基于“鴻雁”星座的全球導航增強系統

蒙艷松 邊朗 王瑛 嚴濤 雷文英 何穆 李星星

（1 中國空間技術研究院西安分院；2 中國長城工業集團有限公司；3 武漢大學)

近年來，低軌通信星座系統及其應用成為國內外航天企業乃至資本大佬競相發展的商業航天產業之一，為提高效費比，綜合化衛星系統成為低軌通信星座的重要發展趨勢。目前，美國已經在“下一代銥星”系統上實現了導航增強功能，中國航天科技集團有限公司近年發展的“鴻雁”星座也將融合導航增強功能。與“銥”衛星不同，“鴻雁”星座面向解決我國難以全球建站及現有多種增強系統的痛點，提出了天基全球監測、實時高精度和安全定位授時等發展方向，既向北斗提供全球監測數據服務，又向廣大個人用戶提供安全、實時高精度的PNT服務。低軌導航增強與星基增強系統（SBAS）、地基增強系統（GBAS）等傳統的導航增強系統有著本質的區別，具有劃時代的意義，將推動衛星導航增強邁向一個嶄新的時代。

1 引言

過去20年，是衛星導航系統蓬勃發展和應用的20年，截至目前，國際上已有GPS、GLONASS、GALILEO和北斗四大全球衛星導航系統（GNSS），及IRNSS和QZSS兩大區域導航系統。GNSS可向全球用戶提供全天候、連續不間斷的導航服務，在交通、農業、電力以及軍事等應用領域發揮了巨大的作用，對國民經濟和軍事國防建設作出了巨大的貢獻。

全球導航系統和區域導航系統概覽

雖然衛星導航系統在軍民應用領域的應用獲得了巨大的成功，但是衛星導航系統本身只提供基本導航服務。隨著用戶需求的不斷發展和復雜環境下的應用拓展，衛星導航同時也面臨著巨大挑戰。

飛機精密進近

高精度測繪

智能交通（自動駕駛）

由此可見，GNSS系統本身提供的基本導航服務已經不能滿足大多數行業用戶的需求，因此，隨著用戶需求的發展和技術的進步，地基增強系統和星基增強系統相繼出現，高性能導航服務逐漸在高端行業中應用。近年來，隨著低軌通信星座的興起，基于低軌通信星座的全球導航增強系統成為衛星導航增強領域的熱點。“鴻雁”系統是中國航天科技集團有限公司推出的一個低軌移動通信及寬帶互聯網星座，共300多顆星，計劃在2023年建成由60顆左右衛星構成的窄帶系統，在2025年建成由約270顆星構成的寬帶系統，具有全天候、全時段及在復雜地形條件下的實時雙向通信能力，可為用戶提供全球實時數據通信和綜合信息服務，2018年底發射首發星。“鴻雁”星座將融合導航增強功能，期望通過低軌導航增強，使得高性能導航服務從行業用戶進入大眾市場。

2 衛星導航增強技術現狀與發展趨勢

GNSS利用用戶接收機接收位置精確已知的4顆衛星的導航信號，構成4個方程，對其進行解算得出位置三維坐標及接收機鐘差4個未知數，實現定位及授時的功能。影響GNSS精度的因素主要有：與GNSS衛星有關的因素，包括衛星星歷誤差、衛星鐘差和衛星信號發射天線相位中心偏差；與傳播途徑有關的因素，包括電離層延遲、對流層延遲和多徑效應；與接收機有關的因素，包括接收機天線相位中心偏差，接收機軟件和硬件造成的誤差；其他因素包括Sagnac效應和相對論效應等，同時衛星的可見數也嚴重影響系統的定位功能。正是這些誤差因素導致GNSS系統自身提供的服務能力有限，當前有多種技術手段可以對GNSS服務性能進行增強，按空間劃分可分為星基增強系統和地基增強系統兩類。

