让全球永不失联,全靠中国“鸿雁”星座系统

出品|网易新闻

导语:鸿雁星座计划,全称为鸿雁全球卫星星座通信系统,是我国正在打造一个全球低轨卫星通信系统。它是由300多颗低轨卫星和数据业务处理中心组成的。规模相对来说,比GPS大了12倍,有通信和导航增加的功能。无论在任何地方,或任何复杂的地形下,可实现全天候全时段双向通讯,为全球用户提供全球无缝覆盖数据通信信息服务。

现在的移动通信网络,主要是靠地面基站发信号,覆盖的范围有限,因此偏远地区山林荒漠,还有海洋很多地方,都没有办法接收到信号,而有了鸿雁星座就可以解决这些信号问题和网络问题。

同时随着全球导航功能增强,还提高北斗卫星导航系统精度定位,再也不用依赖其他的卫星系统。如果说北斗卫星系统让我国拥有了自主卫星通信,那鸿雁星座就是在此基础上实现质的提升。有了鸿雁星座以后,智能手机将直接进入卫星应用领域,从而支持用户地面网络切换到卫星网络,实现沟通连接万物,让全球永不失联。

低轨道卫星通信中的王者

据中国航天科技集团技术专家何穆介绍,正在推进的“鸿雁星座”计划,是一个全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统。反观北斗系统,它的空间段是地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。

忙碌的地球卫星们

所谓静止轨道指的是地球同步轨道的一种,特指卫星或人造卫星垂直于地球赤道上方的正圆形。静止轨道上的通信卫星位置高,所以具有信号覆盖面特别大的特点,不需要放置很多颗卫星就可以覆盖全球的通讯范围。

那什么是低轨道卫星呢?

低轨道卫星系统一般是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型的卫星系统,其中卫星的分布称之为卫星星座。低轨道卫星距离地球通常在500到一两千多公里区间,离地球近,路径短,能克服地球高轨道卫星/静止轨道卫星存在的种种缺陷。

但是,由于低轨道卫星离地面近,通信卫星信号覆盖地面面积小,为了覆盖全球,需要用几十颗卫星甚至更多,才能组成星座和系统,进行全球通信,这也是为何鸿雁计划需要300颗低轨道小卫星组成。

全面组建成鸿雁通信卫星星座比高轨道卫星网络更便宜,比地面的通讯网络覆盖的面积更广,所以发展前景广阔。而且,对有限的宝贵的战略性空间频率轨道资源的争夺和对国家安全的重视和维护也是原因之一。

“鸿雁”卫星研制现场

鸿雁星座的系统组成方案

“鸿雁”全球导航增强系统由空间段、地面段及用户段组成。空间段主要包括GNSS系统和“鸿雁”卫星星座;地面系统主要由监测站、中心处理站、信息传输与分发网络组成;用户段为联合接收导航卫星及“鸿雁”卫星进行定位的用户接收机。采用四大GNSS系统双频监测,全球稀疏地面监测站,播发GPPP增强信息和双频增强信号实现精度、完好性、可用性和定位实时性增强。主要有两项技术要点:

一是天地一体高精度GNSS监测处理。基于地面区域稀疏监测站+天基全球监测站(低轨高精度GNSS接收机),进行高中低地联合精密轨道与钟差确定,实时获取四大GNSS系统及低轨星座的精密轨道钟差等参数。

二是实时高精度PNT、安全PNT。用户接收GNSS/LEO信号实现全球动态分米级、静态厘米级的GPPP,收敛时间小于1min;独立接收LEO星座信号实现导航备份,增强复杂地形环境和复杂电磁环境下的导航服务能力。

基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统原理框图

系统工作原理与流程如下:“鸿雁”卫星通过配置高精度GNSS监测接收机,生成驯服到GNSS系统的时频基准信号(10MHz和1PPS),卫星通信载荷基于该时频信号产生测量通信一体化信号向用户播发。同时,监测接收机观测数据通过星间链路下传到境内中心处理站,中心处理站利用地面监测站联合“鸿雁”卫星移动监测站观测数据生成精密星历,通过馈电链路和星间链路上传至卫星,然后通过用户通信链路广播。用户通过接收卫星通信链路播发的测量通信一体化信号实现精密星历的获取,实现全球精密单点定位。

