基于低軌通信星座的導航增強技術發展概述

田 潤，崔志穎，張爽娜，王 盾

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

0 引言

從1994年世界上第一個全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)——GPS(Global Positioning System)建成并提供服務開始，衛星導航技術在26年間已經融入社會生活的各個方面，其提供的全覆蓋、全天候、全時段導航服務，在國家建設、安全和經濟等領域發揮著巨大的作用。包括北斗三號在內的全球四大導航系統,在常規服務下能夠提供優于10m的定位精度，滿足了大眾應用的導航定位需求。隨著應用領域的逐步擴展和用戶需求的不斷提升，在自動駕駛、國土勘測、軍事國防等領域，衛星導航信號的脆弱性逐漸顯露[1-2]。首先，GNSS采用擴頻體制，導航電文速率較低，難以滿足高精度產品改正數據的播發要求，限制了系統服務精度的提升；其次，GNSS信號落地功率低，僅為-160dBW左右，穿透力較弱，在山區、峽谷、室內等復雜地形環境下，難以提供廣域無縫的高性能位置服務；此外，衛星導航民用信號頻點、結構公開，易受欺騙和干擾，在復雜電磁對抗環境下的服務性能有待提升。綜上，GNSS在特殊領域應用和復雜環境下存在可用性不足的問題，其服務精確性、可靠性和抗干擾性能都亟待增強。

近年來，低軌衛星憑借其軌道和信號的獨特優勢以及廣泛的應用潛力，逐步受到導航增強領域的關注和青睞，并有望成為下一代衛星導航系統發展的新增量。低軌衛星既可以增強衛星導航信號，作為GNSS的有效提升與補充；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，低軌衛星技術發展和實踐方興未艾，世界主要航天國家都積極開展了大型低軌通信星座的開發與部署。截至2020年11月4日，全球在軌衛星共有6368顆，處于工作狀態的衛星共有3408顆，其中僅低軌衛星就超過2000顆，并呈現逐年快速增長的趨勢。

圖1 全球在軌衛星軌道及衛星軌道高度分布圖Fig.1 Global satellite orbit and height distribution

基于上述背景，對低軌通信衛星導航增強技術的研究顯得極為重要。美國下一代銥星(Iridium NEXT)系統于2019年建設完成，其提供的新型低軌衛星授時與定位(Satellite Time and Location，STL)服務已成為GPS的有效補充和備份；歐洲Galileo技術團隊也在積極推進開普勒(Kepler)系統研究，由4～6顆低軌衛星對中高軌衛星進行監測和高精度測量，從而大幅提高Galileo系統的定軌精度[3]。與此同時，在國內大型央企、研究院所和民營企業的推動下，國網星座、天地一體化網絡、微厘空間等低軌星座同樣已開展規劃建設和在軌試驗。本文著眼于當前低軌衛星最新發展態勢，從導航精度增強及低軌衛星信號增強等方面對衛星導航服務提升和系統備份開展技術和能力分析，并針對衛星導航增強體系未來的發展機遇及面臨的技術挑戰做出了展望，為我國下一代低軌衛星系統建設提供了一定的參考和借鑒。

1 低軌星座最新發展態勢

在經歷了20世紀90年代末和21世紀初的發展低谷后，隨著當今物聯網、自動駕駛等導航應用需求的不斷發展，低軌衛星憑借其優良的信號特性及應用潛力迎來了一個嶄新的發展高潮。結合全球衛星導航領域正在進行的一場深刻的技術、產業與系統變革，促進低軌衛星導航模式的創新拓展，開啟了低軌衛星發展新時代。國內外相關組織及機構相繼開展了低軌衛星系統的規劃和建設工作，本文對于現階段國內外低軌衛星的最新發展動態進行了調研和總結，如表1和表2所示。

