衛(wèi)星時(shí)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(duì)STL系統(tǒng)的性能進(jìn)行了演示驗(yàn)證，試驗(yàn)使用獨(dú)立溫控晶體振蕩器（TCXO-based）接收機(jī)，接收銥星星座信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，其授時(shí)精度達(dá)亞微秒級(jí)。

  2018年1月，Satelles公司在ION PTTI年度會(huì)議上發(fā)布STL系統(tǒng)最新測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)采用差分?jǐn)?shù)據(jù)和精度更高的恒溫晶體振蕩器（OCXO），試驗(yàn)結(jié)果顯示，其授時(shí)精度可達(dá)納秒級(jí)。

PNT技術(shù)

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)研究背景

  自1995年GPS開(kāi)始運(yùn)行以來(lái)，除軍事領(lǐng)域需要提供全球無(wú)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(cái)產(chǎn)跟蹤、位置服務(wù)（LBS）、授時(shí)和定位認(rèn)證（timing and location based authentication）等。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，GNSS的作用愈來(lái)愈無(wú)法替代。

盡管GNSS有諸多優(yōu)點(diǎn)，但依然存在不可避免的缺點(diǎn)，其中包括：

  第一，GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度高，一般在2～3萬(wàn)千米軌道高度上，導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)空間損耗到達(dá)地面時(shí)已很弱，無(wú)法穿透衛(wèi)星和用戶(hù)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(yán)重的環(huán)境。

低軌衛(wèi)星軌道高度相比于傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星更低

  第二、在天體運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)快速定位的要求存在沖突。

  第三、GNSS信號(hào)易遭受到干擾和欺騙，而且這種設(shè)備因價(jià)格低廉極易獲取。

而低軌衛(wèi)星為解決以上問(wèn)題提供了良好的契機(jī)。

  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(hào)在空間中的自由傳播損耗會(huì)更低，地面接收機(jī)的信號(hào)更強(qiáng)，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(yùn)行速度更快，在相同觀測(cè)時(shí)間內(nèi)幾何位置改變更大，更利于載波相位定位時(shí)整周模糊度的解算。

載波相位定位時(shí)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(hào)到達(dá)地面損耗小，且信號(hào)采用專(zhuān)用格式和加密技術(shù)，不易受到干擾欺騙。

  衛(wèi)星時(shí)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(kāi)發(fā)的一種低軌衛(wèi)星PNT技術(shù)。STL通過(guò)銥星衛(wèi)星星座發(fā)射的定位信號(hào)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(dá)成協(xié)議，由Satelles公司獨(dú)家向用戶(hù)提供銥星衛(wèi)星系統(tǒng)商業(yè)信號(hào)。根據(jù)協(xié)議要求，Satelles獨(dú)家管理與STL技術(shù)有關(guān)的銥星衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)中心的所有接口。

   2016年，Satelles公司對(duì)外發(fā)布STL服務(wù)。

STL服務(wù)

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)概述

   STL系統(tǒng)是通過(guò)銥星發(fā)射STL專(zhuān)用信號(hào)為用戶(hù)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(dòng)用戶(hù)提供話(huà)音通信服務(wù)。信號(hào)發(fā)射頻段為L(zhǎng)頻段（1616～1626MHz），采用25,000符號(hào)率/秒的正交相移編碼（QPSK）調(diào)制方式，信號(hào)幀長(zhǎng)度90ms。由于銥星系統(tǒng)可以在90ms的單幀信號(hào)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(zhuān)用脈沖信號(hào)（“bursts”），為用戶(hù)提供PNT服務(wù)。

STL專(zhuān)用信號(hào)為用戶(hù)提供PNT服務(wù)

  銥星發(fā)射的STL脈沖信號(hào)包含一組精心設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，經(jīng)銥星發(fā)射機(jī)產(chǎn)成一個(gè)擴(kuò)頻RF信號(hào)脈沖。STL專(zhuān)用脈沖信號(hào)有一個(gè)導(dǎo)頻通道和一個(gè)數(shù)據(jù)通道，兩個(gè)通道都進(jìn)行復(fù)雜編碼，在進(jìn)行編碼增益處理后即便是微弱信號(hào)也可以穿透建筑物。STL接收機(jī)可以通過(guò)這種編碼增益得到每個(gè)脈沖信號(hào)的精確時(shí)間（偽距）和頻率測(cè)量，相對(duì)于未受遮蔽區(qū)域最多只有39dB的信號(hào)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(diǎn)恰恰能夠彌補(bǔ)GNSS性能缺陷。