星基增強系統

目前美國、歐盟、俄羅斯及中國等國均建設了覆蓋本國及周邊地區的星基增強系統，采用廣域差分與完好性增強體制，對導航精度、完好性等服務性能進行增強。星基增強系統主要包括美國廣域增強系統（WAAS）、歐洲地球靜止導航重疊服務（EGNOS）、俄羅斯差分校正和監測系統站（SDCM）、北斗區域增強系統等，工作原理相似。以WAAS系統為例，它的主要原理是利用地球同步衛星構成數據通信鏈路，系統將星歷誤差、大氣延時誤差、衛星鐘差誤差進行分離并分別進行模型化，主控站利用參考站的位置信息和接收到的GNSS信號計算出差分改正，并將改正信息經上行注入站傳送給GEO衛星，地球同步衛星將信息傳送給地球上的用戶，用戶通過改正信息精確計算自己的位置，在覆蓋范圍內提高用戶的定位精度，實現米級的定位精度，Ⅰ類精密進近（CATⅠ）完好性服務能力。目前，廣域差分與完好性增強體制的SBAS系統主要由政府職能部門主導投資建設，采用兼容互操作的途徑實現國際合作，其標準由美國主導，通過國際合作實現全球有縫覆蓋，主要服務于民航等生命安全領域，近年拓展到海事、鐵路、公路、智能交通等領域，重點在完好性增強。

全球星基增強系統分布

StarFire系統覆蓋區域

此外，目前很多商業化運營的星基增強系統基于精密單點定位（PPP）、PPP-RTK技術，直接對GNSS定位中的各類誤差源進行建模估計（SSR），主要包括軌道點、地衛星鐘差、大氣延遲等，從而實現廣域精密定位，基于載波相位定位精度可達到分米至厘米級，收斂時間20min以上。該類系統目前主要由商業運營公司運營，主要的運營模式是通過租用“國際移動衛星”（Inmarsat）轉發器資源，單向播發改正數，重點在于精度增強，服務于精細農業、工程測量、海洋測繪等高精度行業應用領域，代表性的系統包括美國天寶公司（Trimble）的RTX服務系統、美國NAVCOM公司的StarFire系統等。

地基增強系統

地基增強系統是指參考站位于地面的對于GNSS進行性能增強的運行系統，主要包括局域增強系統（LAAS）和連續運行參考站系統（CORS），這兩個系統相互之間具有一定的相似性，結構都包含參考站、數據通信鏈路和用戶，但也有不同。LAAS系統布設在機場附近，主要實現精度和完好性增強，特別強調完好性，而CORS系統主要是為了實現高精度應用，精度達到實時分米至厘米級，事后可達到毫米級。

LAAS與WAAS不同的是，LAAS利用地面的參考站代替了其中的地球同步衛星進行差分信息的廣播，參考站計算出所接收到的GPS信號的距離改正，此距離改正與空間具有很大的相關性，所以在距離參考站一定范圍內改正效果高于WAAS，但改正精度隨著用戶與參考站距離的增大而急劇降低。且LAAS系統需要保證用戶接收機和參考站接收相同衛星的信號以保證誤差的相關性。在有效覆蓋范圍內LAAS系統可以實現水平方向和垂直方向精度均優于1m，且系統構建成本較WAAS小，主要為機場（大概覆蓋半徑為30～50km）范圍內提供精密進近、離場程序和終端區作業服務，提供Ⅲ類精密進近（CATⅢ）完好性服務，可以說LAAS是WAAS在機場終端區服務的延伸。

CORS是另一類增強系統，主要是為了提供高精度的定位服務，相比于前述幾種系統，對于CORS系統而言，獨特的數據處理中心是其核心。CORS利用特定的算法對參考站網的數據進行處理得出精確的差分改正，使用戶得到更好的定位精度。應用較廣泛的CORS技術是美國天寶公司的虛擬參考站（VRS）技術。VRS技術在特定區域建立永久的固定參考站（通常相距50～70km），用戶接收機通過 GSM短信息功能向控制中心發送一個概略坐標，控制中心根據用戶的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當于在用戶位置附近建立一個虛擬參考站，并利用此參考站產生高精度的差分改正信息，控制中心將標準格式的改正信息發送給用戶接收機進行載波相位差分改正，從而產生厘米級的定位結果，解決了RTK技術作業距離限制上的問題。CORS系統可以實現定位精度水平5cm、垂直8cm甚至更高精度，其高定位精度使其可以應用于監測地殼形變、支持遙感應用、求定大氣中水汽分布、監測電離層中自由電子濃度和分布等領域。

ZITHROMAX（阿奇霉素）是一種大環內酯類抗菌藥，用于治療下列特定疾病中明確的微生物敏感菌株引起的輕、中度感染的患者。在這些指征中，推薦的成人和兒童患者群的治療劑量和持續時間各不相同。［見用法用量（2）］