目前，美國在低軌衛星領域完成搶灘登陸，已經率先部署了數千顆低軌衛星。其中，傳統低軌星座Iridium、Orbcomm和Globalstar已實現在軌運營，其中最具代表性的為Iridium NEXT星座(圖2(a))提供的STL服務，可以為地球任意位置的用戶提供次級精度的定位、導航和授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)服務，已經被美國國防部納入到國家戰略PNT體系中，在GPS受到影響和干擾的情況下提供備份導航。新興低軌星座以SpaceX商業運載公司的星鏈計劃(Starlink)(圖2(b))進展最為迅速，截至2020年11月25日，SpaceX已完成16批共計近1000顆星鏈衛星的發射任務，預計在2021年3月之前實現第一階段的550km軌道衛星部署(72個軌道面，每個軌道面22顆衛星)，并開始提供全球服務。由此可見，美國整個低軌衛星系統指標及規劃都較為明晰，后繼衛星星座建設正朝著多功能綜合、全球物聯網方向有條不紊地發展，低軌衛星在導航領域的部署及升級指日可待。

表1 國外低軌星座一覽

表2 國內低軌星座一覽

由于我國商業航天發展進程晚于美國，國內低軌衛星星座建設大多還處于試驗星或規劃論證階段[4-5]。盡管如此，傳統航天系統及商業航天領域正在積極開展自主研發衛星星群布局工作，具有代表性的包括國網融合星、鴻雁星座(航天科技)(圖3)、虹云星座(航天科工)、微厘空間(未來導航)和珞珈一號(武漢大學)(圖4)[6]等，這些星座均計劃從事導航增強備份業務，輔助提升GNSS星座在復雜環境下的可用性及可靠性。

圖3 鴻雁星座首發星Fig.3 The first satellite of HongYan system

圖4 珞珈一號科學實驗衛星Fig.4 Luojia-1 scientific experiment satellite

珞珈一號和鴻雁星座通過已發射的試驗衛星獲得大量實測數據，并對低軌衛星導航增強性能提升情況進行了評估，試驗結果如圖5所示。其中珞珈一號通過搭載專用的導航增強載荷播發增強信號，在星上信號收發隔離、星上高精度時間維持、載荷小型化、低功耗設計等關鍵技術方面均取得了突破。

(a)珞珈一號01星實收信號載噪比

(b)珞珈一號01星授時精度

(c)鴻雁北斗混合星座GDOP分布圖5 國內低軌衛星在軌實測結果Fig.5 In-orbit measurement results of domestic LEO satellites

用戶終端根據低軌導航增強信號特性對接收處理流程進行了優化，提升了低軌衛星的捕獲靈敏度和跟蹤精度，并可同時捕獲和跟蹤GPS、北斗導航信號以及珞珈一號導航增強信號[7-8]。根據實測結果，珞珈一號單星授時獲得的地面時鐘與直接利用GPS信號獲得的地面時鐘的差異保持在10～30ns量級。

鴻雁星座的首發星于2018年12月底發射升空并開展導航增強相關試驗[9]，基于鴻雁首發星的導航增強系統能夠為用戶提供信息增強與信號增強服務。其中，信息增強服務通過廣播的形式播發軌道和鐘差改正信息，實現了動態分米級和靜態厘米級的全球精密單點定位(Global Precise Point Positioning，GPPP)服務，用戶位置解算收斂時間從30min左右縮短到1min以內。同時，信號增強服務利用鴻雁低軌衛星作為導航信號源，播發類似于GNSS 衛星的測距信號，用戶同時接收GNSS信號與低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)信號進行聯合定位解算。根據實測結果，鴻雁與北斗混合星座在1天內的平均幾何精度因子(Geometric Dilution of Precision，GDOP)相對于單北斗星座下降了9.9%，能夠有效提升導航系統的可用性和定位精度。

國內低軌衛星在完成少量實驗星驗證的同時，后續大量發射任務正在緊鑼密鼓的部署中[10]。鑒于此，現階段基于低軌衛星導航增強系統的研究分析顯現出尤為重要的實用價值和應用意義，我國有望借助后發優勢，充分挖掘低軌導航系統背后的空間資源和戰略價值，把握低軌系統新增量，實現衛星導航領域的超越。

