Широкополосные спутниковые группировки на НОО для навигации нового поколения
Быстрое развёртывание широкополосных спутниковых группировок на низкой околоземной орбите (НОО) открывает новые возможности для навигации следующего поколения. По сравнению с традиционными глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС), широкополосные системы на НОО обеспечивают более мощный принимаемый сигнал, более широкую полосу пропускания, быстро меняющуюся геометрию спутников и более крупные масштабы группировок, что открывает новые возможности для позиционирования, навигации и синхронизации. В то же время ориентированные на передачу данных сигналы, высокая динамичность и архитектура с ограниченными ресурсами ставят перед ними новые задачи, принципиально отличающиеся от тех, с которыми сталкиваются разработчики ГНСС.
В статье китайских исследователей представлен всесторонний обзор широкополосных спутниковых группировок на НОО для навигации следующего поколения, в котором рассматриваются их основные характеристики, типичные сценарии использования, ключевые технологии и нерешённые проблемы. Широкополосные системы на НОО сравниваются с традиционными ГНСС. Описаны основные технические подходы к ПНС на основе спутниковых группировок на НОО. Рассмотрены новые сценарии использования в условиях отсутствия сигнала ГНСС, преобладания многолучевого распространения и в рамках интегрированной системы связи и навигации (ИССН). Рассмотрены ключевые технологии, в том числе разработка сигналов, высокодинамичная обработка сигналов и планирование использования ресурсов спутниковых группировок.
В качестве показательного примера приведена оптимизация первичной синхронизирующей последовательности Starlink для навигации, которая демонстрирует, что распределение мощности поднесущих может повысить устойчивость к многолучевому распространению при сохранении точности определения дальности. Обсуждён ряд проблем и перспективных направлений развития навигации на основе широкополосных спутниковых группировок на НОО, чтобы помочь будущим исследователям.
Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) остаются основным источником глобальной информации для PNT. Однако спутники ГНСС в основном находятся на средней околоземной орбите (СОЗО), где из-за большого расстояния распространения сигнала на пользовательском терминале он принимается относительно слабо, что снижает устойчивость системы к блокировкам, помехам, многолучевому распространению сигнала и спуфингу. Эти ограничения особенно заметны в городских каньонах, внутри зданий и в других местах, где использование ГНСС затруднено. В то же время быстрое развёртывание широкополосных группировок спутников на низкой околоземной орбите (НОО) для обеспечения глобальной связи открыло новые возможности для спутниковой навигации. Благодаря более низким орбитальным высотам, более широкой полосе пропускания, большему количеству спутников в группировке и более быстрым геометрическим изменениям широкополосные группировки спутников на НОО обладают улучшенными навигационными возможностями, которые могут дополнить традиционные ГНСС.
Одной из характерных особенностей группировок спутников на НОО является то, что более низкая орбитальная высота спутников обеспечивает более благоприятные условия для навигации. В работе авторы подчёркивают, что благодаря меньшему расстоянию распространения сигнала он принимается более мощным, чем в случае с традиционными ГНСС, что полезно в условиях блокировок, затухания сигнала и помех. Более сильные принимаемые сигналы также могут повысить надёжность приёма и отслеживания сигнала, особенно в условиях, когда потери при распространении сигнала или локальные помехи ухудшают качество обычных навигационных сигналов. Это преимущество делает существующие сигналы низкоорбитальных спутников связи привлекательными для альтернативной навигации.
В частности, авторы работы разработали методы приёма и доплеровского отслеживания сигналов и продемонстрировали возможность определения местоположения с использованием нескольких спутников. Широкая полоса пропускания — ещё одна важная характеристика широкополосных систем с низкоорбитальными спутниками. Большая полоса пропускания сигнала может обеспечить более точное определение задержки и повысить потенциальную точность определения дальности, а также предоставить больше возможностей для разработки навигационных сигналов. В работе авторы проанализировали многоскалярный сигнал с линейно-частотной модуляцией и расширенным спектром для низкоорбитальной персональной навигации и показали, что увеличение полосы пропускания сигнала может повысить точность определения дальности, хотя и за счёт усложнения обработки сигнала приёмником.
Помимо разработки специализированных навигационных сигналов, широкополосные системы связи с низкоорбитальными спутниками могут использоваться как для связи, так и для определения местоположения. Авторы работы разработали широкополосную систему с низкоорбитальными спутниками и массированным MIMO-приёмником для интегрированной связи и определения местоположения с гибридным предварительным кодированием, позволяющим сбалансировать качество связи и точность определения местоположения. Большие группировки низкоорбитальных спутников и быстрые геометрические изменения могут обеспечить более благоприятную и быстро меняющуюся геометрию спутников для навигации.
Авторы проанализировали геометрию широкополосных группировок НОО и показали, что их большое количество спутников может существенно улучшить показатели снижения точности (DOP) по сравнению с обычными навигационными группировками. Это демонстрирует геометрические преимущества крупномасштабного развёртывания НОО.
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Макс-канал
По материалам открытых источников