面向飞行器自主导航的铱星_星链星座覆盖性及可见性分析.pdf

第8 卷第1 期2024年1 月宇航总体技术Astronautical Systems Engineering TechnologyVol.8 No.1Jan.2024面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析沈利荣1，毛嘉1，刘智惟，李（1.西安电子科技大学空间科学与技术学院，西安7 1 0 1 2 6；2.中国航天科技创新研究院，北京1 0 0 1 7 6；3.北京宇航系统工程研究所，北京1 0 0 0 7 6）摘要：针对低轨星座机会信号导航中单星座构型和可见星数无法同时满足高精度、高可用性的难题，基于铱星、星链轨道参数，建立了单星座和混合星座模型，探究了各个星座覆盖重数、覆盖率及飞行器对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少，随飞行器最小观测仰角增大而减少，星链和铱星的融合可显著增加纬度6 0 以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有1 0 0%全覆盖；星链目前覆盖区域向两极拓展，对全球覆盖重数最大为56，最小为0，未实现全球不同纬度、全时段1 0 0%的覆盖率，但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于1 0，不同纬度、不同时间覆盖率达到1 0 0%，显著优于单星座。关键词：低轨；星链；铱星；可见性；覆盖性中图分类号：V19文献标志码：ACoverage and Visibility Analysis of Iridium and StarlinkConstellations for Autonomous Navigation of AircraftSHEN Lirong,MAO Jia,LIU Zhiwei?,LI Hui?,TU Zhipeng(1.School of Aerospace Science and Technology,Xidian University,Xian 710126,China;2.China Academy of Aerospace Science and Innovation,Beijing 100176,China;3.Beijing Institute of Astronautical System Engineering,Beijing 100076,China)Abstract:This paper focuses on the challenges of the configuration of a single constellation and thenumber of visible stars cannot simultaneously meet the requirements of high accuracy and high a-vailability in low orbit constellation opportunistic signal navigation.Based on the orbitalparameters of the Iridium and the Starlink,this paper established single constellation models andhybrid constellation models,explored the coverage multiplicity,the coverage rates for each con-stellation,and the visibility of aircraft to the aforementioned constellations.The research resultsindicate that the number of visible satellites during aircraft flight decreases with the increase inflight altitude and decreases with the increase in flight angle of elevation.The fusion of the Star-link and Iridium constellations increases the number of visible satellites during aircraft flight at dif-ferent latitudes,especially in areas above 60 degrees of north latitude.Iridium achieved 100%full收稿日期：2 0 2 3-0 9-1 7；修订日期：2 0 2 3-1 2-1 2基金项目：火箭创新基金（ZH202204)；国家自然科学基金（6 2 1 0 331 3）；陕西省创新能力支撑计划（S2022-ZC-TD0060)作者简介：沈利荣（1 9 8 7 一），女，博士，副教授，主要研究方向为自主导航、融合定位、精密测量等。