2 低軌導航增強服務模式分析

衛星導航增強技術最早于20世紀90年代為應對美國GPS選擇可用性(Selective Availability，SA)政策而產生。學者們提出了一種測站間差分處理的技術，通過消除測站間公共測量誤差將GPS的C/A測距碼恢復到系統設計精度[11-13]。進入21世紀，隨著SA政策的取消，導航增強技術的內涵也得到了進一步擴展，泛指用于提升衛星導航系統服務能力的各種技術方案。

隨著以Starlink計劃為代表的低軌星座成為全球爭奪空間戰略資源的新戰場，衛星導航增強的發展方向同樣向低軌領域逐漸傾斜，正成為下一代衛星導航新的增長點和賦能點。現有衛星導航增強系統的服務模式如圖6所示，主要分為信息型增強系統和信號型增強系統兩大類。

圖6 衛星導航增強服務模式Fig.6 Service mode of satellite navigation augmentation

低軌導航信息增強服務通過地面監測站計算高精度產品誤差改正數或完好性信息，并將這些數據播發給用戶，由用戶接收后輔助提升定位精度或服務完好性。該類服務模式中導航定位仍然依賴于現有的GNSS衛星導航信號，僅通過低軌衛星通信鏈路播發增強信息，即系統僅提供輔助和補充能力，無法脫離GNSS單獨提供服務。

根據播發增強信息的不同，信息增強服務又可分為完好性增強和精度增強兩種類型[14]：1)完好性增強服務：主要面向民用航空行業，低軌衛星播發完好性驗證信息用于提供更高的導航完好性，也在一定程度上提升了導航定位的精度；2)精度增強服務：主要播發實時的精密軌道鐘差產品，以及載波相位小數偏差、區域電離層和對流層增強等信息，用于提供精密定位服務。

低軌導航信號增強服務中，利用非導航低軌衛星產生測距信號進行獨立定位或與現有GNSS 信號進行協同聯合定位，提高導航信號的接收功率并改善可見衛星的星座構型，從而提升衛星導航服務的可用性、可靠性和連續性[15-16]。值得一提的是，借助偽距/多普勒聯合定位算法，低軌導航信號增強服務能夠為用戶提供位置解算能力，即能夠脫離GNSS單獨提供定位服務，實現衛星導航系統服務備份能力。典型代表為美國Iridium NEXT系統提供的STL服務。

2.1 低軌導航精度增強

低軌導航增強服務中最主要，同時得到最廣泛的類型為低軌導航精度增強，其利用低軌衛星空間多樣性為用戶提供快速收斂的高精度服務。對于定位性能輔助提升的主要機理體現在，衛星導航系統測距信號中，載波相位的測距精度比偽距高幾個量級。高精度的定位服務通常利用載波相位測量來實現，而相位模糊度固定是其中的關鍵。由于中高軌導航衛星的軌道較高，衛星運行速度慢，往往需要很多個歷元的觀測數據才能實現載波相位模糊度的固定。解決這一問題最簡單的方法就是利用高動態的空間多樣性產生偏移觀測量。低軌衛星軌道低，運動速度快，能夠產生較大的空間變化，使得定位過程中歷元間觀測方程的相關性減弱，參數的可估性大大增強，從根本上解決了載波相位模糊度參數收斂和固定慢的問題，進而實現快速精密定位。

基于低軌衛星的導航精度增強系統示意圖如圖7所示。低軌衛星播發雙頻精密測距信號，用戶終端同時接收GNSS和LEO信號，聯合PPP實現了快速精密單點定位。該系統能夠實現水平精度優于10cm，高程精度優于20cm，且能夠輔助GNSS精密單點定位收斂時間從20～30min降到1min以內。

圖7 低軌導航精度增強系統Fig.7 Low-orbit navigation accuracy augmentation system

雖然低軌導航精度增強服務通過星基廣播信道實現了大范圍的信息播發，不依賴于地面基礎設施建設且覆蓋范圍更廣，但低軌導航精度增強的精密單點定位解算仍需要一定時間的收斂過程，難以達到實時高精度。因此，對部分重點服務地區可采用加密站進行區域增強的方式進行補充，確保快速精密服務的實時性和可靠性，服務性能如表3所示。