低軌導航增強——衛星導航增強技術的新機遇

近年來，全球低軌通信及互聯網星座的蓬勃發展為新一代星基增強系統的發展提供了新機遇。國外，“一網”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等低軌通信星座計劃層出不窮，推出數千顆甚至1萬多顆的互聯網星座計劃；國內幾大集團公司也推出了星座計劃，如中國航天科技集團有限公司的“鴻雁”星座、中國航天科工集團有限公司的“虹云”星座等。低軌衛星相比高軌衛星具有明顯的優勢，可以和中高軌衛星實現優勢互補：

1）低軌衛星軌道低，在同等衛星發射等效全向輻射功率（EIRP）的情況下落地功率更高，如“下一代銥星”系統的通信信號落地功率比導航衛星信號（約-160dBW）高20～30dB；

2）低軌衛星運動速度高，衛星幾何變化快，與1000km軌道高度的低軌衛星相比，GPS衛星幾何變化快約40倍，有利于精密定位的快速收斂；

3）導航增強通過與低軌通信衛星融合發展，無需獨立建設龐大的低軌星座，大大降低建設成本，使全球低軌增強成為可能。全球低軌通信星座，配置星間鏈路，支持用戶與衛星間、星座衛星間、星座衛星與地面系統間的近實時數據傳輸，為導航增強實時精密星歷生成與播發提供了實時傳輸網絡支撐。此外，通過通信導航信號創新融合設計，在不降低通信性能的基礎上，使通信信號可用于高精度導航，充分利用了頻譜資源和功率資源。

近年來，小衛星及微小衛星技術蓬勃發展，可以預見，未來5～10年內將有數百顆小衛星發射升空，為提高應用效益，綜合化衛星系統是小衛星的一個重要發展趨勢，尤其是商業化運營的衛星系統。因此，如能利用低軌通信星座，并利用已有的信道資源，播發導航信號及導航增強信息，并與GNSS系統融合，將極大改善目前GNSS系統自身的“脆弱性”。目前，“下一代銥星”系統已經對其移動通信信號進行改造，產生了一個安全定位授時信號（STL），目標是實現在GNSS拒止地區，如室內等的應用。雖然精度不高，但其落地功率比GPS高約30dB，增強了可用性。

可以看出，SBAS和GBAS各有特色，很好地滿足了當前不同行業、不同區域的需求，但相對不斷發展的新需求也各有不足。GBAS與當前移動通信與互聯網服務面臨的問題一樣，難以實現全球覆蓋；基于廣域差分與完好性體制的SBAS有望通過國際合作實現全球有縫覆蓋，基于雙頻載波相位精密定位體制的SBAS受技術體制限制，收斂時間需要約20min及以上，難以實現實時高精度定位，并且信號落地功率與GNSS信號相當，只適合應用于空中或海面等開闊地區。總之，當前的SBAS和GBAS解決不了導航服務的三個關鍵問題，分別是全球覆蓋、強落地功率和高精度定位的快速收斂。而低軌通信星座恰好在這三個方面具有突出的優勢，特別是有望解決實時高精度的快速收斂這一關鍵問題，而該問題則是衛星導航服務于未來以自動駕駛為代表的實時高精度用戶的關鍵。

GPS L1和STL的對標

基于“鴻雁”星座的全球導航增強系統原理框圖

3 “鴻雁”低軌全球導航增強系統

經充分挖掘“鴻雁”低軌星座在導航定位中的應用潛力，結合我國國家定位導航授時（PNT）體系建設需求，“鴻雁”系統將配置導航增強功能。作為“天基監測站”，通過在低軌“鴻雁”衛星上配置高精度GNSS監測接收機，采用地面區域監測網+天基全球監測網的觀測體制實現中高軌導航衛星與低軌通信衛星的聯合精密定軌與鐘差確定，解決我國海外建站的不足；作為“導航信息源”，通過播發精密軌道、精密鐘差、完好性信息以及導航增強信號，實現動態分米級、靜態厘米級的全球精密單點定位（GPPP），收斂時間從30min左右縮短到1min以內，同時提供類似“下一代銥星”系統的安全定位授時功能。可以看出，相比“下一代銥星”系統，“鴻雁”導航增強在“天基監測站”和“導航信息源”兩個方面均有增量。

