最新的解决低轨卫星模化挑战之举

虚拟元宇宙这两年成为热门，实际上只是个集合名词的提法，多少年来大家都将模（型）化、仿真模拟、数字孪生、测绘映射、人工智能，和增强现实与虚拟现实等等，变成研究对象，而且成果颇丰。将这些成果汇总收集起来，冠以“元宇宙”之名，直接、管用、方便，还有新意，实在是美哉宏论。仿真模拟在解决低轨星座方面的模化问题上，正好是解决“老革命遇到新问题”，与时俱进，需求牵引，这种事情还得由功底深厚的斯普伦（Spirent）这样的老牌名企来做，更为合适。果然，不负众望，斯普伦最近又有行动了。一款称为模拟轨道（SimORBIT）的低地球星座模拟软件问世，并且与SpacePNT专业星载GNSS接收机公司合作。

低地球轨道（LEO）星座有望较为彻底改变通信方式。了解和应对低地球轨道的具体挑战是加快这一发展的关键一步。两体问题肯定会出现在任何轨道力学教科书的第一章中，并且有充分的理由：它的解决方案导致了开普勒轨道的解析定义，这是一个简单但极其强大的工具，可以预测航天器和天体的轨迹。事实上，开普勒轨道仅由一组六个参数（半长轴、偏心率、倾角、升交点赤经、近点角、历元异常）定义。尽管基础物理模型简单（两个球状质量分布体，仅受相互引力作用的影响），但它非常精确，在几个世纪中取得了无数成就，从预测彗星的出现到行星际探测器复杂的多重引力轨道的初步设计。

然而，开普勒一人并不能说明全部情况。因为，没有一个天体是完美的球形，即使在太空中，卫星运动也会受到过多的影响，包括来自太阳、月球和其他行星的引力，以及来自大气最上层边缘的阻力。即使是撞击光子也会对轨迹产生可测量的影响！在运动方程中包含所有这些扰动会增加数学复杂性，以至于不再可能找到封闭形式的解析解。对于给定的应用，在精度和模型复杂性之间找到最佳折中方案可以说是天体动力学中最具挑战性的任务之一。

简化扰动模型的局限性。简化的扰动模型（特别是SGP4）被航天机构和产业行为体广泛用于预测活动和失效卫星、碎片和太空垃圾的路径，以评估碰撞风险并相应地计划避撞操作。每个跟踪项目由双线元素（TLE）表示。NORAD和美国太空司令部定期建造和分发数千个TLE：它们包括六个经典轨道元素和三个额外的参数，这些参数旨在捕捉轨道根数在时间上的变化。该扰动模型预测TLE天体的位置，其精度在其参考历元周围的几天内优于1公里。最明显的例子是所有GNSS星座广播的导航电文，其中包括用于预测发射卫星轨迹的轨道参数。除GLONASS外，所有其他星座都发射开普勒元素和附加参数，这些参数将与定义良好的轨道模型一起使用，以计算发射机天线相位中心的位置和速度。例如，GPS LNAV电文中包含的星历表允许在其参考历元周围几米内进行两小时的位置预测：这是通过包含选定的时间导数和谐波校正系数来实现的。所有这些量的值通常用复杂的批处理算法进行估计，然后在其参考历元之前与相关卫星进入上行链路。

建立LEO轨道模型。给定应用设计轨道传送器，需要深入了解作用在目标轨道上的所有力的相对大小：例如，大气阻力在低海拔高度区域起着重要作用，而对于大多数实际用途，它在2000公里以上就消失了，当与地球的距离增加时，地球上不均匀的质量分布（非球形、海洋和固体潮汐）引起的扰动往往会变得不那么突出。另一方面，如果航天器离开地球并靠近太阳，所谓的太阳辐射压力会增加。GNSS传播模型显然经过了定制，以在适用于其预期轨道类别时提供最佳性能，即位于20000公里及以上高度的中地球轨道（MEO）卫星：毫不奇怪，大气阻力效应的精确建模超出了其能力范围。在低地球轨道（LEO）中，使用纯开普勒模型（或超出其预期边界的特定传播子）可能会在几个轨道周期内导致数十至数百公里的误差。建模轨道中的这种退化与精确模拟环境（如Spirent的PNT测试解决方案）的要求并不兼容。