鸿雁星座的首颗试验星

2018年12月29日,鸿雁星座首颗试验星“重庆号”在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭(及远征三号上面级)发射升空。

“重庆号”是鸿雁星座的试验星,卫星质量约40kg,设计寿命2年,运行在距离地球1100km的轨道。卫星采用高性价比微小卫星平台,配置有L/Ka频段通信载荷、导航增强载荷和ADS-B载荷等,将在轨开展L和Ka频段通信频率资源可用性和数据转发关键技术验证。卫星利用地面系统与终端将陆续开展卫星移动通信、物联网、热点信息广播、导航增强等功能的试验验证,为后续鸿雁星座的全面建设及运营提供支撑。

鸿雁星座收发卫星“重庆号”发射现场

从2012年11月成功发射“新技术验证”一号卫星、2015年9月成功发射“开拓”一号卫星,到2016年11月10日成功发射升空的我国首颗“脉冲星”实验卫星,再到2018年12月31日成功发射“鸿雁”星座首颗试验星,十年磨砺,玉汝于成。整星的研制过程采用了“方案+正样”的精简模式,深入优化研制技术流程和计划流程,完善产品体系的标准化和通用化,实现了产品货架化的生产与存储,大大缩短了产品齐套时间,有效保证了研制进度,从2018年4月份确定最终技术需求到整星出厂仅用了6个月的时间。

鸿雁星座首颗试验卫星“重庆号”

鸿雁星座的关键“秘诀”

鸿雁星座这种低轨导航增强系统相比当前的 SBAS 系统是一种全新的技术体制。因此,除了导航增强技术相关的关键技术,如何与低轨通信星座融合将是系统成功运行的关键所在。

铱星卫星

第一个关键技术秘诀就是区域监测站条件下的低轨卫星与中高轨导航卫星联合定轨。考虑我国地基监测站无法全球均匀布设的现实条件,需要在低轨卫星上配置监测接收机,并联合地面区域监测站实现天地一体联合监测,用于GNSS 卫星和低轨卫星的精密轨道与钟差确定。需要设计并选择合理分布的区域地面跟踪站网,综合考虑计算负荷、低轨星座的构型等要求,优化参与联合定轨的低轨卫星。融合区域地面跟踪网和星基跟踪站等多源观测数据,弥补地面跟踪站的不足,改善整个跟踪网的图形结构,实现不同轨道高度卫星群精密轨道的快速确定以满足实时应用的需求,从而丰富并发展导航卫星与低轨卫星精密联合定轨的理论与方法,生成厘米级实时精密轨道与钟差改正数。

鸿雁星座首发星两个独立的用户端天线测试版

第二项便是卫星导航与卫星移动通信深度融合关键技术。频率资源是低轨通信星座最核心的资源,移动通信下行采用 L 频段播发,导航增强应充分与移动通信频段兼容以降低成本及风险,因此卫星导航与卫星移动通信深度融合成为系统建设的关键。移动通信卫星一般采用多波束天线对地形成多个蜂窝小区,并采用频率多色复用技术提升用户容量,因此需突破基于多波束天线的通导信号一体化设计,充分利用通信频率资源和功率资源,在L频段上实现通信和导航信号一体播发。

结语:

当前,低轨通信星座的蓬勃发展为卫星导航增强带来了新的历史机遇,低轨卫星具有空衰小、几何变化快的优势,与当前中高轨 GNSS 卫星可形成互补。基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统有望解决当前增强系统在全球覆盖、低落地功率和 PPP 收敛时间过长的问题,服务于未来以电网、银行、证券、军事等高价值安全用户,以及以自动驾驶为代表的实时精密定位用户,随着智能手机、移动设备等处理能力日益增长,最终有望走进千家万户,实现大众应用。