系統方案

“鴻雁”全球導航增強系統由空間段、地面段及用戶段組成。空間段主要包括GNSS系統和“鴻雁”衛星星座；地面系統主要由監測站、中心處理站、信息傳輸與分發網絡組成；用戶段為聯合接收導航衛星及“鴻雁”衛星進行定位的用戶接收機。采用四大GNSS系統雙頻監測，全球稀疏地面監測站，播發GPPP增強信息和雙頻增強信號實現精度、完好性、可用性和定位實時性增強。

1）天地一體高精度GNSS監測處理。基于地面區域稀疏監測站+天基全球監測站（低軌高精度GNSS接收機），進行高中低地聯合精密軌道與鐘差確定，實時獲取四大GNSS系統及低軌星座的精密軌道鐘差等參數。

2）實時高精度PNT、安全PNT。用戶接收GNSS/LEO信號實現全球動態分米級、靜態厘米級的GPPP，收斂時間小于1min；獨立接收LEO星座信號實現導航備份，增強復雜地形環境和復雜電磁環境下的導航服務能力。

系統工作原理與流程如下：“鴻雁”衛星通過配置高精度GNSS監測接收機，生成馴服到GNSS系統的時頻基準信號（10MHz和1PPS），衛星通信載荷基于該時頻信號產生測量通信一體化信號向用戶播發。同時，監測接收機觀測數據通過星間鏈路下傳到境內中心處理站，中心處理站利用地面監測站聯合“鴻雁”衛星移動監測站觀測數據生成精密星歷，通過饋電鏈路和星間鏈路上傳至衛星，然后通過用戶通信鏈路廣播。用戶通過接收衛星通信鏈路播發的測量通信一體化信號實現精密星歷的獲取，實現全球精密單點定位。

主要的技術體制

（1） 高中低地聯合精密定軌技術體制

傳統的導航衛星精密定軌是利用全球布設的監測站對導航衛星進行偽距和載波相位測量，然后通過定軌處理實現導航衛星的精密定軌。我國由于國土疆域的限制及其他因素，難以實現全球建站。“鴻雁”系統在我國建設區域地面監測站，并通過在低軌衛星上配置高精度GNSS監測接收機實現全球移動監測，從而構成了一個天地一體的監測網。低軌衛星將導航衛星測量數據通過星間鏈路和星地鏈路傳回國內數據處理中心，聯合地面區域監測站監測數據通過數據綜合處理完成中高軌導航衛星和低軌衛星精密定軌。“鴻雁”衛星作為“天基監測站”可以有效填補我國海外站的不足，通過高中低地聯合精密定軌實現實時精密星歷獲取。

采用BDS星座（5GEO+3IGSO+27MEO）與“鴻雁”星座相結合進行了仿真，分別對國內8個站，國內8個站聯合3顆LEO衛星和國內8個站聯合10顆LEO衛星三種方案的精密定軌的結果進行比較。僅用8個地面區域測站，GEO衛星能夠達到米級的定軌精度。當加入3顆LEO之后，GEO衛星得到了極大的改善，特別是切向方向。其位置RMS從262.98cm降為3.55cm，軌道精度提高了98.7%。當LEO數量增加為10顆時，GEO衛星的軌道精度得到了進一步的提升。對于MEO衛星，僅利用中國區域8個測站的定軌精度為24.28cm，這是由于使用了中國區域測站。相比于僅用地面測站的結果，當分別加入3顆、10顆LEO衛星之后，MEO衛星的軌道精度均得到了大幅度的提升，分別提升了84.8%、92.1%。

（2）GNSS/LEO聯合PPP技術體制

基于載波相位的PPP技術是目前全球范圍內開展精密定位的主要技術手段，導航衛星由于軌道高，幾何圖形變化慢，在建立精密定位法方程時相鄰歷元方程之間的相關性太強，在進行定位參數估計時需要較長的時間估計各類誤差之后才能進行載波相位模糊度的固定，從而實現精密定位。低軌衛星具有軌道低、運動快的特點，衛星幾何圖形變化快，短時間歷元間方程的相關性較導航衛星弱。因此，低軌衛星聯合導航衛星進行PPP有利于定位誤差參數的估計，從而可以加速精密定位的快速收斂。“鴻雁”系統為縮短PPP收斂時間將播發雙頻導航增強信號，300顆星左右收斂時間將優于1min（收斂偏差10cm），當收斂偏差降低時，收斂時間也將大幅縮短。

