【STL】Satelles公司發(fā)布銥星時間和位置系統(tǒng)試驗結(jié)果:授時精度達納秒級
2018-06-27 / 閱讀次數(shù):3854
編譯:魏艷艷(中國電科20所)
轉(zhuǎn)自:“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”微信公眾號
衛(wèi)星時間和位置(STL)技術(shù)是Satelles公司研制、應(yīng)用低軌衛(wèi)星的一種PNT技術(shù)。2016年,Satelles公司對STL系統(tǒng)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(jié)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(fā)布STL系統(tǒng)最新測試結(jié)果,試驗采用差分數(shù)據(jù)和精度更高的恒溫晶體振蕩器(OCXO),試驗結(jié)果顯示,其授時精度可達納秒級。
衛(wèi)星時間和位置系統(tǒng)研究背景
自1995年GPS開始運行以來,除軍事領(lǐng)域需要提供全球無縫覆蓋的服務(wù)外,服務(wù)范圍還延伸至各大民用領(lǐng)域,比如通信行業(yè)、金融服務(wù)、電力、能源、財產(chǎn)跟蹤、位置服務(wù)(LBS)、授時和定位認證(timing and location based authentication)等。隨著應(yīng)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(yōu)點,但依然存在不可避免的缺點,其中包括:
第一,GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度高,一般在2~3萬千米軌道高度上,導(dǎo)航信號經(jīng)過空間損耗到達地面時已很弱,無法穿透衛(wèi)星和用戶間的各種障礙物,尤其在一些特殊環(huán)境中,比如室內(nèi)和其他如城市峽谷等陰影遮蔽比較嚴重的環(huán)境。
第二、在天體運動中,高軌道導(dǎo)致了衛(wèi)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(shè)備因價格低廉極易獲取。
而低軌衛(wèi)星為解決以上問題提供了良好的契機。
第一、低軌衛(wèi)星軌道高度相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星更低,導(dǎo)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(huán)境的定位。
第二、傳統(tǒng)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(wèi)星在軌運行速度更快,在相同觀測時間內(nèi)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(wèi)星星座發(fā)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(shù),不易受到干擾欺騙。
衛(wèi)星時間和位置(Satellite Time and Location, STL)技術(shù)是Satelles公司與波音公司和銥星衛(wèi)星有限責(zé)任公司(Iridium Satellite LLC)合作開發(fā)的一種低軌衛(wèi)星PNT技術(shù)。STL通過銥星衛(wèi)星星座發(fā)射的定位信號能夠穿透包括深室在內(nèi)的許多遮蔽環(huán)境。2013年,Satelles與波音公司和銥星公司達成協(xié)議,由Satelles公司獨家向用戶提供銥星衛(wèi)星系統(tǒng)商業(yè)信號。根據(jù)協(xié)議要求,Satelles獨家管理與STL技術(shù)有關(guān)的銥星衛(wèi)星運營中心的所有接口。2016年,Satelles公司對外發(fā)布STL服務(wù)。
衛(wèi)星時間和位置系統(tǒng)概述
STL系統(tǒng)是通過銥星發(fā)射STL專用信號為用戶提供PNT服務(wù)。銥星星座由66顆低軌道衛(wèi)星(LEO)組成,主要為全球移動用戶提供話音通信服務(wù)。信號發(fā)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(diào)制方式,信號幀長度90ms。由于銥星系統(tǒng)可以在90ms的單幀信號發(fā)射通用“文本電文”,Satelles公司根據(jù)銥星具備的這種能力發(fā)射專用脈沖信號(“bursts”),為用戶提供PNT服務(wù)。
