在GNSS被阻断环境中，作为替代PNT的新一代铱星星座

　　在未被覆盖和阻断GNSS信号区域，在诸如深海大洋区域、地球远北地区和大沙漠区域，基于低地球轨道（LEO）卫星的机会信号的定位问题显得十分重要。特别是在遇险和航行紧急情况期间，怎样保持航空公司的跟踪信息？为实现这一目标，搜索和救援（SAR）的新设计中实施了定位信息的研究开发。收发电台的位置和速度可以根据来自于LEO卫星的分布式多普勒信息融合估计。在紧急情况下，特别是在考虑飞机、动态、轨迹、天线轴旋转或任何其他阻碍或损坏条件下，使得飞机的定位和跟踪变得非常难于实现，并且不具有任何弹性。本文展示的概念证明，正在开发的创新解决方案，选择新一代铱星低轨（Iridium Next LEO）星座，被认为是一种极具潜力的升级卫星技术，并享有搜索和救援应用的特权。基于后期处理实验数据收集表现出非常好的性能，和第一手实验和理论结果表明，用多普勒频移估计和分析确定位置显示出了非常有希望的成果。

 

　　基于多普勒频移的定位在过去50年中经过实验和开发，直到GNSS星座全面投入运行，包括GPS、格洛纳斯、伽利略和北斗系统。与更为精准的GNSS解决方案相比，ARGOS和COSPAS-SARSAT等不同的卫星系统，是使用多普勒频移确定位置算法的。进行搜索和救援应用，以及较高的可接受定位精度。使用这些星座进行定位的主要优点是，它们可以在被阻断GNSS的环境中工作，并且可以向用户提供定位和授时信息。由此可见，能够提供新技术的研发，形成任何环境和射频条件下必要的导航解决方案，被称为PNT的系统：定位导航和授时都是基于GPS和其他GNSS信号，以及基于完全独立的定位系统，如通信卫星：Orbcomm，Globalstar和最近与Iridium Next卫星星座。

 

　　为了更好地确保精度，开发并提出了自适应和鲁棒性卡尔曼滤波方法，以及许多其它相关问题。最近，随着铱卫星网络的发展和升级进入铱星星座，并且主要由波音公司、Satelles和Iridium进行各种研究和开发，通过不同的耦合、滤波和PNT坚韧性与可靠性，在没有GPS和GNSS信号的境况下，也可以找到各种各样的重大成果。此外，也已被证明，GNSS信号是最重要的;不仅用于定位和导航，还用于不同部门的定时和时间同步应用，如电信、网络和传感器网络同步等。所有这些都需要坚强性PNT解决方案。特别是，在假设阻断GNSS的环境中，这里提出了另一种PNT，即基于Iridium Next LEO星座，作为位置确定（PDS）解决方案。该解决方案可以直接应用于静止情况，然后扩展到动态定位状态，用于越洋飞行跟踪，用于在紧急和遇险情况下在GNSS未覆盖区域中的飞机导航安全性。因此，我们考虑通用设计，但是使用Iridium Next机会信号（SoOp）对固定无线电信标进行了演示应用。

 

　　新一代低地球轨道（LEO）铱星星座，77颗卫星，倾角86.4度，48个波束

 

　　利用LEO卫星作为位置确定解决方案。在许多导航应用场合，定位系统可能是不可用的或不具备坚强性，特别是在被阻断或未被覆盖的区域或受限区域内。因此，出现了一个有趣的问题，如何在全球范围内随时随地保持定位（PDS）信息，以提供距离、距离变化率、位置、方位角和时间？这篇文章试图解决这个问题，这个问题是在2014年马来西亚MH370航空公司飞机在印度洋上空消失提出来的。自那次事件发生以来，国际民航组织参与并指导了航空和航天领域的大量专家参与，通过整合额外的PDS使飞行更安全，以期确保在所有条件下的安全、跟踪和通信。与GNSS和其他导航设备不同，这里建议使用选定的低延迟LEO卫星解决方案，具有可靠的定位功能。

 

　　此外，这些增强系统是坚强性PNT/PDS解决方案，可作为车载、机载和多种多样船舶上的冗余惯性导航的附加辅助手段，为了解决这个具有挑战性的问题，铱星卫星星座被认为是个选项。相对于信号功率而言，其下行链路信号可以明显优于GNSS信号。试验结果表明，在最佳情况下（无需先进的信号处理或数据融合），铱星可以提供CEP半径为1-2Km的位置信息，然后可以将状态估计解释为重要的非线性不等式约束或良好的初始化信息。在使用一颗LEO卫星计算瞬时位置时，卫星运营商可以在每个连接的终端检测和定位时具有可接受的精度（1-10 Km）。问题是目前达到的精度有限，而且将新一代铱星作为机会信号使用时，还要有额外的信息处理工作。

 

　　利用新一代铱星实现多普勒定位。在最近的几十年间，基于卡尔曼滤波的集成卫星多普勒/ INS系统，用于一般车辆导航应用，证明是切实可行的。这种融合被认为是坚强性集成组合导航系统，特别是在阻断GNSS条件下，使用卫星多普勒测量不失为一种出路，并且开发了不同的频移估计数值方法，并将其引入定位工程界。值得高度关注的是，铱星星座网络，已于2017年升级，并于2019年1月初完成。铱星接下来有超过77颗新卫星，它们在天空中的总数超过140颗。值得一提的是，LEO卫星的几何形状与GNSS星座不同，它们的可见性提供了值得注意的重要优势和深入的分析。Iridium Next的另一个吸引人的特性是它们在定位中的执行和有用的通信模式和协议称为SBD（短脉冲数据），广泛用于飞行跟踪应用，通过铱星网络将突发消息，GPS或飞行数据传输到地面服务器。Iridium新一代星座被认为是一个有吸引力且显著坚强性的PNT / PDS解决方案，原因很多;其中最重要的是：铱星新一代LEO卫星位于海拔780公里的圆形轨道上，这使得它们的信号远高于GNSS信号的300至2400倍。此外，信号传输的延迟时间从700毫秒减少到100毫秒，这使得Iridium Next成为遥控、遥测的潜在PNT解决方案。使用铱星专门的下行电路，作为PNT坚强性解决方案，是由Satelles公司验证并证明的巨大成果，他们提出了卫星授时和定位（STL）的概念，并且通过铱星星座加以实施推进。