三種方案BDS衛星各方向重疊弧段均方根誤差 cm

關鍵技術

低軌導航增強系統相比當前的SBAS系統是一種全新的技術體制，是在低軌通信星座蓬勃發展的歷史機遇背景下提出的。因此，除了導航增強技術相關的關鍵技術，如何與低軌通信星座融合將是系統成功運行的關鍵所在。主要的關鍵技術如下：

1）區域監測站條件下的低軌衛星與中高軌導航衛星聯合定軌。考慮我國地基監測站無法全球均勻布設的現實條件，需要在低軌衛星上配置監測接收機，并聯合地面區域監測站實現天地一體聯合監測，用于GNSS衛星和低軌衛星的精密軌道與鐘差確定。需要設計并選擇合理分布的區域地面跟蹤站網，綜合考慮計算負荷、低軌星座的構型等要求，優化參與聯合定軌的低軌衛星。融合區域地面跟蹤網和星基跟蹤站等多源觀測數據，彌補地面跟蹤站的不足，改善整個跟蹤網的圖形結構，實現不同軌道高度衛星群精密軌道的快速確定以滿足實時應用的需求，從而豐富并發展導航衛星與低軌衛星精密聯合定軌的理論與方法，生成厘米級實時精密軌道與鐘差改正數。

2）低軌星座增強北斗/GNSS實時精密單點定位技術。由于低軌衛星觀測弧段短、運行速度快、大氣阻力影響大，導致地面站所接收到的低軌衛星觀測數據中周跳較多、粗差影響大。因此，探究適用于低軌衛星數據預處理與質量控制方法是實現穩健可靠的精密定位服務的關鍵和首要環節，旨在為后續高精度數據處理提供“干凈”的觀測資料。多源異構星座的融合，既帶來了成倍增長的觀測值，也產生了各種各樣的偏差，如碼間、頻間、系統間等偏差。在確定了低軌增強北斗/GNSS精密定位數學模型后，就需要對觀測模型中各偏差參數的可估條件進行分析。在多種星座融合的條件下，進一步分析低軌衛星和導航衛星觀測值中的各類偏差的時域與空域特性，幫助確定精密定位中這些偏差的隨機模型，如是采用常數估計，還是采用白噪聲、隨機游走等估計，以及這些偏差估計時約束的松緊程度，這些均影響精密定位的估計結果。聯合低軌衛星增強GNSS精密定位時，處理高維及低軌衛星高動態、短弧段條件下的模糊度快速解算問題是待突破的難點。最終，需論證和評估低軌星座增強北斗/GNSS實時精密單點定位性能。

3）衛星導航與衛星移動通信深度融合關鍵技術。頻率資源是低軌通信星座最核心的資源，移動通信下行采用L頻段播發，導航增強應充分與移動通信頻段兼容以降低成本及風險，因此衛星導航與衛星移動通信深度融合成為系統建設的關鍵。移動通信衛星一般采用多波束天線對地形成多個蜂窩小區，并采用頻率多色復用技術提升用戶容量，因此需突破基于多波束天線的通導信號一體化設計，充分利用通信頻率資源和功率資源，在L頻段上實現通信和導航信號一體播發。

4）小型化、輕量化、低功耗和低成本導航增強載荷技術。低軌通信衛星平臺小，質量、功耗和成本均需要精細控制，因此在進行載荷設計時要面向低體積質量功耗（SWaP）進行設計，“鴻雁”衛星在進行導航增強載荷設計時，采用高精度載荷硬件架構技術+片上系統芯片技術+可重構軟件系統技術，實現高精度時空基準、載荷小型化低功耗，降低成本，采用軟件定義載荷技術，實現在軌維護和升級擴展。

4 展望

當前，低軌通信星座的蓬勃發展為衛星導航增強帶來了新的歷史機遇，低軌衛星具有空衰小、幾何變化快的優勢，與當前中高軌GNSS衛星可形成互補。基于“鴻雁”星座的全球導航增強系統有望解決當前增強系統在全球覆蓋、低落地功率和PPP收斂時間過長的問題，服務于未來以電網、銀行、證券、軍事等高價值安全用戶，以及以自動駕駛為代表的實時精密定位用戶，隨著智能手機、移動設備等處理能力日益增長，最終有望走進千家萬戶，實現大眾應用。