慧3，涂志鹏1文章编号：2 0 9 6-40 8 0（2 0 2 4）0 1-0 0 48-1 0第1 期coverage at different latitudes and time around the world.Since its launch,the coverage area ofStarlink satellites has gradually expanded towards the North and South poles,and the coveragerate has gradually increased.The maximum coverage multiplicity of Starlink in the world is 56,and the minimum coverage multiplicity is O.And Starlink has not yet achieved 100%coverage rateat different latitudes and throughout the entire time.But the coverage rate of Starlink in China re-gion is better than that in the United States.The fusion of Starlink constellations and Iridium con-stellations helps the global coverage multiplicity be greater than 10,with a coverage rate of 100%at different latitudes and times,significantly superior to a single constellation.Key words:Low earth orbit;Starlink;Iridium;Visibility;Coverage0引言全球导航卫星系统（Global Navigation SatelliteSystem，G NSS）能够为全球用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，是国家至关重要的时空基础设施，发挥着无可替代的作用。随着GNSS应用的深入，其自身缺点也逐渐显现，主要有：1）落地信号功率低，频点单一，易受电磁干扰；2）面向开阔环境设计，存在覆盖较差区域，导致精度变差，甚至失效；3）建设和维护成本高等1-2 。因此，为满足不同用户、不同时间、不同场景下对导航精度、实时性等更高要求，各类卫星导航增强系统和技术快速发展，例如精密单点定位3、实时动态载波相位差分4、星基增强系统5、地基增强系统6-7 等。此外，近年来快速发展的低轨（Lo w Ea r t h O r b it，LEO）卫星星座，尤其是星链、一网等为代表的巨型低轨通信星座，落地功率和接收信号载噪比高、覆盖广、频带宽、源充足、运动速度快、几何构型变化快、各历元观测方程相关性弱，能改善卫星几何分布，且成本低，无需额外的建设投人，可在全球范围内对GNSS提供信息增强和信号增强，有力支撑了卫星导航系统能力的大幅跃升8 ，也使基于低轨星座机会信号的新型自主导航技术发展和实现成为可能9-1 0 1。本文面向基于低轨星座机会信号的飞行器自主导航需求，考虑单星座构型和可见星数量往往不能同时满足高精度、高可用性要求，以星链星座和铱星星座为对象，根据公布的星、星链星座卫星轨道参数1 1 ，建模铱星、星链星座模型和混合星座模型，探究铱星、星链及铱星星链混合星座覆盖重数、覆盖率及飞行器飞行过程中对上述星座的可见性，为基于低轨星座机会信号的飞行器自主导航提供数据支撑。面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析491星链星座及铱星星座简介1.1星链星座美国太空探索技术公司（SpaceX）计划向近地轨道发射总计约4.2 万颗通信卫星，构建星链网络，以提供高质量的互联网服务。2 0 2 7 年之前的计划是在低轨道和极低轨道累计发射大约1.2 万颗卫星。