欧洲开普勒卫星导航系统发展探析

吴 燕，李 川

欧洲开普勒卫星导航系统发展探析

吴 燕，李 川

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

随着卫星导航技术在各领域应用的深入，对卫星导航增强技术提出了需求，基于低轨星导航增强或中低轨星座相结合的系统建设和应用正在蓬勃发展。首先，阐述了欧洲开普勒卫星导航系统的建设背景；其次，重点围绕开普勒系统描述了系统的组成，分析了系统的三个特点，介绍了系统的发展计划；最后，简要阐明了开普勒系统对全球卫星导航系统的发展带来的启示。

开普勒系统；低轨星座；增强系统；卫星导航

0 引言

当前，使用单一全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）难以满足全部定位导航服务的需求，各类导航增强系统和技术快速发展，其中，低轨星导航增强成为热点。因低轨卫星星座运动速度快、成本低，利用其作为天基平台进行导航增强和各类监视，可不依赖密集地面建站完成全球覆盖，实现高精度服务的准实时收敛，有望解决当前高性能导航服务的瓶颈，成为下一代卫星导航系统的重要发展方向[1]。当前国外低轨星座蓬勃发展，低轨导航增强和通导融合技术研究、试验及应用也成为热点，美国波音公司提出的与铱星系统相结合的导航增强系统即iGPS（High Integrity GPS）是一个低轨星与中轨星结合的导航和授时系统[2]，欧洲专家提出建立开普勒卫星导航系统，在减少地面运控测量通信设施的同时，可大幅增强伽俐略系统的完好性和定轨精度[3]。欧洲开普勒计划采用6颗低轨（Low Earth Orbit，LEO）卫星实现对中轨道（Middle Earth Orbit，MEO）卫星天基监测，通过星间激光链路、高精度光钟以及地面观测的技术手段，对高中低轨卫星进行联合定轨，期望能够达到厘米级定轨精度[4]。

1 开普勒卫星导航系统提出背景

开普勒卫星导航系统（以下简称开普勒系统）的提出主要基于以下三个原因：

1）现有伽俐略系统对时钟稳定性和地面基础设施要求高。当前的卫星导航接收机使用伪距测量进行定位和授时，在其复杂的测算过程中，地面站接收机需估算卫星轨道、时钟偏移量和信号偏差，其中还涉及大气延迟。而这些参数对卫星时钟的稳定性和地面基础设施提出了很高的要求。

2）现有伽俐略系统的地面控制站多，且分处于多国多地区。目前伽利略系统地面段有16个传感器站、5个上行链路站和5个遥测跟踪控制站，分布于全球，并将进一步扩大。这需要与部署国达成协议以便实现全球部署，保护系统不受干扰、欺骗和其他操纵，并保障站点和控制中心之间的通信链路可靠可信。由于欧盟并不像美国那样有很多的海外军事基地，因此这些部署在多国多地区的地面站可能还面临着较大的安全风险。

3）LEO卫星纳入欧洲导航卫星体系非常必要。现有的伽利略卫星位于MEO轨道，距离地球表面很远，信号传播可能会出现达数百毫秒的延迟，在拒止或设备降级情况下会导致导航误差增大。将LEO卫星纳入欧洲导航卫星体系具有三项优势：一是可作为MEO卫星的备份导航源，对其导航信号进行补充；二是现有MEO卫星对高纬度地区的覆盖性不足，需要用LEO卫星进行补充以满足未来全球覆盖的需求；三是相较于MEO卫星，LEO卫星的造价相对低廉，且发射更加容易。

2 开普勒系统介绍

开普勒系统是德国通信导航研究所（Institute of Communications and Navigation，DLR）提出的，旨在复用并逐步以开普勒卫星取代目前在轨的伽利略卫星，并计划发射新的LEO卫星，以及采用一个地面站和多个时间同步系统，并应用先进的星间光学通信、精确轨道测定以及光学原子钟技术，构建新型全球卫星导航系统，最终减少对地面站的依赖，并提高系统的完好性以及定位和授时的精度[5]。

2.1 系统组成

开普勒系统空间段由24颗MEO卫星和6颗LEO卫星组成。MEO卫星为Walker（24/3/1）星座，分布在三个轨道面上，轨道高度为29 600 km，轨道与当前伽利略星座相同。LEO卫星亦采用Walker（6/2/1）星座，分布在高度为1 209 km的两个近极轨道面上。开普勒系统空间段组成如图1所示[6,7]。

图1 开普勒系统星座示意图

每颗MEO卫星的有效载荷包括3个激光通信终端（Laser Communication Terminal，LCT）、 1个用作频率基准的腔稳激光器以及1个频率梳。频率梳将光频率转换为标准微波信号，对导航信息的生成进行计时。每颗MEO卫星使用其中的2个LCT分别指向其飞行方向的前方和后方，从而与相邻的MEO卫星保持连续的光学链路。这些连续的光链路通过低延迟（往返时间在700 ms以内）的双向时间传输技术，实现卫星轨道平面内的时间同步。每颗MEO卫星上的第3个LCT指向最低点的LEO卫星。

