虛擬元宇宙這兩年成為熱門，實際上只是個集合名詞的提法，多少年來大家都將模（型）化、仿真模擬、數字孿生、測繪映射、人工智能，和增強現實與虛擬現實等等，變成研究對象，而且成果頗豐。將這些成果匯總收集起來，冠以“元宇宙”之名，直接、管用、方便，還有新意，實在是美哉宏論。仿真模擬在解決低軌星座方面的模化問題上，正好是解決“老革命遇到新問題”，與時俱進，需求牽引，這種事情還得由功底深厚的斯普倫（Spirent）這樣的老牌名企來做，更為合適。果然，不負眾望，斯普倫最近又有行動了。一款稱為模擬軌道（SimORBIT）的低地球星座模擬軟件問世，并且與SpacePNT專業星載GNSS接收機公司合作。

低地球軌道（LEO）星座有望較為徹底改變通信方式。了解和應對低地球軌道的具體挑戰是加快這一發展的關鍵一步。兩體問題肯定會出現在任何軌道力學教科書的第一章中，并且有充分的理由：它的解決方案導致了開普勒軌道的解析定義，這是一個簡單但極其強大的工具，可以預測航天器和天體的軌跡。事實上，開普勒軌道僅由一組六個參數（半長軸、偏心率、傾角、升交點赤經、近點角、歷元異常）定義。盡管基礎物理模型簡單（兩個球狀質量分布體，僅受相互引力作用的影響），但它非常精確，在幾個世紀中取得了無數成就，從預測彗星的出現到行星際探測器復雜的多重引力軌道的初步設計。

然而，開普勒一人并不能說明全部情況。因為，沒有一個天體是完美的球形，即使在太空中，衛星運動也會受到過多的影響，包括來自太陽、月球和其他行星的引力，以及來自大氣最上層邊緣的阻力。即使是撞擊光子也會對軌跡產生可測量的影響！在運動方程中包含所有這些擾動會增加數學復雜性，以至于不再可能找到封閉形式的解析解。對于給定的應用，在精度和模型復雜性之間找到最佳折中方案可以說是天體動力學中最具挑戰性的任務之一。

簡化擾動模型的局限性。簡化的擾動模型（特別是SGP4）被航天機構和產業行為體廣泛用于預測活動和失效衛星、碎片和太空垃圾的路徑，以評估碰撞風險并相應地計劃避撞操作。每個跟蹤項目由雙線元素（TLE）表示。NORAD和美國太空司令部定期建造和分發數千個TLE：它們包括六個經典軌道元素和三個額外的參數，這些參數旨在捕捉軌道根數在時間上的變化。該擾動模型預測TLE天體的位置，其精度在其參考歷元周圍的幾天內優于1公里。最明顯的例子是所有GNSS星座廣播的導航電文，其中包括用于預測發射衛星軌跡的軌道參數。除GLONASS外，所有其他星座都發射開普勒元素和附加參數，這些參數將與定義良好的軌道模型一起使用，以計算發射機天線相位中心的位置和速度。例如，GPS LNAV電文中包含的星歷表允許在其參考歷元周圍幾米內進行兩小時的位置預測：這是通過包含選定的時間導數和諧波校正系數來實現的。所有這些量的值通常用復雜的批處理算法進行估計，然后在其參考歷元之前與相關衛星進入上行鏈路。

建立LEO軌道模型。給定應用設計軌道傳送器，需要深入了解作用在目標軌道上的所有力的相對大小：例如，大氣阻力在低海拔高度區域起著重要作用，而對于大多數實際用途，它在2000公里以上就消失了，當與地球的距離增加時，地球上不均勻的質量分布（非球形、海洋和固體潮汐）引起的擾動往往會變得不那么突出。另一方面，如果航天器離開地球并靠近太陽，所謂的太陽輻射壓力會增加。GNSS傳播模型顯然經過了定制，以在適用于其預期軌道類別時提供最佳性能，即位于20000公里及以上高度的中地球軌道（MEO）衛星：毫不奇怪，大氣阻力效應的精確建模超出了其能力范圍。在低地球軌道（LEO）中，使用純開普勒模型（或超出其預期邊界的特定傳播子）可能會在幾個軌道周期內導致數十至數百公里的誤差。建模軌道中的這種退化與精確模擬環境（如Spirent的PNT測試解決方案）的要求并不兼容。