其中，440 9 颗卫星位于550 1 32 5km轨道高度的低轨道，主要实现全球范围内的无线网络信号覆盖。同时，7 51 8 颗卫星位于335346km的极低轨道，旨在确保高密度用户地区的服务质量，以防止同一地区的卫星互联网用户过多而导致带宽不足和时延较大的问题。2 0 1 9 年5月至2 0 2 3年8 月，星链已发射近50 0 0 颗卫星，正常在轨运行46 1 4颗1 2-1 3。星链卫星单颗质量约260kg，卫星寿命57 年，可搭约1 0 0 kg有效载荷，紧凑平板型设计，携带4套相控阵天线系统，单太阳能电池阵供电，自主碰撞规避系统实现自主避碰。工作频段覆盖Ku/Ka/V波段1 4。图1 所示为目前星链的在轨覆盖模型。图1 星链星座覆盖模型Fig.1 Starlink constellation coverage model目前，星链卫星系统已为部分国家和地区开50始提供高速率、低时延、全覆盖的太空互联网服务1 5-1 6 1 。此外，通过对星链卫星下行信号实测数据研究，已在1 1.32 5GHz、1 1.57 5G H z 处检测到了导频信号。通过对该信号的实时处理和估计，可用于对地面及以上空间静/动态目标进行瞬时多普勒定位、定速1 7 。1.2铱星星座Bertiger于1 9 8 7 年首次提出了第一代铱星系统，这是美国的第一个卫星移动通信星座系统，通过卫星之间的中继来实现全球通信。该系统由分布在6个轨道面上的6 6 颗近极圆轨道卫星组成，轨道高度为7 8 0 km。每个轨道包括1 1 颗卫星和1 颗备用卫星，轨道倾角为8 6.4，轨道周期为1 0 0.1 3min。5条同向轨道之间间隔为31.6，而第6 条反向轨道与第1 条轨道之间间隔为2 2，从而实现了南北两极的全球覆盖。下一代铱星系统由总共8 1 颗卫星组成，其中包括6 6 颗低地球轨道卫星、6 颗在轨备份卫星和9 颗地面备份卫星，可实现对整个地球的信号覆盖，包括南北两极。在已发射的7 5颗卫星中，7 0颗卫星轨道高度为6 2 5km，另外5颗卫星为720km，平均轨道周期为9 7 min。这些卫星在近极圆轨道上分为6 个轨道面，倾角为8 6.6，轨道间的间隔大致相等，每条轨道上均匀分布1 1 颗卫星。其中，5条轨道上的卫星按同一方向飞行，而另外一条轨道上的卫星则以相反方向飞行。具体的轨道分布示意如图2 所示。宇航总体技术41.667kHz，包括4个消息信道和一个振铃警报信道。铱星导频信号位于该单工信道，属于单音信号。对该导频信号进行实时处理和估计，也可对地面及以上空间目标定位、定速1 8-2 12星座覆盖性及可见性仿真实验及分析2.1飞行器对铱星/星链星座可见性分析铱星星座6 个轨道面，每个轨道面上1 1 颗卫星分布近似均匀相等，且在南北极不同轨道存在交汇，因此铱星星座卫星可见性随纬度变化明显。星链卫星目前大部分集中在中低纬度区域，南北纬6 0 以上卫星布局相对较少，不同纬度上星链卫星可见星数也差别明显2-2 3。因此，本文重点分析飞行器在不同纬度上对铱星、星链及铱星十星链星座的可见性。设仿真起始时间为4Apr202300：0 0：0 0.0 0 0，仿真终止时间为4Apr202323：59：59.0 0 0，飞行器在该时间段内匀速从纬经度（0，0）飞行至（9 0，0），采样时间为1 s。飞行器飞行过程中在不同飞行高度（飞行器最小观测仰角2 5）、不同飞行器最小观测仰角（飞行高度为1 0 0 km）下对星座的可见性分析结果如图3图5所示。620km高度550km高度80km高度4100km高度200km高度300km高度22024年1 月R20TM_117_4280800L136_4296265415(a）不同高度可见性203045608030纬度/)45607590图2 铱星座覆盖模型Fig.2Iridium constellation coverage model15铱星星座卫星带宽为1 6 1 6.0 1 6 2 6.5MHz。其中，1 6 1 6.0 1 6 2 6.0 MHz为双工信道（业务信道）。1 6 2 6.0 1 6 2 6.5MHz为单工信道为（信令信道），该信道分为1 2 个信道，每个信道带宽为30纬度/)(b)不同仰角可见性图3飞行器运动过程中对星星座可见性Fig,3 Visibility of Iridium constellation during aircraft motion45607590第1 期504540351050050454035端/喜15105图4飞行器运动过程中对星链星座可见性Fig.4Visibility of Starlink constellationduring aircraft motion605030201000504540面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析20km高度50km高度80km高度100km高度200km高度300km高度1530纬度/）(a)不同高度可见性1530纬度/)(b）不同仰角可见性1530纬度/)(a）不同高度可见性51从图中可以看出：1）飞行器可见星数随飞行高度增加而减少。