低軌增強星座對衛星導航系統能力提升分析

文 | 盧鋆 張弓 申建華 呂飛仁

1.北京跟蹤與通信技術研究所

2.北京空間飛行器總體設計部

3.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室

4.中國西南電子設備研究所

一、引言

近年來，隨著美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯系統（GLONASS）、我國北斗衛星導航系統和歐洲伽利略衛星導航系統（Galileo）四大衛星導航系統提供全球服務，世界衛星導航步入新時代。各主要衛星導航國家瞄準更高服務精度、更加多樣功能、更加可靠服務，正在著手開展新一代系統建設和新一輪競技。

低軌衛星以其星座和信號的獨特優勢，逐步受到世界衛星導航領域的關注和青睞，有望成為新一代衛星導航系統發展的新增量。低軌衛星可以增強衛星導航信號，作為全球衛星導航系統（GNSS）的增強與補充，也可以通過通信系統和導航系統融合，播發獨立測距信號，形成備份的定位導航能力。

目前，國際衛星導航領域，對如何應用低軌衛星技術實現定位導航授時（PNT）的增強、備份和補充的研發和實踐方興未艾。美國銥星（Iridium）系統與GPS系統共同研發推出新型衛星授時與定位服務（STL），已成為GPS系統的備份或補充；歐洲Galileo系統技術團隊也在積極推進開普勒（Kepler）系統研究，由4 ～6顆低軌衛星構成的低軌星座，通過星間鏈路對中高軌衛星進行監測和高精度測量，以大幅提高Galileo星座的定軌精度。與此同時，國內的低軌衛星技術發展也如火如荼。在有關部門、大型央企、研究院所、民營企業的推動下，“鴻雁”“天地一體化網絡”“微厘空間”等低軌衛星星座已開展試驗衛星在軌試驗。本文主要聚焦低軌增強星座對衛星導航系統能力提升和備份方面的技術和效果的分析。

二、世界主要衛星導航系統通過低軌增強提升能力

1.美國通過銥星系統實現對GPS定位授時服務能力的備份

為提升GPS系統的能力，美國在新一代銥星系統上實現了與GPS系統的融合發展，為用戶提供STL（Satellites Time and Location）服務，可對GPS能力進行備份和增強。

銥星系統最初是美國摩托羅拉公司設計的全球移動通信系統，包括6個軌道面，每條軌道均勻分布11顆衛星，組成完整星座，能夠覆蓋包括極地在內的全球區域。設計之初主要為用戶提供衛星通信服務，但由于高昂的系統建設費用和市場的冷遇，銥星系統的發展較為遲緩。2019年1月，美國完成新一代銥星系統發射部署。在通信業務以外，銥星星座提供STL服務,可實現室內和峽谷地區的定位導航授時。STL服務的定位精度為30～50m，授時精度約為200ns,原信號落地功率比GPS L1 C/A碼信號強300～2400倍（24.8～33.8dB），室內可用性大幅提升，增強了復雜地形環境和復雜電磁環境下的導航可用性和安全性。通過銥星以及GNSS接收機，STL服務既可增強GPS在內的多GNSS導航服務，也可在信號不可用或者不好用的時候作為一種備用手段。

2.歐洲專家提出以開普勒低軌系統大幅增強Galileo系統能力

開普勒系統是歐洲Galileo系統技術團隊提出的新構想，在實現對Galileo系統完好性和精度增強的同時，減輕對地面系統的依賴。

開普勒系統的技術核心，是用4 ～6顆低軌衛星構成小規模星座，以及激光星間鏈路（ISL）來完善現有星座體系。中地球軌道（MEO）衛星不需配備原子鐘，通過激光星間鏈路連接所有衛星，使得導航衛星能夠在極高精度水平上實現直接同步，之后再進一步為定軌提供高精度的距離測量而不是偽距，以期得到毫米級的定軌精度和納米級的相位測量精度，從而實現能力大幅提升。同時，系統通過低軌衛星星座對無電離層、對流層擾動的導航信號進行觀測，可提升MEO系統的完好性和精度。在開普勒系統架構下，地面運控系統的測量通信設施大多不再必要，僅需少量地面站維持與地球坐標框架的一致，以及特殊情況下操控系統的能力。

