低軌導航增強，勾勒高精時空藍圖

+郭朝暉

未來汽車是什么樣的？

未來汽車是什么樣的？展開想象，智能、自動、安全、舒適，這些字眼都是我們能夠直接想到的。是的，借助日益發(fā)展的傳感器技術與智能計算技術，汽車正在一條全新的道路上快速發(fā)展。在不遠的將來，自動駕駛車輛將陸續(xù)上路，實現(xiàn)更高效、更智能的新型交通模式。

自動駕駛車輛的核心要素之一就是高精度定位。借助于精確的位置結合高精度地圖，可實現(xiàn)車道級導航，進而更好地服務于車輛變道、匝道行駛，更便捷地適配多種多樣的交通規(guī)則。

面向自動駕駛的“原生”高精度服務

位置信息，作為實現(xiàn)自動駕駛必不可少的要素，自然備受矚目。如何為汽車提供精確、可靠的位置信息，是直接影響自動駕駛實現(xiàn)的關鍵要素之一。

GNSS（Global Navigation Satellite System）即“全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)”，是目前應用最廣泛的絕對定位技術。GNSS定位技術在汽車上最典型的應用就是汽車導航。隨著高精度定位的普及和高精度地圖的發(fā)展，導航向車道級精度邁進。如何提高傳統(tǒng)衛(wèi)星導航的全球瞬時高精度定位能力，是智能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對的問題。同時，自動駕駛汽車對高精度定位的可靠性、安全性、完好性提出了更高的標準，要求高精度定位的安全可評估，能夠給出具體的安全性指標。

當前的GNSS系統(tǒng)提供的定位性能普遍都在米級水平，一般處在5～10米左右。由于受到衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時等誤差源影響，僅僅靠GNSS已經(jīng)很難將定位精度進一步提升。因此，需要引入導航增強系統(tǒng)，為用戶在GNSS的基礎上獲取分米、厘米，乃至毫米級的定位精度。

按實現(xiàn)方式不同，現(xiàn)有導航增強體制可分為地基增強系統(tǒng)和星基增強系統(tǒng)兩種。

地基增強系統(tǒng)建立了龐大的地面監(jiān)測站網(wǎng)，采用差分體制，即認為當移動接收站和基準監(jiān)測站相距不遠時，兩者相對于某一顆導航衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時誤差是一致的。通過移動通信網(wǎng)絡或特種通信鏈路，將差分誤差發(fā)送至移動接收站，實現(xiàn)定位精度的提升。

地基增強系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠實現(xiàn)實時、動態(tài)、分厘米級的定位精度，缺點是需要依賴通信鏈路來播發(fā)差分誤差信息，且需要建設較多基準監(jiān)測站，投入成本較大，在偏遠地區(qū)、海洋等區(qū)域也無法覆蓋。

星基增強系統(tǒng)采用絕對定位體制，即地面基準監(jiān)測站實時將GNSS衛(wèi)星的原始監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心處理得到衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時等誤差修正量，并通過地球同步軌道通信衛(wèi)星轉發(fā)至移動接收站，移動接收站通過PPP（Precise Point Positioning）精密單點定位技術實現(xiàn)定位精度的提升。

星基增強系統(tǒng)的優(yōu)點是除南北緯70°以上極地區(qū)域外，全球其他區(qū)域均可覆蓋，不受地理環(huán)境限制，能夠實現(xiàn)動態(tài)、分厘米級的定位精度；缺點是由于GNSS衛(wèi)星軌道高度較高，短時間內(nèi)空間幾何結構變化不大，移動接收站要實現(xiàn)分厘米級的定位精度需要20至30分鐘左右的收斂時間。

