永兴集团

编译：魏艳艳（中国电科20所）

转自：“天地一体化信息网络”微信公众号

卫星时间和位置（STL）技术是Satelles公司研制、应用低轨卫星的一种PNT技术。2016年，Satelles公司对STL系统的性能进行了演示验证，试验使用独立温控晶体振荡器（TCXO-based）接收机，接收铱星星座信号，试验结果显示，其授时精度达亚微秒级。

2018年1月，Satelles公司在ION PTTI年度会议上发布STL系统最新测试结果，试验采用差分数据和精度更高的恒温晶体振荡器（OCXO），试验结果显示，其授时精度可达纳秒级。

卫星时间和位置系统研究背景

自1995年GPS开始运行以来，除军事领域需要提供全球无缝覆盖的服务外，服务范围还延伸至各大民用领域，比如通信行业、金融服务、电力、能源、财产跟踪、位置服务（LBS）、授时和定位认证（timing and locations based authentication）等。随着应用范围的不断扩展，GNSS的作用愈来愈无法替代。

尽管GNSS有诸多优点，但依然存在不可避免的缺点，其中包括：

第一，GNSS导航卫星轨道高度高，一般在2～3万千米轨道高度上，导航信号经过空间损耗到达地面时已很弱，无法穿透卫星和用户间的各种障碍物，尤其在一些特殊环境中，比如室内和其他如城市峡谷等阴影遮蔽比较严重的环境。

第二、在天体运动中，高轨道导致了卫星本身的几何位置改变慢，这恰恰与实时快速定位的要求存在冲突。

第三、GNSS信号易遭受到干扰和欺骗，而且这种设备因价格低廉极易获取。

而低轨卫星为解决以上问题提供了良好的契机。

第一、低轨卫星轨道高度相比于传统导航卫星更低，导航信号在空间中的自由传播损耗会更低，地面接收机的信号更强，可用于一些阴影遮蔽环境的定位。

第二、传统定位方法大致有伪距定位和载波相位定位两种，其中载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难度，而低轨卫星在轨运行速度更快，在相同观测时间内几何位置改变更大，更利于载波相位定位时整周模糊度的解算。

第三、依托低轨卫星星座发射的信号到达地面损耗小，且信号采用专用格式和加密技术，不易受到干扰欺骗。

卫星时间和位置（Satellite Time and locations, STL）技术是Satelles公司与波音公司和铱星卫星有限责任公司（Iridium Satellite LLC）合作开发的一种低轨卫星PNT技术。STL通过铱星卫星星座发射的定位信号能够穿透包括深室在内的许多遮蔽环境。2013年，Satelles与波音公司和铱星公司达成协议，由Satelles公司独家向用户提供铱星卫星系统商业信号。根据协议要求，Satelles独家管理与STL技术有关的铱星卫星运营中心的所有接口。2016年，Satelles公司对外发布STL服务。

卫星时间和位置系统概述

STL系统是通过铱星发射STL专用信号为用户提供PNT服务。铱星星座由66颗低轨道卫星（LEO）组成，主要为全球移动用户提供话音通信服务。信号发射频段为L频段（1616～1626MHz），采用25,000符号率/秒的正交相移编码（QPSK）调制方式，信号帧长度90ms。由于铱星系统可以在90ms的单帧信号发射通用“文本电文”，Satelles公司根据铱星具备的这种能力发射专用脉冲信号（“bursts”），为用户提供PNT服务。

铱星发射的STL脉冲信号包含一组精心设计的数据，经铱星发射机产成一个扩频RF信号脉冲。STL专用脉冲信号有一个导频通道和一个数据通道，两个通道都进行复杂编码，在进行编码增益处理后即便是微弱信号也可以穿透建筑物。STL接收机可以通过这种编码增益得到每个脉冲信号的精确时间（伪距）和频率测量，相对于未受遮蔽区域最多只有39dB的信号衰减。因此，STL系统可以用于室内和“都市峡谷”等遮蔽区域，这一点恰恰能够弥补GNSS性能缺陷。

卫星时间和位置系统性能

STL系统具有以下能力:

全球可用性。铱星星座由66颗低轨卫星组成，是目前在轨运行的最大星座，能够覆盖包括极地在内的全球区域。

信号功率大，具有穿透能力和抗干扰能力。低轨卫星距离地球800多千米，STL信号到达地面时的信号强度是GNSS信号的1000倍，且信号是经铱星高功率寻呼信道（paging channedl）单向发送，即使是在建筑物的地下室内也能接收到STL信号。且高功率STL信号可以抵御大功率干扰机的干扰。

抗欺骗能力，安全性高。STL系统采用专用加密信号，PNT数据包都经过加密，只有付费用户才能解密使用，具有抗欺骗能力。

时间同步和授时能力。STL通过GPS溯源到UTC时间。STL系统通过遍布全球安全可靠的铱星地面监测站（Teleports）获取GPS高精度UTC时间，从上行链设备向铱星星座提供高精度时间。STL相对于UTC授时精度为约200纳秒。目前，Satelles公司采用全球25个地面站的铷驯服授时接收机测量GPS时间，并进行比较和相互校验。GPS出现故障时，STL会检测到GPS故障，在GPS恢复正常运行前采用铷振荡器。

位置认证能力。铱星星座每颗卫星有48个点波束，可以提供位置认证服务。STL系统的定位精度30～50米。对于移动物体的位置定位需结合惯性导航系统一起使用。

STL系统性能如图1所示。

图1  STL系统性能

卫星时间和位置系统最新试验结果

2018年，Satelles公司根据不同的设备、服务和环境设置了3种试验场景，如表1所示。试验结果显示，采用差分数据和精度更高的恒温晶体振荡器（OCXO）后，STL系统的授时精度可达160纳秒。

表1  3种STL试验场景

试验使用的用户设备包括斯坦福研究系统公司（SRS）的PRS10铷蒸汽频率参考和Satelles评估套件（EVK2）STL接收机，如图2所示。

图2  试验用户设备

试验分外置铷钟STL系统和内置OCXO的差分STL系统两种情况进行。

（1）外置铷钟STL系统（无差分校正数据）的试验参数配置及试验结果

场景1和场景2未使用差分校正数据，其参数配置及试验结果如表2和表3所示。

表2  无差分校正数据的试验参数配置

表3  无差分校正数据的试验结果

试验结果显示，场景1的授时精度优于场景2。

（2）内置OCXO的差分STL试验参数配置及试验结果

与场景1和场景2不同的是，场景3采用了内置OCXO和差分数据，其参数配置及试验结果如表4所示。

表4  使用差分校正数据的试验参数配置

为了便于比较，场景3对STL系统和差分STL系统分别进行了测试，试验持续时间10天，试验结果如表5所示。

表5  场景3试验结果

试验结果显示，在使用内置高精度OCXO时钟和差分数据的情况下，授时精度可达160纳秒。

卫星时间和位置系统与GNSS的性能比较

STL系统是应用铱星高功率寻呼信道发射STL专用脉冲信号，使接收机可以接收到精确的时频观测量，在GNSS拒止环境下，可以弥补和增强GNSS系统性能。STL系统与GNSS性能比较见表6。

表6  STL系统与GNSS性能比较

从表6可以看出，STL系统定位和授时精度不及GNSS，但具有抗干扰和欺骗能力，且大功率信号不受遮蔽障碍物影响，在性能上可以与GNSS形成互补。但是，STL系统采用STL专用脉冲信号，目前还未对所有用户提供公开规范。而且，STL系统仅向付费用户提供服务，这些都是STL系统亟待解决的问题。