2）飞行器可见星数随飞行器最小观测仰角增大而减少。3）飞行器对铱星星座可见星数目由低纬向高纬逐渐增加，尤其在南北极最大可见星数达6 颗。4）飞行器对星链星座可见星数目由低纬向北纬50 逐渐增加，最大可见星接近50 颗，北纬50 到北纬6 0 间可见星数随纬度增4560456020km高度50km高度80km高度100km高度200km高度300km高度456075203045608075907590203045608090加而下降，到北纬6 0 以上，可见星数部分区域接近0 颗。5）星链和铱星星座的融合，增加了飞行器在不同纬度区域的可见星数，尤其在北纬6 0 以上区域实现了可见星数互补，为飞行器自主定位定速提供了更多的有效数据支撑。2.2铱星/星链星座覆盖性分析2.2.1全球覆盖性分析LEO星座卫星对地面及临近空间飞行器的覆盖重数、覆盖率等是飞行器自主定位定速的关键参数。为此，本文分别研究铱星、星链及星链十铱星的覆盖性。根据轨道高度，设仿真时长为一天（“9 Jun202300:00:00.000UTCG”至“1 0 Jun 202300:00：0 0 0 0 0 U T CG”），保证每颗卫星基本实现回归。分别下载铱星、星链正常运行卫星（铱星6 6颗，星链41 9 5颗（截至2 0 2 3年6 月9 日）的两行数据（Two-Line Element，T LE)，构建铱星星座模型、星链星座模型及铱星十星链混合星座模型，如图6 所示。根据星座部署情况给卫星添加传感器为简单锥体，铱星传感器圆锥角为7 1.6 4，星链传感器圆锥角为44.8 5。添加覆盖定义对象并设分析边界为全球，覆盖计算精度为经纬度1。首先，分析了星链、铱星及星链十铱星星座在不同纬度覆盖重数，结果如图7 所示。15105(a)铱星星座hn(b)星链星座0图5飞行器运动过程中对铱星十星链混合星座可见性Fig.5Visibility of Iridium and Starlink hybrid constellationduring aircraft motion15(b)不同仰角可见性30纬度/)4560759052重/重巢藍864906050重/重巢藍403020100-907060重/重巢蓝5040302010-90图7覆盖重数随纬度的变化Fig.7Variation of coverage multiplicity with latitude可以看出，铱星星座覆盖重数由高纬度向低纬度逐渐降低，高纬度最大覆盖重数达1 2，低纬宇航总体技术度最小覆盖重数为4。截至2 0 2 3年6 月9 日，星链部署及实际运行卫星覆盖重数由低纬向高纬逐渐增大，在南北纬50 时达到最大值后快速下降，最大覆盖重数为56，到南北两极时部分区域覆盖(c）铱星十星链星座重数已接近为0。铱星和星链的融合，实现了不同纬度区域覆盖重数的相互补充，混合星座全球覆图6 星座模型Fig.6Constellation model12最小值最大值平均值10-60-60-60(c)铱星十星链2024年1 月盖重数均大于1 0，显著优于单星座，增强了对全球区域的多重覆盖。其次分析了星链、铱星及星链十铱星星座对全球不同纬度覆盖率，结果如图8 所示。101100.5%/巢蓝100-300纬度/)(a)铱星星座最小值最大值平均值-300纬度/)(b)星链星座最小值最大值平均值V-300纬度/)30303060606090909099.599-9010080%/本票蓝6040200-90101100.5%/票蓝10099.599-90图8 覆盖率随纬度的变化Fig.8Variation of coverage rate with latitude-60(a)星星座-60-30纬度/)(b)星链星座-60-30纬度/)(c）铱星+星链-30纬度/)030030030606060909090第1 期可以看出，铱星星座实现了对全球的全覆盖。星链星座在南纬、北纬58 至8 6 覆盖率可达8 0%以上。在南北纬57 间覆盖率达1 0 0%。也就是说，星链从发射至今，覆盖区逐渐向两极拓展，但南北两极区域覆盖率还是较差。铱星和星链星座融合，实现了对全球不同纬度的1 0 0%覆盖，弥补了星链在南北极地区覆盖率不足的问题。此外分析了星链、铱星及星链十铱星星座一天内对全球随时间变化的覆盖百分比，结果如图9 所示。