每颗LEO卫星配备3个LCT，通过LCT将一颗LEO卫星链接到MEO卫星的三个轨道平面或将两颗LEO卫星链接到不同的MEO卫星轨道平面（例如，一颗LEO卫星链接到MEO轨道面和，而另一颗LEO卫星链接到MEO平面和），从而实现卫星轨道平面间的同步。

开普勒系统地面段由一个地面站组成（可另建一个冗余备份站）。地面站通过射频或光学链路与所有开普勒卫星链接，以维持空间基准坐标系和地面基准坐标系之间的关系。

2.2 系统特点

2.2.1 通过双向光链路实现卫星的同步

开普勒系统空间段的MEO卫星发射L波段信号，通过使用频率梳将频率和时间同步转到L波段，同时保持光学通信传输的稳定。MEO卫星的光学终端提供卫星间双向链路，从而支持所有卫星皮秒级别的精确全球同步。

开普勒系统的LEO卫星通过不同轨道面的光学终端与顶端两个MEO卫星实现光学链路通信，并利用轨道面之间的中继同步信号实现系统内同步；同时通过对发射导航信号实现星地间的观测，不受大气等离子体影响，并可进行星间的全光学测距，以精确测定轨道位置。

2.2.2 通过LEO卫星实现卫星导航能力增强

开普勒系统的每颗LEO卫星都配备了一个指向天顶的L波段导航天线和接收机，可检测系统空间段的MEO卫星信号。LEO卫星的光梳确保L波段接收机锁定同步光信号。因此，LEO星载接收机测量的是距离而非伪距。由于电离层的等离子体密度集中在远低于1 209 km的高度，从MEO到LEO卫星的路径受大气传播造成的额外延迟影响小。因此，上述测量非常适合校准信号偏差，最重要的是，为轨道测定提供了精确的距离测量值，并可在MEO和LEO卫星之间交换，用于计算轨道，然后将计算结果与偏差一起传递给MEO卫星，以便整合到导航信息中，从而提升卫星导航系统能力。

2.2.3 系统安全风险较小

在开普勒系统星座中，LEO卫星的存在可使地面站大大减少，仅需一个即可，如果考虑冗余，可再加一个备份[8,9]。在空间段，所有数据都通过光链路传输。这些链路的发散很小，信号辐射波束宽度小于700 m。因此，这些光链路基本上不可能被干扰或欺骗。如果在地面上对处于1 209 km高空中的LEO卫星的星载L波段接收天线进行干扰或欺骗，也是难以实施的，而且通过空域处理还可以进一步提高接收机的鲁棒性。与现有的全球卫星导航系统相比，开普勒系统的更为有利。

3 开普勒系统的主要计划安排

3.1 空间段设计和发展

空间段设计和发展主要依托2018年开展的指南针项目，包括轨道设计、星座布局以及光学通信，主要分为下列三个阶段：

1）有效载荷开发和发射：开发、测试单个有效载荷设备，并集成到Argus试验平台上。这一阶段计划为期约四年。

2）国际空间站实验阶段：将完成计划中的任务实验，预计持续大约一年半。

3）返回和验证：任务结束后将拆除设备，待返回地面后移交给德国航天中心进行测试和评估。

计划时间表如图2所示[10]。

图2 空间段相关设计验证

除此之外，按照DLR的计划，开普勒系统的LEO卫星预计于2023年发射，MEO卫星预计于2025年发射。

3.2 精确轨道测定试验

目前完成了相关精确轨道测定的模拟试验。LEO卫星接收和分析MEO卫星发射的L波段信号，由LEO卫星与MEO卫星在全球范围内保持同步。所有LEO卫星对至少两颗MEO卫星进行双向测距，所有MEO卫星对其邻近卫星进行双向测距。这就建立了一个可用于定轨的L波段射频测量和光学测量网络。

另外还进行了定轨能力试验，试验的模拟要素包括：相位中心偏移、太阳光压、大气阻力、重力场、潮汐以及海洋负荷的估算等。

3.3 确保服务连续性

由于伽俐略系统目前处于运行状态，在引入下一代卫星导航系统时将会有十数亿甚至更多的接收机在使用伽俐略信号，而且其中一些接收机有可能是某些关键基础设施的一部分，因此，在开普勒系统建设的初期采取双模方式，即在保障伽利略系统正常运行并提供正常服务的情况下，测试开普勒系统的功能。双模方式的实质是开普勒系统在部署后将会首先在后台启动，不干扰伽利略系统。这样，一旦开普勒卫星足够多，就可以完全切换到全开普勒卫星的方式。

开普勒系统复用伽利略星座MEO卫星及其信号，并应用小型LEO卫星星座和光学星间链路对其进行补充。其双模方式处理的第一步是进行每秒两次的双向测量，主要用于测定时钟偏移量和星间光学距离，以及相邻卫星间的频率偏移和距离变化速率。开普勒系统与伽利略卫星的双模处理示意图如图3所示[11]。