表3 低軌導航精度增強服務性能

2.2 低軌導航信號增強

低軌導航信號增強借助衛星平臺播發偽碼測距信號，解決了城市峽谷、樹林、室內等陰影遮擋環境以及電磁干擾場景下的定位問題，有效擴展了衛星導航系統的服務范圍和應用領域。

相較于傳統的GNSS，低軌信號增強充分利用了低軌衛星的抗干擾性能，具體體現在以下幾個方面：首先，低軌衛星的軌道較低，與GNSS衛星相同功率的信號在空間傳遞過程中的自由損耗較低，信號落地功率能夠提升30dB以上；其次，LEO通信衛星本身具有較強的功率譜密度，其傳輸的導航增強及測距信號具備一定的抗干擾能力；最后，利用低軌衛星進行高精度、高穩定度的時間傳遞，縮小了終端時間不確定度，延長了相干積分時間，更容易實現導航信號的捕獲與跟蹤。

由于低軌衛星覆蓋范圍較小，傳統低軌星座難以滿足全球大部分區域四重以上的覆蓋，因此低軌信號增強通常采用多普勒和偽距觀測信息聯合進行定位解算。其中多普勒觀測方程可以表示為

(1)

通過多普勒測量，某時刻與衛星運動方向成θi(衛星和用戶接收機連線與衛星速度方向的夾角)的所有坐標點組成了一個以衛星位置為頂點、圓錐角為θi的圓錐面，該錐面稱為多普勒等頻圓錐面。

類似地，衛星信號的偽距觀測方程可以表示為

(2)

基于偽距定位方程可以獲得以衛星為中心的球面，將單星多歷元測量或多星測量得到的球面和錐面方程聯立求解方程組，即可解算出用戶真實位置，定位原理示意圖如圖8所示。

圖8 偽距多普勒聯合定位示意圖Fig.8 Diagram of joint positioning by pseudo range and Doppler

3 銥星STL服務與信號性能分析

下一代銥星系統為當前唯一投入運營并提供成熟定位與授時服務的低軌衛星系統，其提供的STL服務是導航信號增強領域的一項重要突破，已成為低軌導航定位的技術標桿。本節對銥星STL信號體制及服務性能進行了深入研究，并借助實收信號采集開展了相應試驗分析。

3.1 銥星STL信號體制

銥星STL信號在衛星通信體制內，利用部分時頻資源，在不改變時頻單元劃分和信號物理層設計的基礎上，增加了信號測距功能，播發低軌衛星星歷，通過無線資源管理調度滿足不同PNT性能要求，實現了用戶終端的定位、導航與授時。

銥星信號頻率范圍為1616～1626.5MHz之間，總帶寬為10.5MHz，其中STL信號占用后0.5MHz (1626～1626.5MHz)的單工信道播發。單工信道又劃分為12個子信道，每個信道頻寬為41.667kHz，包括31.50kHz的工作帶寬和10.17kHz的保護間隔。系統采用頻分多址(Frequency Division Multiple Access，FDMA)/時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)混合用戶多址方式，每顆衛星上的48個點波束，按照相鄰12個波束使用一組頻率的方式對總可用頻帶進行空分頻率復用(Space Division Multiple Access，SDMA)。銥星信號的混合多址結構如圖9所示。

圖9 銥星系統混合多址結構Fig.9 Hybrid multiple access structure of Iridium system

TDMA結構中的基本單元為時隙，多個時隙組成一個TDMA幀。用戶通信鏈路幀結構設計為每幀總時隙時長為90ms，整個時隙平均傳輸2250個符號，符號速率為25ks/s，數據速率為50kbit/s。每幀包括1個下行單工時隙和8個雙工時隙(4個上行時隙和4個下行時隙)，時隙與時隙之間包含保護時間間隔。其中STL信號為含必要導航定位信息的突發信號(STL Burst)，通過前20.32ms的單工時隙播發，具體信號結構如圖10所示。

(a)銥星STL突發信號結構

(b)銥星TDMA幀結構圖10 銥星STL突發信號及TDMA幀結構Fig.10 STL burst and TDMA frame structure of Iridium system