SimORBIT簡介。為了應對這一挑戰，SpacePNT開發了SimORBIT，這是一種多功能工具，能夠為單個衛星或整個星座生成高保真低地球軌道。衛星群的初始參考狀態可以通過直觀的GUI定義，也可以從廣泛采用的格式（如RINEX（NAV））導入。它的軌道模型提供了卓越的性能：傳播24小時后，誤差約為30米（根據哨兵3A的真實精確軌道測定數據進行了驗證）。SimORBIT的其他功能包括覆蓋率分析、從地球上用戶定義的參考位置繪制天空圖，以及生成具有不同格式選項（*.SP3、*.MOT和*.MOTI）的輸出文件。

圖1. SimORBIT GUI，顯示單個衛星軌道和覆蓋范圍，以及天空視圖和地面軌跡窗格

圖2. 沃克（Walker）星座的覆蓋率分析（86.4°：66/6/2）

SimORBIT與斯普倫仿真系統無縫集成。無論是用于為LEO衛星上的GNSS接收機生成軌跡，還是與通過I/Q注入和獨特的斯普倫“Flex”功能生成自定義導航信號等功能結合使用，SimORBIT都是開發創新的天基PNT解決方案所需的現實測試基礎設施的重要組成部分。

LEO軌道模化軟件SimORBIT，首次實現了精確的實驗室測試和驗證。隨著對低地球軌道（LEO）衛星星座的興趣越來越大，需要對環境進行精確建模，以便進行精確、現實的GNSS/PNT測試。然而，這是一項艱巨的任務。LEO衛星比MEO衛星更接近地球，這意味著它們必須承受不同的重力和大氣影響，而這些影響很難在實驗室中復制。

為了滿足這一需求，斯普倫最近發布了SimORBIT高精度軌道模化軟件，用于LEO衛星模擬，這是業界首創。該軟件是與SpacePNT合作開發的，使客戶能夠使用更準確地代表LEO衛星真實運行環境的模擬進行測試，從而使他們有信心該衛星一旦發射到太空，就會表現出應有的性能。

產品經理米婭·斯溫表示，由于LEO衛星離地球很近，它們的速度非常高，高達每秒7公里，復制起來很困難。實地測試既困難又昂貴，因此基于實驗室的模擬是在發射前測試這些昂貴衛星的唯一方法。

斯溫說：“對LEO衛星來說，知道它的位置至關重要”。“例如，考慮一顆用于PNT目的的LEO衛星廣播。這一切都與偽距有關。如果在模擬過程中軌道不準確，偽距將有大的誤差，并且包含廣播衛星的數據將不準確。這就是為什么進行精確建模和在實驗室中進行建模至關重要的原因”。

合作伙伴關系。斯溫說，SpacePNT是一家小型初創公司，在太空接收器方面擁有專業知識。將他們的能力與斯普倫的GNSS模擬能力相結合是一個“非常好的匹配”，從而可以開發這種先進的LEO測試解決方案。SpacePNT開發的接收器被集成到斯普倫的模擬系統中，以創建SimORBIT。

斯普倫產品營銷經理威廉·桑頓表示：“隨著應用程序變得更具挑戰性，為了給我們的客戶提供最真實、最高性能的測試環境，針對特定應用，我們需要與特定領域的專家合作”。“在LEO領域，SpacePNT正好代表了這一點，因此我們尋求將他們的專業知識和知識融入到我們一流的模擬中，以幫助我們的客戶構建更好的星座”。

Flex功能。SimORBIT結合了對精確LEO軌道和高精度GNSS信號的模擬，補充了系統通過I/Q注入或公司的“Flex”功能生成非ICD信號的能力。

斯溫說，低軌衛星廣播的代碼和載波頻率與接收機通常在GPS和伽利略星座中看到的不同。Flex功能提供了更改調制和廣播電文的信號參數的靈活性。Flex功能使得在實驗室中開發基于空間PNT信號成為可能。

桑頓說：“用戶可以創建自己的PNT信號”。“他們可以測試它們，可以修改它們，可以根據將這些信號傳輸到接收器和不同的設置來評估性能。例如，你可以將地面控制元素納入其中”。