图3 伽利略—开普勒双模处理过程

4 结束语

开普勒系统是欧洲伽俐略系统技术团队提出的新构想，在实现对伽俐略系统完好性和精度增强的同时，减轻对地面系统的依赖。开普勒系统的技术核心，是用6颗LEO卫星构成小规模星座，以及激光星间链路来完善现有星座体系。MEO卫星不需配备原子钟，通过激光星间链路连接所有卫星，使得导航卫星能够在极高精度水平上实现直接同步，之后再进一步为定轨提供高精度的距离测量而不是伪距，以期得到毫米级的定轨精度和纳米级的相位测量精度，从而实现能力大幅提升。同时，系统通过LEO卫星星座，对无电离层、对流层扰动的导航信号进行观测，可提升MEO系统的完好性和精度[8]。开普勒系统的发展给我们带来了如下启示：

1）开普勒卫星空间段布局采用中低轨结合，地面段基础设施少。利用MEO和LEO卫星结合的方式构建星座系统，对星间轨道测定和探测信号的增强均有好处，符合未来欧洲无线电导航规划的要求。使用MEO与伽利略系统共轨，可减少资金投入，最大限度地保持了现有伽利略系统的稳定；使用LEO卫星则可有效增强卫星导航信号，提高抗干扰性，未来可利用星间光学交叉链路将陆海空天多域节点连接起来，提供近实时和基础的数据传输服务。另外，还减少了地面站的控制环节和控制节点，简化了相关操作。

2）光学原子钟的应用代表了授时领域的未来方向。光学原子钟在光频下工作，测量的光波谐振频率比微波频率高约十万倍，从而可提供更高的精度。开普勒系统框架下设计的光学原子钟在几千秒的时间内，频率稳定度有望达到10e-18级，超过了微波钟几个数量级的性能。目前使用的腔稳光学频率基准可以在10e-15级以下提供长期和短期频率稳定度。在复杂的实验室装置中已经应用光学钟显示出频率稳定性，后续将付诸于实现和应用。

3）星间光学通信技术将有效推动光学通信的发展。星间光学通信技术对于小卫星很有吸引力，因为其终端设备体积小、数据速率高、安全且成本更低，同时可满足小卫星运行尺寸、重量和功率受限的需求。未来将着重推动星地间的光学通信，但其面临视距阻挡的难题，开普勒系统在仅有一个地面站的情况下，很难通过地面分集的手段破解该难题，可适当提高星地间光学通信的频率和通信速率解决这个问题，但还需要具体验证。

[1] 张小红，马福建. 低轨导航增强GNSS发展综述[J]. 测绘学报，2019，48：1073-1080.

[2] 张佩华，吕红丽. iGPS导航技术的探索分析研究[J]. 现代导航，2018，4（2）：88-93.

[3] 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，2021，1（1）.

[4] 袁洪，陈潇，罗瑞丹，等. 对低轨导航系统发展趋势的思考[J]. 导航定位与授时，2022，1（1）：1-11.

[5] Kepler-3rd generation satellite navigation[EB/OL]. http:www.dlr.de/kn/en/ desktopdefault.aspx/tabid-17411/.

[6] Gabriele Giorgi, Bethany Kroese, Grzegorz Michalak. Future GNSS constellations with optical inter-satellite links[C]. Preliminary space segment analyses: Proceedings of 2019 IEEE Aerospace Conference, 2019.

[7] Susanne Glaser, Grzegorz Michalak, Benjamin Männel, et al. Refernce system origin and scale realization within the future GNSS constellatin “Kepler”[J]. Journal of Geodesy, 2020, 94(12).卢鋆，张弓，申建华，等. 低轨增强星座对卫星导航系统的能力提升分析[J]. 卫星应用，2020，2（2）：49-54.

[8] Christoph G. Kepler-Satellite Navigation without Clocks and Ground Infrastructure: Proceedings of the 31th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation[C]. 2018.

[9] Tobias D. Schmidt, Stefan Schlüter, Thilo Schuldt, et al. COMPASSO In-orbit verification of optical key technologies for future GNSS: Proceedings of the 53rd Annual Precise Time and Time Interval Systems and Applications Meeting[C]. 2022.

[10] Christoph G. Kepler-Satellite Navigation System Description and Validation[EB/OL].[2018-12-05]. http://elib.dlr.de/126631.

Analysis of European Kepler Navigation System Development

WU Yan, LI Chuan

With the development of satellite navigation technology in various field, the demand for satellite navigation augmentation is put forward, and LEO-based navigation augmentation system or MEO-LEO satellite-based augmentation system are being developed rapidly. The background to build European Kepler satellite navigation system is introduced at first. Secondly, the system compositions, characteristics and development schedules is focused. The benefits of Kepler system is analyzed and stated at last.

Kepler System; LEO Constellation; Augmentation; Satellite Navigation

TN967

A

1674-7976-(2022)-04-247-05

2022-07-14。

吴燕（1967.04—），山东滕州人，硕士，高级工程师，主要研究方向为导航、通信。