STL突發信號由3個部分組成，分別為前導波(Preamble)、唯一字(Unique Word)和導航電文信息(Data)[17-20]。導航電文信息首先采用差分四相相對相移鍵控(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，DQPSK)調制，數據率為5kbit/s，然后將經二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調制后的唯一字放置在電文信息前。唯一字與數據信息組合之后，采用根升余弦濾波器進行脈沖整形，最后將2.6ms前導波放置在符號信息前，用于突發信號的檢測與快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)頻率測量。導頻通道和數據通道都經過特定編碼，以保證接收機能夠有效恢復弱信號，提高了系統導航定位性能。突發信號中QPSK數據被調制在截短的偽隨機序列內[21]，可以降低有效的信息傳輸速率，與序列相關運算關聯的處理增益也增強了STL信號穿透建筑物和其他障礙物的能力。

圖11 銥星系統用戶鏈路信號結構Fig.11 Iridium system user link signal structure

由于采用波束輪詢機制，STL信號大約每1.4s播發一次。假設具備粗略的時間先驗信息，接收機能通過處理單個burst完成精確的授時。如果接收機能夠在0.6s內處理一個burst，那么用戶可以在2s內獲取精確的時間和信號頻率信息。

3.2 STL服務性能

Satelles公司白皮書對STL的定義為：當GNSS表現不佳時，提供一個廣泛可用的定位信號；當GNSS運行良好時，提供難以欺騙的時間和位置解決方案，從而驗證GNSS定位結果[22-23]。銥星STL服務已經具備作為GNSS備份系統的能力，可以實現GNSS拒止條件下的導航定位服務，具體體現在如下幾個方面[24-29]：

1)全球覆蓋能力。銥星系統由66顆低軌衛星組成，能夠覆蓋包括極地在內的全球區域，實現了真正意義上的全球覆蓋。

2)抗干擾能力。銥星軌道高度為780km，信號傳播衰減小，STL落地信號具有39dB的功率余量(衰減39dB仍可提供服務)，可以穿透建筑物遮擋，并能夠提供室內定位授時服務，室內定位精度如圖12所示。

圖12 STL室內定位精度Fig.12 STL indoor positioning accuracy

3)定位授時能力。STL服務通過全球銥星地面監測站(Teleports)獲取高精度世界協調時間(Universal Time Coordinated，UTC)，并向銥星星座提供高精度的時間基準。目前，STL能夠提供50m定位精度，如圖13所示，相對于UTC的授時精度能夠達到200ns。此外，Satelles公司采用全球25個地面站對GPS時間進行比較和相互校驗，能夠自動檢測GPS故障，從而提供可靠的備份授時服務。

圖13 STL授時精度Fig.13 Timing accuracy of STL

4)抗欺騙能力，安全性高。STL系統采用專用加密信號，PNT數據包都經過加密,只有付費用戶才能解密使用，具有抗欺騙能力[11]，其基于位置數據的波束加密示意圖如圖14所示。

圖14 銥星信號波束加密示意圖Fig.14 Schematic diagram of Iridium signal beam encryption

5)終端低功耗。STL信號可由基于系統級芯片(System on Chip, SOC)的集成導航芯片產品接收處理，滿足應用終端低成本低功耗的要求。用戶接收模塊如圖15所示。

圖15 STL用戶接收模塊CSR SiRFstarV-XPFig.15 STL user receiving module CSR SiRFstarV-XP

3.3 STL信號性能分析

為了進一步深入研究銥星STL信號體制及其導航定位性能，本文對銥星信號進行現場采集，并依據采集信號利用偽距多普勒聯合定位算法開展了低軌導航定位試驗分析。信號采集現場與數據接收分析場景示意圖如圖16所示。

圖16 銥星信號分析數據接收場景與設備示意圖Fig.16 Diagram of Iridium protocol analysis and the equipment

基于現場采集信號分析銥星終端主叫建立、清除和被叫過程中的信令交互，并整理終端和網絡側信令交互流程。在此基礎上采用頻域檢測+時域復核的算法。隨著FFT突發信號長度的增加，FFT輸出信號的特征譜線，根據判決門限即可進行信號檢測，同時根據特征譜線的相對位置完成載波頻率估計；此外，對捕獲到的burst信號進行環路跟蹤，從時域得到STL突發信號。利用信號時頻域特性分析，得到時頻域結果如圖17所示。