銥星發(fā)射的STL脈沖信號包含一組精心設(shè)計的數(shù)據(jù),經(jīng)銥星發(fā)射機產(chǎn)成一個擴頻RF信號脈沖。STL專用脈沖信號有一個導(dǎo)頻通道和一個數(shù)據(jù)通道,兩個通道都進行復(fù)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(qū)域最多只有39dB的信號衰減。因此,STL系統(tǒng)可以用于室內(nèi)和“都市峽谷”等遮蔽區(qū)域,這一點恰恰能夠彌補GNSS性能缺陷。
衛(wèi)星時間和位置系統(tǒng)性能
STL系統(tǒng)具有以下能力:
全球可用性。銥星星座由66顆低軌衛(wèi)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(nèi)的全球區(qū)域。
信號功率大,具有穿透能力和抗干擾能力。低軌衛(wèi)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(jīng)銥星高功率尋呼信道(paging channedl)單向發(fā)送,即使是在建筑物的地下室內(nèi)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(tǒng)采用專用加密信號,PNT數(shù)據(jù)包都經(jīng)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(tǒng)通過遍布全球安全可靠的銥星地面監(jiān)測站(Teleports)獲取GPS高精度UTC時間,從上行鏈設(shè)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(xiàn)故障時,STL會檢測到GPS故障,在GPS恢復(fù)正常運行前采用銣振蕩器。
位置認證能力。銥星星座每顆衛(wèi)星有48個點波束,可以提供位置認證服務(wù)。STL系統(tǒng)的定位精度30~50米。對于移動物體的位置定位需結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一起使用。
STL系統(tǒng)性能如圖1所示。
圖1 STL系統(tǒng)性能
衛(wèi)星時間和位置系統(tǒng)最新試驗結(jié)果
2018年,Satelles公司根據(jù)不同的設(shè)備、服務(wù)和環(huán)境設(shè)置了3種試驗場景,如表1所示。試驗結(jié)果顯示,采用差分數(shù)據(jù)和精度更高的恒溫晶體振蕩器(OCXO)后,STL系統(tǒng)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(shè)備包括斯坦福研究系統(tǒng)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(shè)備
試驗分外置銣鐘STL系統(tǒng)和內(nèi)置OCXO的差分STL系統(tǒng)兩種情況進行。
(1)外置銣鐘STL系統(tǒng)(無差分校正數(shù)據(jù))的試驗參數(shù)配置及試驗結(jié)果
場景1和場景2未使用差分校正數(shù)據(jù),其參數(shù)配置及試驗結(jié)果如表2和表3所示。
表2 無差分校正數(shù)據(jù)的試驗參數(shù)配置
表3 無差分校正數(shù)據(jù)的試驗結(jié)果
試驗結(jié)果顯示,場景1的授時精度優(yōu)于場景2。
(2)內(nèi)置OCXO的差分STL試驗參數(shù)配置及試驗結(jié)果
與場景1和場景2不同的是,場景3采用了內(nèi)置OCXO和差分數(shù)據(jù),其參數(shù)配置及試驗結(jié)果如表4所示。
表4 使用差分校正數(shù)據(jù)的試驗參數(shù)配置
為了便于比較,場景3對STL系統(tǒng)和差分STL系統(tǒng)分別進行了測試,試驗持續(xù)時間10天,試驗結(jié)果如表5所示。
表5 場景3試驗結(jié)果
試驗結(jié)果顯示,在使用內(nèi)置高精度OCXO時鐘和差分數(shù)據(jù)的情況下,授時精度可達160納秒。
衛(wèi)星時間和位置系統(tǒng)與GNSS的性能比較
STL系統(tǒng)是應(yīng)用銥星高功率尋呼信道發(fā)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(huán)境下,可以彌補和增強GNSS系統(tǒng)性能。STL系統(tǒng)與GNSS性能比較見表6。
表6 STL系統(tǒng)與GNSS性能比較
從表6可以看出,STL系統(tǒng)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(tǒng)采用STL專用脈沖信號,目前還未對所有用戶提供公開規(guī)范。而且,STL系統(tǒng)僅向付費用戶提供服務(wù),這些都是STL系統(tǒng)亟待解決的問題。
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