101100.5%/巢藍100面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析53为1 0 0%。而星链一天中最小覆盖百分比为9 7.7%，最大覆盖百分比为9 8.9%。铱星和星链星座的融合，实现了对全球不同时刻的1 0 0%全覆盖，弥补了星链在不同时间覆盖率不足1 0 0%的问题。2.2.2典型区域覆盖性分析（1）中国区域覆盖性分析本文重点分析陆地区域。仿真条件同全球覆盖性一致。首先，分析星链、铱星及星链十铱星星座在中国区域不同纬度覆盖重数，结果如图1 0 所示。8最小值最大值7平均值重/重巢蓝699.559909998.898.698.29897.897.60101100.5%/率巢蓝10099.5990图覆盖率随时间的变化Fig.9Variation of coverage rate over time可以看出，铱星星座在一天内对全球的覆盖率500时间/min(a)星星座5001 000时间/min(b）星链星座5001000时间/min(c)铱星十星链1000144014401440：4205045重/重巢藍4035302520152055最小值50最大值苹均值45重/重巢403530252020图1 0中国区域LEO星座覆盖重数随纬度变化Fig.10 LEO constellations variation of coveragemultiplicity with latitude in China region25最小值最大值平均值2530纬度/)(b)星链星座2530纬度/)(c）星+星链星座30(a)铱星星座3540354035纬度/)4045454550505054可以看出，铱星对中国陆地区域覆盖重数由低纬度向高纬度逐渐提升。最小覆盖重数为4，最大覆盖重数可达8。星链对中国陆地区域覆盖重数由低纬向高纬逐渐增大，在北纬50 盖重数最大为47，北纬50 后开始下降，在北纬2 6 覆盖重数最小为1 9。星和星链星座的融合，实现了对中国陆地区域在不同纬度覆盖重数的相互补充，混合星座覆盖重数均大于2 0，显著优于单星座。其次，分析了星链、星及星链十铱星星座对中国区域不同纬度覆盖率，结果如图1 1 所示。101100.510099.59920101100.5%/率巢盛10099.59920101100.5%/本票藍10099.59920图1 1中国区域LEO星座覆盖率随纬度变化Fig.11LEO constellations variation of coverage ratewith latitude in China region宇航总体技术可以看出，在中国陆地区域纬度范围北纬1 9 至北纬53这个区域，三个星座均可1 0 0%覆盖。进一步分析了星链、铱星及星链十铱星星座一天内对中国区域随时间变化的覆盖百分比，结果如图1 2 所示。101100.5%/本票盛10099.5990101100.52530纬度/)(a)铱星星座.-2530纬度/)(b)星星链星座2530纬度/)(c）铱星十星链星座2024年1 月5001000时间/min(a)星星座35403540354014404550-4550455010099.5990101100.5%/本巢蓝10099.5990图1 2中国区域LEO星座覆盖率随时间变化Fig.12LEO constellations variation of coverage rateover time in China region可以看到，3个星座一天中对中国陆地区域覆盖百分比始终保持为1 0 0%。（2）美国区域覆盖性分析美国领土由美国本土与海外洲组成，本文重500时间/min(b)星链星座5001000时间/min(c）铱星十星链星座1 00014401440第1 期点分析美国陆地区域的覆盖性。仿真条件设置同全球覆盖性一致。首先，分析星链、铱星及星链十铱星星座在美国区域不同纬度覆盖重，结果如图1 3 所示。12最小值最大值10平均值重/辣重巢蓝86420555045重/燥重巢藍302520152055最小值50最大值平均值45重/重巢藍30252020图1 3美国区域LEO星座覆盖重数随纬度变化Fig.13LEO constellations variation of coveragemultiplicity with latitude in the United States region可以看出，铱星星座对美国陆地区域覆盖重数由低纬度向高纬逐渐提升，最大覆盖重数为1 2，最小覆盖重数为4。星链星座对美国陆地区域的覆盖重数由低纬向高纬逐渐增大，在北纬49 左右覆面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析.3040纬度/）(a)铱星星座最小值最大值平均值3040纬度/)(b)星链星座3040纬度/)(c）铱星十星链星座55盖重数最大为51。