(a)唯一字(Unique word)解調結果

(b)STL突發信號時頻域分析圖圖17 銥星STL突發時頻分析結果Fig.17 Time frequency analysis of Iridium STL burst

借助現場實收采集到的銥星STL突發信號，本文對開闊環境下靜止用戶終端定位性能進行了試驗評估。試驗數據采集地點選取地面接收站實際位置，即北京市門頭溝地區，低軌衛星軌道傾角86.4°，軌道高度780km，圖18展示了試驗測試場景配置，其中“*”為測站位置，曲線1～6為按時間排序的測站收到衛星過境時的六軌現場采集數據。假設用戶先驗位置誤差為10km，利用現場采集信號數據開展試驗，結果如表4和圖19所示，利用偽距/多普勒聯合解算能夠在600個歷元內收斂定位精度達到優于100m的水平。

圖18 銥星 STL服務信號采集試驗場景Fig.18 STL signal acquisition test scenario

表4 衛星過境數據

圖19 STL采集信號定位試驗結果Fig.19 STL positioning test results

4 低軌導航增強面臨的機遇與挑戰

作為下一代衛星導航新的增長點和賦能點，低軌導航增強能夠為衛星導航技術發展和應用推廣帶來新的發展機遇，同時體系架構上的差異又決定了相關技術的工程應用還面臨著諸多挑戰。本節針對低軌衛星導航增強體系未來的發展機遇以及面臨的技術挑戰進行了總結和展望。

4.1 低軌導航增強帶來的新機遇

與包括北斗和GPS在內的中高軌導航衛星相比，低軌衛星導航信號由于其獨特的軌道和信號特性，將為聯合定軌、空間大氣監測和室內定位等方面應用帶來新的發展機遇。

(1)聯合定軌

傳統GNSS衛星精密定軌是利用全球均勻分布的大量地面監測站，對導航衛星進行偽距和載波相位測量，再結合精確的軌道動力學模型和誤差改正模型進行數據處理，從而確定GNSS衛星的精密軌道。然而，我國北斗導航系統監測站建設受地緣因素影響較大，難以實現全球均勻布站。

搭載星載GNSS接收機的低軌衛星可以作為星基監測站，結合星間鏈路傳輸原始觀測量，參與高中低軌衛星聯合定軌，以彌補地面站的不足，極大增強了GNSS衛星跟蹤網的圖形強度，使軌道和動力學模型參數估計更為準確，從而實現區域監測站條件下的導航衛星精密定軌。

可以預見，隨著未來低軌通信網絡的建成，各類星地鏈路、星間鏈路將會帶來更多的觀測數據和更優的幾何構型，從而進一步提升聯合定軌的性能。

(2)空間大氣監測

低軌導航星座的加入，為大氣監測提供了新的技術手段。更多的可用衛星能夠提取出更加豐富的傾斜路徑延遲；短時間內更多有效的觀測數據，有利于實現快速的大氣建模；低軌衛星軌道動態強，在單位時間內的高度角和方位角變化大，使得有效監測范圍擴大。低軌星座能夠為電離層建模提供極為豐富的觀測資料數據，特別是可以有效填補70%的海洋上空沒有地基GNSS電離層觀測的資料空白；有助于提取和監測對流層梯度、電離層梯度和電離層閃爍等快變參數；多樣化軌道構型的星座組合，有助于研究電離層的垂直分層結構以及更加精細化的大氣建模。

(3)室內定位

低軌衛星軌道較低，地面接收信號功率高，有利于改善信號受遮蔽環境下的定位性能。2018年，運營STL服務的Satelles公司對高層建筑物室內的低軌導航服務性能開展了測試，測試場景如圖20所示。結果表明，對于GPS，只有在最頂層(13樓)靠窗位置才能接收到1～2顆衛星的信號，其余層無法接收信號；而對于低軌衛星信號，能夠穿透多層鋼筋混凝土