SimORBIT简介。为了应对这一挑战，SpacePNT开发了SimORBIT，这是一种多功能工具，能够为单个卫星或整个星座生成高保真低地球轨道。卫星群的初始参考状态可以通过直观的GUI定义，也可以从广泛采用的格式（如RINEX（NAV））导入。它的轨道模型提供了卓越的性能：传播24小时后，误差约为30米（根据哨兵3A的真实精确轨道测定数据进行了验证）。SimORBIT的其他功能包括覆盖率分析、从地球上用户定义的参考位置绘制天空图，以及生成具有不同格式选项（*.SP3、*.MOT和*.MOTI）的输出文件。

图1. SimORBIT GUI，显示单个卫星轨道和覆盖范围，以及天空视图和地面轨迹窗格

图2. 沃克（Walker）星座的覆盖率分析（86.4°：66/6/2）

SimORBIT与斯普伦仿真系统无缝集成。无论是用于为LEO卫星上的GNSS接收机生成轨迹，还是与通过I/Q注入和独特的斯普伦“Flex”功能生成自定义导航信号等功能结合使用，SimORBIT都是开发创新的天基PNT解决方案所需的现实测试基础设施的重要组成部分。

LEO轨道模化软件SimORBIT，首次实现了精确的实验室测试和验证。随着对低地球轨道（LEO）卫星星座的兴趣越来越大，需要对环境进行精确建模，以便进行精确、现实的GNSS/PNT测试。然而，这是一项艰巨的任务。LEO卫星比MEO卫星更接近地球，这意味着它们必须承受不同的重力和大气影响，而这些影响很难在实验室中复制。

为了满足这一需求，斯普伦最近发布了SimORBIT高精度轨道模化软件，用于LEO卫星模拟，这是业界首创。该软件是与SpacePNT合作开发的，使客户能够使用更准确地代表LEO卫星真实运行环境的模拟进行测试，从而使他们有信心该卫星一旦发射到太空，就会表现出应有的性能。

产品经理米娅·斯温表示，由于LEO卫星离地球很近，它们的速度非常高，高达每秒7公里，复制起来很困难。实地测试既困难又昂贵，因此基于实验室的模拟是在发射前测试这些昂贵卫星的唯一方法。

斯温说：“对LEO卫星来说，知道它的位置至关重要”。“例如，考虑一颗用于PNT目的的LEO卫星广播。这一切都与伪距有关。如果在模拟过程中轨道不准确，伪距将有大的误差，并且包含广播卫星的数据将不准确。这就是为什么进行精确建模和在实验室中进行建模至关重要的原因”。

合作伙伴关系。斯温说，SpacePNT是一家小型初创公司，在太空接收器方面拥有专业知识。将他们的能力与斯普伦的GNSS模拟能力相结合是一个“非常好的匹配”，从而可以开发这种先进的LEO测试解决方案。SpacePNT开发的接收器被集成到斯普伦的模拟系统中，以创建SimORBIT。

斯普伦产品营销经理威廉·桑顿表示：“随着应用程序变得更具挑战性，为了给我们的客户提供最真实、最高性能的测试环境，针对特定应用，我们需要与特定领域的专家合作”。“在LEO领域，SpacePNT正好代表了这一点，因此我们寻求将他们的专业知识和知识融入到我们一流的模拟中，以帮助我们的客户构建更好的星座”。

Flex功能。SimORBIT结合了对精确LEO轨道和高精度GNSS信号的模拟，补充了系统通过I/Q注入或公司的“Flex”功能生成非ICD信号的能力。

斯温说，低轨卫星广播的代码和载波频率与接收机通常在GPS和伽利略星座中看到的不同。Flex功能提供了更改调制和广播电文的信号参数的灵活性。Flex功能使得在实验室中开发基于空间PNT信号成为可能。

桑顿说：“用户可以创建自己的PNT信号”。“他们可以测试它们，可以修改它们，可以根据将这些信号传输到接收器和不同的设置来评估性能。例如，你可以将地面控制元素纳入其中”。