可以看到，不管是地基增強系統(tǒng)還是星基增強系統(tǒng)，沒有一種方式能夠實現(xiàn)全球范圍內(nèi)通用的無縫瞬時高精度定位，而低軌衛(wèi)星導航增強體制正可以彌補這一痛點。前述星基增強采用的PPP精密單點定位技術，由于中高軌導航衛(wèi)星對地運動速度慢，短時間內(nèi)空間幾何分布變化不明顯，因而定位精度達到厘米級別需要較長收斂時間。而低軌衛(wèi)星相對地面運動速度快，其同時播發(fā)類似于GNSS的導航信號，并調(diào)制衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時等誤差修正量，地面移動接收站接收到低軌導航增強信號后，與北斗/GPS等系統(tǒng)進行聯(lián)合解算，可將傳統(tǒng)PPP精密單點定位收斂至厘米級定位精度所需的時間減小至1分鐘以內(nèi)，極大提升該技術的應用場景。而且，由于低軌衛(wèi)星的全球覆蓋特性，采用低軌導航增強系統(tǒng)與北斗/GPS等系統(tǒng)組合，可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)無縫瞬時的高精度定位服務。

地基導航增強系統(tǒng)示意圖

星基導航增強系統(tǒng)示意圖

同時，商業(yè)航天為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)帶來了新的活力，利用低軌導航衛(wèi)星的特性，可實現(xiàn)滿足自動駕駛快速收斂的高信息承載量的導航增強信號，設計并實現(xiàn)能夠覆蓋全球的低軌導航增強系統(tǒng)。

低軌導航增強系統(tǒng)的構建理念

低軌導航增強系統(tǒng)可實現(xiàn)信號與信息雙增強。信號增強是指低軌衛(wèi)星將會對地面廣播測距信號，這相當于增加了新的衛(wèi)星信號，低軌信號具有更好的抗干擾能力、更高的信息承載量，能夠有效的提升GNSS信號的環(huán)境適應性。信息增強指的是測距信號中將會調(diào)制精密軌道、鐘差等高精度定位所需要的精密產(chǎn)品，滿足地面終端完成精密單點定位（PPP）的需要。借助于低軌衛(wèi)星的高速運動，PPP收斂速度將提升至1分鐘以內(nèi)，實現(xiàn)高精度定位的快速初始化。

低軌導航增強衛(wèi)星需要與現(xiàn)有衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行時空基準的統(tǒng)一，以實現(xiàn)同一基準下的高精度定位。通過低軌衛(wèi)星星載接收機接收北斗衛(wèi)星信號，建立低軌導航增強衛(wèi)星系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)統(tǒng)一的坐標與時間框架，實現(xiàn)低軌衛(wèi)星與GNSS融合定位。

時空道宇低軌導航增強載荷

低軌導航增強系統(tǒng)建成后，未來的汽車在全球范圍內(nèi)均可獲得準確、可靠的高精度定位服務，未來出行體系的空、天、地服務也將受益于低軌導航增強服務，提升服務體驗與安全性。

低軌導航增強系統(tǒng)如何體現(xiàn)服務優(yōu)勢？

星載實時PPP不同向的定軌精度

低軌導航增強系統(tǒng)覆蓋全球，在全球任意角落均可接收到平均4顆衛(wèi)星的信號。低軌衛(wèi)星的信號承載了測距信號和增強信息，可支持低軌/GNSS快速收斂及厘米級定位，滿足自動駕駛的車道級導航需求。同時，利用低軌衛(wèi)星在軌信號接收，可以更好地實現(xiàn)對衛(wèi)星完好性的實時監(jiān)測，為自動駕駛用戶提供安全可靠的服務。

基于上述理念，浙江時空道宇科技有限公司提出了低軌導航增強系統(tǒng)的規(guī)劃，首發(fā)雙星發(fā)射后，將開展全球首個商用低軌導航增強系統(tǒng)驗證。未來星座投入使用后，將更好地服務于北斗衛(wèi)星的定軌定鐘，衛(wèi)星狀態(tài)實時監(jiān)測等重要應用，成為北斗導航系統(tǒng)的有力補充；低軌/北斗融合的定位體系，能夠為用戶提供高中低軌衛(wèi)星信號，提供瞬時定位、瞬時收斂的高精度定位服務，大大提高GNSS定位系統(tǒng)的性能，為導航定位產(chǎn)業(yè)注入新的活力。

