范围。该文将说明,由于采用了多层体系结构,融合LEO PNT的硬件成本相当适中。根据蒙特布鲁克(Montenbruck)等人的轨道确定结果表明,使用星载温度控制的晶体振荡器(OCXO)和双频GNSS接收机,可实现的用户定位误差可低至0.558 m(水平)和0.717 m(垂直)(95%,平均水平)。
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