STL系統(tǒng)可以用于室內(nèi)和“都市峽谷”等遮蔽區(qū)域

衛(wèi)星時(shí)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(yùn)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(hào)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(hào)到達(dá)地面時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度是GNSS信號(hào)的1000倍，且信號(hào)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(hào)。且高功率STL信號(hào)可以抵御大功率干擾機(jī)的干擾。

  抗欺騙能力，安全性高。STL系統(tǒng)采用專(zhuān)用加密信號(hào)，PNT數(shù)據(jù)包都經(jīng)過(guò)加密，只有付費(fèi)用戶(hù)才能解密使用，具有抗欺騙能力。

STL通過(guò)GPS溯源到UTC時(shí)間

  時(shí)間同步和授時(shí)能力。STL通過(guò)GPS溯源到UTC時(shí)間。STL系統(tǒng)通過(guò)遍布全球安全可靠的銥星地面監(jiān)測(cè)站（Teleports）獲取GPS高精度UTC時(shí)間，從上行鏈設(shè)備向銥星星座提供高精度時(shí)間。STL相對(duì)于UTC授時(shí)精度為約200納秒。目前，Satelles公司采用全球25個(gè)地面站的銣馴服授時(shí)接收機(jī)測(cè)量GPS時(shí)間，并進(jìn)行比較和相互校驗(yàn)。GPS出現(xiàn)故障時(shí)，STL會(huì)檢測(cè)到GPS故障，在GPS恢復(fù)正常運(yùn)行前采用銣振蕩器。

  位置認(rèn)證能力。銥星星座每顆衛(wèi)星有48個(gè)點(diǎn)波束，可以提供位置認(rèn)證服務(wù)。STL系統(tǒng)的定位精度30～50米。對(duì)于移動(dòng)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。

STL系統(tǒng)性能

衛(wèi)星時(shí)間和位置系統(tǒng)最新試驗(yàn)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(yàn)場(chǎng)景，如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用差分?jǐn)?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(shí)精度可達(dá)160納秒。

  試驗(yàn)使用的用戶(hù)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(píng)估套件（EVK2）STL接收機(jī)

  試驗(yàn)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(jìn)行。

  （1）外置銣鐘STL系統(tǒng)（無(wú)差分校正數(shù)據(jù)）的試驗(yàn)參數(shù)配置及試驗(yàn)結(jié)果

   試驗(yàn)結(jié)果顯示，場(chǎng)景1的授時(shí)精度優(yōu)于場(chǎng)景2。

  （2）內(nèi)置OCXO的差分STL試驗(yàn)參數(shù)配置及試驗(yàn)結(jié)果與場(chǎng)景1和場(chǎng)景2不同的是，場(chǎng)景3采用了內(nèi)置OCXO和差分?jǐn)?shù)據(jù)，其參數(shù)配置及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4  使用差分校正數(shù)據(jù)的試驗(yàn)參數(shù)配置

為了便于比較，場(chǎng)景3對(duì)STL系統(tǒng)和差分STL系統(tǒng)分別進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間10天。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在使用內(nèi)置高精度OCXO時(shí)鐘和差分?jǐn)?shù)據(jù)的情況下，授時(shí)精度可達(dá)160納秒。

 衛(wèi)星時(shí)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(zhuān)用脈沖信號(hào)，使接收機(jī)可以接收到精確的時(shí)頻觀測(cè)量，在GNSS拒止環(huán)境下，可以彌補(bǔ)和增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)性能。STL系統(tǒng)與GNSS性能比較見(jiàn)表6。

 從表6可以看出，STL系統(tǒng)定位和授時(shí)精度不及GNSS，但具有抗干擾和欺騙能力，且大功率信號(hào)不受遮蔽障礙物影響，在性能上可以與GNSS形成互補(bǔ)。但是，STL系統(tǒng)采用STL專(zhuān)用脈沖信號(hào)，目前還未對(duì)所有用戶(hù)提供公開(kāi)規(guī)范。而且，STL系統(tǒng)僅向付費(fèi)用戶(hù)提供服務(wù)，這些都是STL系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。