3.國內多家單位開展低軌增強研究和技術試驗

國內多家單位開展了低軌衛星增強的相關理論研究、仿真計算和在軌衛星驗證，并提出了相應的星座計劃。“鴻雁”“虹云”“天地一體化信息網絡”等通信星座均考慮了低軌衛星增強的需求，“微厘空間”“箭旅鏡像”主打低軌高精度增強服務；同時“鴻雁星座試驗星”“珞珈一號”“微厘空間”“網通一號”等低軌試驗衛星的在軌技術試驗，為低軌衛星導航信號增強技術、精度增強等技術積累了試驗數據。

三、低軌增強為衛星導航帶來的新賦能

1.低軌星座和信號具有獨特優勢

（1）衛星造價和發射成本較低

低軌衛星比中高軌衛星的重量輕、軌道更低，可通過一箭多星方式發射，衛星的研發成本和火箭發射成本較低。

（2）落地信號強度更高，可改善遮擋遮蔽條件下定位效果，提升可用性

低軌衛星軌道高度一般為1000km左右，相較于20000km以上高度的中高軌導航衛星，低軌衛星信號傳輸路徑更短、信號時延和功率損耗更小。簡單來說，如果低軌衛星和中高軌衛星發射相同的信號功率，低軌衛星發射抵達地球表面的信號功率將比中高軌衛星高出30dB（即1000倍）。更強的落地信號功率，可在復雜地形環境和復雜電磁環境下改善定位的效果，提升抗干擾和反欺騙能力。

（3）低軌衛星運行速度快，加快高精度定位收斂時間，用戶體驗更優

中高軌衛星星座幾何構型變化慢，相鄰歷元間觀測方程之間的相關性太強，因此在進行定位參數估計時，需要較長的時間才能估計和分離各類誤差，進而固定載波相位模糊度、實現精密定位。因此，傳統高精度定位的收斂時間一般為15～30分鐘。

而低軌衛星繞地球旋轉一周的時間遠小于中高軌衛星，在相同時間段內劃過的軌跡更長，幾何構型變化快（如圖1所示）。理論上，低軌衛星運行1分鐘，約相當于目前中軌衛星運行20分鐘的幾何變化。低軌衛星的軌道特性，有助于加快高精度定位的收斂時間，達到1分鐘級收斂，用戶體驗更佳。

圖1 相同時間內低軌與中軌衛星劃過的軌跡（紅色為中高軌衛星軌跡，藍色為低軌衛星軌跡）

（4）更高的信息速率，能播發更多的精密改正信息

由于落地信號功率的提升，低軌增強信號可以承載更高的信息速率或更大的信號帶寬，作為衛星導航基本電文及差分改正電文的播發通道。

（5）終端小型化、集成化、低功耗，易于用戶使用

低軌增強信號功率的提升，有利于地面用戶使用更小型化的終端設備。同時，作為通信使用時，地面用戶以更小的信號功率，就能被低軌衛星正常接收。

2.助力構建GNSS全球天基監測網

一般來說，GNSS需要全球分布的地面監測站進行觀測支持，美國、俄羅斯和歐洲基本都采用全球建站的途徑來滿足全球連續觀測要求。美國GPS系統監測站大都分布在赤道附近，包括科羅拉多、迪戈加西亞、阿森松、卡瓦加林、夏威夷5個監測站；俄羅斯東西跨度大，基本可解決GLONASS系統全球觀測問題；歐洲Galileo系統可以在海外殖民地建站，實現全球觀測。我國的北斗衛星導航系統當前主要立足國內建站，通過星間鏈路實現全球觀測和運行支持。

基于低軌衛星星座，可助力構建GNSS全球天基監測網。

（1）實現對衛星導航信號的高質量全球監測

相比于地面監測網絡，低軌衛星對導航信號的觀測具備受電離層、對流層等影響小，跟蹤弧段長、覆蓋次數多，多徑效應影響小等特點（見圖2）。低軌衛星作為GNSS的高精度天基監測站，可極大改善觀測幾何，削弱切向軌道與相位模糊度的相關性，提高導航衛星軌道和鐘差精度，并有效彌補地基監測網在空間覆蓋上的不足，實現全球高質量監測。

（2）可有效提升衛星定軌精度

通過選取30顆導航衛星，對僅地面監測站，以及低軌星基監測與地面聯合監測兩種情況的定軌能力進行仿真分析（如圖3所示）。僅地面監測站進行定軌的空間信號精度約0.3m；加上12顆低軌衛星組成天基監測站聯合定軌仿真，信號精度約0.1m。初步分析可知，地基與基于低軌星座的天基聯合監測和定軌，可使星座定軌精度提升1倍以上。