在北纬6 0 左右覆盖重数最小为16。铱星和星链星座的融合，实现了美国陆地区域不同纬度覆盖重数的互补，混合星座覆盖重数大于2 0，显著优于单星座。其次，分析了星链、铱星及星链十铱星星座对美国区域不同纬度的覆盖率，结果如图1 4所示。101100.5%/本票藍10050605060506070707099.5992010095%/本票藍9085807520101100.5%/本票藍10099.59920图1 4美国区域LEO星座覆盖率随纬度变化Fig.14 LEO constellations variation of coverage ratewith latitude in the United States region可以看出，铱星对美国地区实现了1 0 0%覆盖率。星链在北纬1 9 至北纬57 范围内可实现1 0 0%-30(a)铱星星座3040纬度/)(b）星链星座3040纬度/）(c）铱星十星链星座40纬度/()505050606060707070参考文献56覆盖率。在北纬59 处覆盖率最低为7 8.7 5%，其余纬度区间内覆盖率优于8 0%以上。铱星和星链的融合，不同纬度区域覆盖率均达到1 0 0%，实现了对星链覆盖率的补充。最后，分析了星链、铱星及星链十铱星星座一天内对美国区域随时间变化的覆盖百分比，结果如图1 5所示。101100.5%/率巢藍10099.59901009896%/率巢蓝949290888650101100.5%/本票蓝10099.5990图1 5美国区域LEO星座覆盖率随时间变化Fig.15LEO constellations coverage rate overtime in the United States region宇航总体技术可以看出，铱星对美国地区全天1 0 0%的覆盖。星链对美国地区一天中最小覆盖率为8 6.6%，最大覆盖率为1 0 0%。不难判断，星链星座不久将会实现2 4h全区域覆盖。铱星和星链星座的联合使覆盖率达1 0 0%，优于星链单星座覆盖率。3结束语本文面向基于LEO星座机会信号的飞行器自主导航需求，考虑单星座构型和可见星数量不能同时满足高精度、高可用性定位要求的问题，以铱星、星链及铱星和星链的混合星座为对象，探究了3类星座的覆盖重数、覆盖率及飞行器飞行过程中对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少，随飞行器最小观测仰角增大而减少，星链和铱星的融合可显5001 000时间/min(a)星星座5001 000时间/min(b)星链星座5001000时间/min(c）铱星+星链星座2024年1 月1 440著增加纬度6 0 以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有1 0 0%全覆盖；星链目前的覆盖区域逐渐向两极拓展，对全球覆盖重数最大为56，最小为0，未实现全球不同纬度、全时段100%的覆盖率，但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于1 0，不同纬度、不同时间覆盖率达到1 0 0%，显著优于单星座。综上可见，将多LEO星座融合，可为目标定位、定速提供可见星数量充足、覆盖重数多、覆盖范围广、频带宽、几何构型优的机会信号数据支撑，可支撑更低延迟、更高精度的导航定位1440系统。C1陈长远.机会信号导航系统关键技术研究D.郑州：解放军信息工程大学，2 0 1 7.2 杨徐，徐爱功，秦小茜，等.高度角定权模型的BDS/GPS伪距单点定位分析J.导航定位学报，2 0 1 7，5(2):72-78,85.3邓皓文，孙迅，蒋林，等.低轨导航星座增强BDS精密单点定位技术验证J.导航定位与授时，2 0 2 2，9(5):136-143.4潘冉冉，蒋浩，张洪，等。低成本实时动态载波相位1440差分GPS的定位精度研究J.浙江大学学报（农业与生命科学版），2 0 1 8，44（4)：41 4-42 2.5于敬巨，张如伟，张彦超，等，北斗星基增强系统增强定位方法和效果研究J.遥测遥控，2 0 2 2，43（5）：53-60.6 蔡跃.北方海区北斗地基增强系统基站自定位精度研第1期究 JI.导航定位学报，2 0 2 2，10（5）：191-197.7高为广，张弓，刘成，等，低轨星座导航增强能力研究与仿真 J.中国科学：物理学力学天文学，2 0 2 1，51(1):52-62.8 袁洪，陈潇，罗瑞丹，等.对低轨导航系统发展趋势的思考 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