[论文解读] LEO-PNT With Starlink: Development of a Burst Detection Algorithm Based on Signal Measurements

Winfried Stock, Christian A. Hofmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2023

GNSS positioning and interference被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于相关性的星链信号突发检测与频率估计算法，旨在利用机会信号实现基于多普勒频移的低地球轨道定位导航（LEO-PNT）。利用实测的星链上行链路信号，该方法在使用标准贴片天线的情况下，4分钟跟踪时定位精度低于1公里，证明了利用商业低地球轨道巨型星座实现运行导航的可行性。

ABSTRACT

Due to the strong dependency of our societies onGlobal Navigation Satellite Systems and their vulnerability to outages, there is an urgent need for additional navigation systems. A possible approach for such an additional system uses the communication signals of the emerging LEO satellite mega-constellations as signals of opportunity. The Doppler shift of those signals is leveraged to calculate positioning, navigation and timing information. Therefore the signals have to be detected and the frequency has to be estimated. In this paper, we present the results of Starlink signal measurements. The results are used to develope a novel correlation-based detection algorithm for Starlink burst signals. The carrier frequency of the detected bursts is measured and the attainable positioning accuracy is estimated. It is shown, that the presented algorithms are applicable for a navigation solution in an operationally relevant setup using an omnidirectional antenna.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的星链信号突发检测与频率估计算法，以实现机会性LEO-PNT。
• 分析星链用户上行链路信号，识别其与下行链路信号之间的结构相似性。
• 评估在基于多普勒频移的LEO-PNT系统中，频率估计算法误差对定位精度的影响。
• 证明使用全向天线实现星链信号操作性LEO-PNT的可行性。
• 在真实信号与噪声条件下，利用Cramér-Rao界（CRB）建立定位误差的理论下限。

提出的方法

• 作者利用实测的星链上行链路信号，识别出一个重复8次的同步序列，其结构与下行链路一致。
• 开发了一种基于相关性的突发检测算法，利用已知的同步序列在存在未知载波频偏或多普勒频移的情况下，实现对信号突发的鲁棒检测。
• 通过接收信号与已知前导序列的互相关运算实现频率估计算法，从而实现高精度的载波频率估计。
• 应用Cramér-Rao界（CRB）计算理论上的定位误差方差下限，基于单颗卫星过境期间的多普勒频移载波频率。
• 该方法采用球形地球模型对卫星运动进行建模，并计算Fisher信息矩阵，以推导出纬度与经度估计的CRB。
• 分析假设接收机静止且已知高度，利用谱通量密度与天线增益模型信噪比与估计算法方差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用已知的同步序列可靠检测星链上行链路信号并估计其载波频率？
• RQ2 在存在未知载波频偏与多普勒频移的情况下，所提出的突发检测算法性能如何？
• RQ3 利用星链信号通过多普勒频移测量实现LEO-PNT时，定位误差的理论下限是多少？
• RQ4 跟踪时长与接收机天线增益如何影响可实现的定位精度？
• RQ5 标准全向天线在多大程度上可支持使用星链信号实现操作性LEO-PNT？

主要发现

• 星链上行链路信号包含与下行链路相同的同步序列，由8次重复的子序列构成，可实现可靠检测与估计。
• 所提出的基于相关性的检测算法对未知载波频偏与多普勒频移具有鲁棒性，可在真实环境中实现可靠的突发检测。
• 利用同步序列进行频率估计的估计算法方差接近理论下限，表明其具有高精度。
• 在使用8 dBi贴片天线进行4分钟跟踪时，对于接收机-卫星距离在200 km至700 km之间的场景，定位误差的下限小于1 km。
• 当距离低于200 km时，定位精度因跨轨道方向误差而迅速下降；当距离超过700 km时，因沿轨道方向估计算法误差而迅速下降。
• 延长测量时长可提高精度，但波束成形协议可能限制单颗卫星可跟踪信号的最大时长。