3.助力提供全球準實時高精度服務

（1）高精度定位服務供應商多樣化，服務模式層次化

目前，高精度定位服務（精密單點定位，PPP）主要包括商業PPP服務和衛星導航系統內嵌PPP服務兩種類型。

提供商業服務的主要有美國噴氣推進實驗室（JPL）的用于衛星定軌、科學研究和高端商業服務的全球差分GPS（GDGPS）系統，Navcom公司的StarFire系統，Trimble公司 OmniSTAR系統和RTX系統，Fugro公司StarFix/SeaStar系統，Oceaneering International公司C-Nav系統，Hexagon公司Veripos系統和TerraStar系統等，包含米級、分米級、厘米級等多種服務能力。

近年來，隨著行業和大眾高精度應用需求的日益增加，歐洲Galileo系統、日本準天頂衛星系統（QZSS）和我國北斗衛星導航系統也內嵌設計和提供PPP服務。Galileo系統基于E6B信號提供免費PPP服務，播發速率500bit/s，對GPS和Galileo兩個系統進行增強，實現分米級定位。QZSS系統精密定位分為亞米級增強服務（SLAS）和厘米級增強服務（CLAS）兩類，均為免費服務，分別由L1和L6信號提供，其中CLAS服務播發速率達到2000bit/s，能夠同時對四大GNSS和QZSS共五系統進行增強。我國北斗衛星導航系統利用地球靜止軌道（GEO）衛星，向中國及周邊地區用戶提供高精度定位免費服務，播發頻點為B2b，速率500bit/s，實現實時分米級、事后厘米級定位。

（2）低軌衛星精度增強具有快速收斂特性，可提升高精度用戶體驗

目前，GNSS通過中高軌衛星提供的PPP服務，因其軌道變化慢，收斂時間通常為15～30分鐘。雖然日本QZSS系統采用PPP-RTK技術，將PPP服務的收斂時間縮短到1分鐘以內，但需要大量高度密集的地面監測站支持，僅日本國土范圍內就需要建設上千個監測站。而低軌衛星具備全球GNSS高精度監測能力，且幾何變化大，易于高精度定位快速收斂。相關研究表明，融合低軌衛星星座后，衛星導航系統PPP服務的收斂時間，可縮短到1分鐘以內，用戶可準實時獲取高精度服務。

4.助力提供全球高完好性監測服務

完好性（Integrity）服務是指在導航衛星發生故障和風險時及時向用戶告警，以提高用戶使用安全性的能力，對民航等涉及生命安全用戶來說尤為重要。

（1）各星基增強系統當前主要提供區域完好性服務

目前，各星基增強系統（SBAS）主要包括美國聯邦航空局廣域增強系統（WAAS），歐洲地球靜止衛星導航重疊服務系統（EGNOS）、我國北斗星基增強系統（BDSBAS）、俄羅斯差分校正和監測系統（SDCM）、日本多功能衛星增強系統（MSAS）、印度GPS輔助型對地靜止軌道擴增導航系統（GAGAN）、韓國衛星增強系統（KASS） 等，均播發差分改正數，對某一區域進行GNSS精度和完好性增強。各系統覆蓋如圖4所示。

（2）具備更高質量的天基完好性監測能力

通過低軌星座的GNSS全球天基監測網，可實現對導航衛星完好性的天基監測，而且低軌星座的軌道特性，使其不受電離層和對流層影響，多徑影響也比地面小，可提升對導航衛星完好性的監測能力。

（3）可向全球播發完好性告警信息

未來，用戶對星基增強系統服務的需求將不僅滿足于區域，而是向全球擴展。低軌星座的全球覆蓋特性，使其天然具備播發全球完好性服務的能力。

四、結語

問渠哪得清如許，為有源頭活水來。當前，各大世界衛星導航系統也在規劃部署新一代系統發展，積極尋找新的能力增長點。美國通過低軌銥星系統增強和補充GPS能力，并加速推進GPS III星座部署，啟動高軌NTS－3導航技術衛星試驗計劃；俄羅斯將SDCM系統高軌衛星納入GLONASS系統體系，并計劃發射6顆傾斜地球同步軌道（IGSO）傾斜軌道衛星，構建中高軌混合星座；歐洲也著手開展第二代Galileo系統研發，考慮通過低軌增強系統服務能力。

各種不同軌道衛星的融合，將為世界衛星導航帶來新變化、新發展，而其中低軌星座因其獨特優勢，可能成為一縷清泉、一股活水，為世界衛星導航發展注入新的動力源泉。