材料的阻隔，即使在第2層也能獲得(35～55)dB·Hz的載噪比，相當于GPS在開闊環境下的信號功率水平，從而使衛星導航的室內定位服務成為可能。

圖20 低軌室內定位測試場景Fig.20 Test scenario of LEO indoor positioning

綜上，低軌導航增強憑借其信號功率強，抗干擾、防欺騙性能好，能夠增強室內等遮蔽區域服務性能，同時為聯合定軌和空間天氣監測等提供更多的有效數據源。通過與中高軌GNSS星座形成互補，能夠在未來實現對導航系統精度、完好性、連續性和可用性的全面增強。

4.2 低軌導航增面臨的挑戰

目前，低軌導航增強作為一項新興技術，其研究整體上仍處于發展規劃和技術攻關階段，盡管部分關鍵技術已取得突破，但在技術體系完善和系統建設等方面還面臨著若干技術挑戰。

(1) 頻率的兼容互操作

目前，適宜導航的L、S頻段的頻率資源極度稀缺[30]，國際電聯組織為衛星導航業務分配的頻段資源如圖21所示，能夠開發利用的頻段已非常缺乏，且申報及協調難度大。因此，在大規模低軌導航增強系統的建設過程中，必須考慮與現有衛星導航系統信號的兼容互操作，包括信號功率控制、帶外抑制、雜散抑制、互調干擾、信號的收發隔離等因素，對系統的前期建設工作帶來了一定的挑戰。此外，有學者提出了將導航信號頻率向Ku、Ka波段推廣，確保在提供增強服務的同時，不會干擾現有衛星導航系統的正常使用。

圖21 導航頻段頻譜資源分布圖Fig.21 Navigation spectrum distribution

(2) 通信和導航信號一體化設計

導航與通信在信號層面的融合，在不新增星上時頻資源需求的前提下，將導航信號融入到通信信號中進行播發，是解決導航信號頻譜資源緊張和功率受限的主要手段。然而，通信業務的突發性以及通信信道的時頻域非連續性與導航的寬帶持續信號體制差異顯著，需要開展技術攻關以推動融合應用。通信信號通常采用空分復用、時分復用、頻分復用和碼分復用等多種復用方式，以最大程度地提升有效通信帶寬和點對點服務；而導航信號需要考慮結合復雜的通信協議來實現高精度的導航定位服務。

(3)低軌星歷生成及誤差建模

隨著以Starlink為代表的低軌星座蓬勃發展，未來大型低軌通信星座動輒規劃了上萬顆甚至數萬顆衛星的規模。對于大量低軌衛星精密軌道的測定以及巨量導航電文信息的播發，難以沿用現有的技術手段，需要開發新的技術路線。

對于低軌導航信號的誤差源建模，同樣不能簡單套用目前GNSS 信號的誤差建模方法。與GNSS 衛星相比，低軌衛星的導航增強載荷、軌道動態及所處空間環境存在一定差異，導致信號的軟硬件延遲時變特性也有所不同。此外，低軌系統的時空基準維持方式、運動特性和信號傳播路徑上的大氣延遲特性等，都異于當前的GNSS信號，需要進行針對性的研究設計。

(4)高動態導航增強信號的捕獲跟蹤

低軌衛星平臺距離地面近、運動速度快，大大提升了衛星導航信號的多普勒頻移與變化率變范圍。在低軌導航信號的接收處理方面，需要針對性地考慮高動態導航信號的快速捕獲問題，采取多種途徑來保持并提升信號的跟蹤精度。

(5) 其他導航增強手段的挑戰

低軌導航增強面臨的技術挑戰除了來自于低軌衛星內部，同樣來源于其他導航增強手段的競爭，主要包括地基增強系統及星基增強系統，系統服務關系如圖22所示。

圖22 導航增強系統框圖Fig.22 Diagram of navigation augmentation system

地基導航增強系統以北斗地基增強為代表，如圖23所示，目前全國范圍布設的北斗基準站2000多個，定位精度能夠達到2～4cm，服務收斂時間少于10s，經過后處理可實現毫米級的高精度定位[31]，性能優于低軌導航精度增強系統。但地基導航增強系統需要地面基礎設施覆蓋，并且僅能夠覆蓋陸地區域，對于廣闊的海洋區域相關應用無法提供有效服務。