現(xiàn)階段的低軌導航增強系統(tǒng)，以北斗等衛(wèi)星導航系統(tǒng)為基礎，也具備獨立運行能力，以納秒級時間基準和厘米級空間基準，提供物與物精準互聯(lián)的高精時空服務。這其中的關鍵技術，就體現(xiàn)在低軌導航增強載荷中。

時空道宇低軌導航增強載荷設計思路

功能先進性

低軌導航增強實現(xiàn)的關鍵是低軌衛(wèi)星除了提供導航增強信息外，還需提供類似于GNSS的信號，實現(xiàn)信息和信號雙增強。

星載實時PPP

低軌/GNSS組合PPP利用低軌衛(wèi)星的快速運動特性，在低軌衛(wèi)星加入定位解算后能夠有效減小初始化收斂時間，而低軌衛(wèi)星的精密星歷來源于星載實時PPP技術。低軌衛(wèi)星星載接收機利用地面定時注入的GNSS軌道/鐘差改正、GNSS偽碼/相位偏差等增強信息，實現(xiàn)實時精密定位定軌功能。根據(jù)實測結果表明，星載實時PPP在不同方向均能取得優(yōu)于2cm的定位精度。星載實時PPP提升了低軌衛(wèi)星精密定軌的實時性，使得低軌衛(wèi)星作為信號增強源，加入到低軌/GNSS組合PPP成為現(xiàn)實。

發(fā)射天線賦形

由于低軌衛(wèi)星星下點和邊緣處距離相差較大，為確保低軌衛(wèi)星導航增強信號落地電平的均衡性，星上發(fā)射天線應采用對地賦形，設計成馬鞍形狀。此種設計與北斗/GPS等衛(wèi)星導航天線采用類似的原理，但低軌衛(wèi)星發(fā)射天線中心與邊緣的增益相差要求更嚴格。

低軌衛(wèi)星在不同區(qū)域單粒子翻轉概率

低軌導航增強將賦能未來出行，為時空道宇天地一體化高精時空信息系統(tǒng)，創(chuàng)造無限可能。

適合低軌導航增強衛(wèi)星的馬鞍形賦形天線方向圖

功能軟件化

低軌導航增強功能的實現(xiàn)對載荷連續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性要求極高，為了應對空間復雜的環(huán)境，導航增強載荷采用了多種抗單粒子翻轉措施，包括三模冗余、定時刷新、檢錯糾錯等。以往一些衛(wèi)星往往采用增加單機厚度、使用抗輻照芯片等硬性的措施來防空間輻射，不僅增加了成本，效果也不甚理想。而導航增強載荷采用的軟件化預防措施，能夠實現(xiàn)以柔克剛的效果。

另一方面，導航增強載荷軟件實現(xiàn)全部可重構化，具備在軌可升級功能。由于隨著運行時間的增加，或者是溫度梯度的變化，載荷元器件會出現(xiàn)性能變化。而導航增強載荷時延、相位差等參數(shù)對低軌導航增強功能的實現(xiàn)尤為重要，因此需要根據(jù)在軌衛(wèi)星的實測數(shù)據(jù)，進行周期性的調(diào)整。即，通過軟件重構方式，實現(xiàn)導航增強載荷的持續(xù)最優(yōu)性能。

低軌導航增強技術是實現(xiàn)北斗/GPS等衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球無縫瞬時厘米級高精度定位服務的必由之路，而低軌導航增強載荷又是該技術的核心。未來，低軌導航增強系統(tǒng)建設完成后，除了賦能地面出行需要的高精度定位服務外，也將助力低空出行領域的高精度電子化發(fā)展。