圖23 北斗地基增強系統Fig.23 Beidou ground-based augmentation system

星基導航增強最具代表性的為Trimble RTX Fast系統，該系統全球布置100余站，按150～200km區域間隔布站，實時生成高精度GNSS星歷和全球范圍的系統誤差改正數據，并能夠推算出區域電離層和對流層信號傳播誤差改正數據，由用戶終端接收GNSS導航信號和星基播發的誤差改正數據進行PPP精密單點定位，定位結果如圖24所示，收斂時間優于1min，定位精度達到2～4cm。

圖24 Trimble RTX-FAST定位結果Fig.24 Positioning result of Trimble RTX-FAST

表5對低軌導航增強和其他增強手段進行了比較。可以看出，地基增強方式定位精度最高，并能提供實時高精度服務，但其覆蓋范圍僅有數百km；傳統PPP星基增強方式雖能提供全球服務，但其收斂時間高達30min，難以滿足行業應用需求；PPP-RTK增強模式能夠有效收斂定位時間，但也相應犧牲了導航增強的服務范圍；低軌導航精度增強系統能夠在較短收斂時間的條件下達到較高的定位精度，結合重點服務地區采用加密站進行補充，能夠為全球用戶提供實時、可靠、高精度的導航增強服務，已經成為未來導航增強領域最為有效的解決方案。

表5 低軌導航精度增強與其他增強手段比較

5 結論

隨著四大導航系統的全面建成，各衛星導航應用大國也在規劃部署新一代導航系統發展，積極尋找新的能力增長點。低軌星座憑借其信號功率高、幾何動態大、抗干擾能力強等優勢，能夠在全球范圍內對GNSS形成信息增強和信號增強，全面提升衛星導航系統的精度、完好性、連續性和可用性，為高中低聯合精密定軌、空間天氣監測和室內定位等實際應用和科學研究帶來新的發展機遇，但同樣也面臨隨著低軌衛星內部技術需求以及外部其他導航增強手段帶來的挑戰。鑒于此，本文針對我國低軌增強技術發展和系統建設提出如下建議：

1)充分利用現有資源，加強多種導航增強系統聯合互補與協調規劃。包括低軌增強、廣域增強、地基增強在內的多種手段并非互相排斥、互為取代的關系，需處理好系統建設的統籌規劃和服務上的功能錯位，避免重復建設造成的資源浪費。宜充分發揮低軌的獨特優勢，與其他導航增強手段形成有機互補，以優化、高效、協同的路線解決多系統建設問題。

2)推進低軌衛星通信、導航、遙感功能融合，構建多功能、多層次天基信息智能服務體系。應用軟件無線電技術的多功能、可重構載荷平臺已經成為下一代低軌衛星的發展趨勢。可以借鑒美國Blackjack系統的建設思路，協同發展我國的通信、導航、遙感技術，構建載荷多用、星座組網的多層次、多模式、柔性化、可配置的低軌星座，從而利用較少的低軌星座平臺資源最大化協同效能，提升系統的綜合服務能力。

3)保障理論研究與技術應用的同步發展，避免出現理論應用不同步的不利局面。隨著近年來眾多巨型低軌星座的涌現，未來規劃的低軌星座包含動輒數千甚至上萬顆衛星，無論是在巨量低軌衛星的協同精確定軌、高精度時間同步與維持、新型動力學及誤差模型建立等理論研究，還是在頻率兼容互操作、高速低軌星歷播發、高動態信號接收機設計等應用技術方面均有待突破。因此，需注重理論研究和應用技術的協同發展，充分發揮新技術、新方法的優勢，切實推進低軌導航增強系統的工程化實現進程。

隨著未來下一代移動通信將衛星網絡技術納入到規劃路線中，空、天、地、海泛在移動通信網絡的建立，使低軌導航增強最終有望走進千家萬戶，實現大眾應用。低軌導航增強也將是我國綜合PNT體系的重要組成部分。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將為世界衛星導航領域發展注入新的動力源泉。