基于低軌互聯網星座的全球導航增強
——機遇與挑戰

蒙艷松，嚴 濤，邊 朗，王 瑛，田 野

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)作為國家重要的時空基礎設施，能夠為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時(Positioning, Navigation, and Timing, PNT)服務，對國家安全和經濟社會發展至關重要。

過去30年，GNSS基礎服務得到長遠發展，在國際上已形成四大GNSS——美國全球定位系統(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯格洛納斯系統(Global Navigation Satellite System，GLONASS)、歐洲伽利略系統(Galileo)、中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)和兩大區域衛星導航系統——日本的準天頂衛星系統(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度星座導航系統(Navigation with Indian Constellation, NavIC)的格局。GNSS基礎服務可實現全球定位精度優于10m、授時精度優于20ns的性能，可滿足普通大眾用戶對PNT的基本需求。

為適應不同行業、不同領域用戶對精度、完好性、實時性(收斂時間)等性能的更高需求，伴隨GNSS基礎服務的發展，衛星導航增強系統同步建設。以美國廣域增強系統(Wide Area Augment System, WAAS)為代表的星基增強系統(Satellite Based Augmentation System，SBAS)，瞄準完好性提升與碼基定位精度提升，定位精度可達2～3m；BDS和Galileo系統新近發展的精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)服務，瞄準基于載波相位的高精度服務，實現了分米級乃至厘米級的定位精度，收斂時間5～30min；地基增強系統實時動態定位(Real Time Kinematics, RTK)服務，以及QZSS提供的厘米級增強服務(Centimeter Level Augmentation Service, CLAS)，支持PPP-RTK，實現了區域厘米級定位，收斂時間優于1min。

上述增強系統主要采用地基監測+信息增強體制，生成并播發完好性信息和精密改正數信息，實現了完好性、精度、實時性等方面的性能提升。但SBAS是全球有縫覆蓋，PPP服務存在收斂時間慢的缺點，且PPP-RTK服務覆蓋區域有限，需要密集布站。

隨著以自動駕駛為代表的新興大眾用戶群體的興起，對PNT服務的實時高精度、高完好、高可用、高安全性能有了更高、更迫切的期待，傳統的地基監測+信息增強體制的局限性，難以滿足新興需求。

在此背景下，低軌通信星座迅速發展，國內外有關機構紛紛提出了自己的低軌星座計劃。低軌通信星座包括低軌窄帶通信衛星星座和低軌寬帶互聯網衛星星座，低軌窄帶通信星座以銥星為代表，低軌寬帶互聯網星座則以Starlink和OneWeb等巨型星座為典型。低軌衛星星座的快速發展，為克服PNT性能的瓶頸，滿足新興大眾的需求提供了新的方向，使得基于低軌衛星星座的導航增強——低軌導航增強成為衛星導航領域的熱點。

目前，發展低軌導航增強逐漸成為共識。從低軌導航增強系統的發展來看，2002年美國就提出了將GPS與銥星系統相結合的增強導航系統，即高完好GPS (High Integrity GPS, iGPS)項目，利用下一代銥星(Iridium Next)通信播發類GPS信號和GPS輔助增強信息，以提升GPS接收機在復雜環境下的性能等。最終，iGPS未在Iridium Next部署，取而代之的是衛星授時與定位(Satellite Time and Location, STL)服務，該服務由Satelles公司負責，為靜態用戶提供定位精度20m、授時精度約50～500ns的定位授時服務。STL信號落地功率比GPS L1 C/A碼信號強24.8～33.8dB，室內可用性提升了30～40dB，增強了復雜地形環境和復雜電磁環境下的可用性和安全性。與此同時，美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)戰術技術辦公室于2018年啟動了“黑杰克”項目，旨在探索利用新興商業低軌寬帶星座發展經驗和成果，開發用于GPS增強的LEO PNT載荷。

歐洲第三代衛星導航系統Kepler以及歐洲導航創新支持計劃(Navigation Innovation and Support Programme, NAVISP)都將低軌衛星作為星座一部分。Kepler系統是德國宇航中心和德國地學中心聯合研究的未來歐洲GNSS基礎設施，星座由中軌(Medium Earth Orbit, MEO)和低軌(Low Earth Orbit, LEO)衛星組成，LEO星座包括6顆LEO衛星，軌道高度1209km，目標是實現厘米級軌道精度、全球實時PPP，且不需要額外的增強系統對其性能進行增強，全球完好性達到TTA<3s。NAVISP是歐空局的導航計劃，是歐洲GNSS的重要組成部分，目前正處于設計階段，將城市與室內定位，抗干擾，低功率定位、授時和身份驗證等服務作為關注的重點。考慮在VHF頻段播發信號，采用2.5m長的VHF螺旋天線。

中國也在進行國家綜合PNT體系建設，包括重點推進下一代北斗衛星導航系統、積極發展低軌導航增強系統，其中低軌導航增強系統是國家綜合PNT體系的重要組成部分。國內多家研究機構和單位提出了以鴻雁、虹云為代表的低軌衛星星座，紛紛發射試驗衛星，并將導航增強作為重要驗證內容之一。2016年，中國航天科技集團宣布建立國內首個低軌衛星通信系統——鴻雁系統，是由60顆低軌衛星組成的星座。2018年底，鴻雁首顆試驗星發射成功，進行了導航增強相關的試驗，播發的通導一體化信號載波相位精度優于6mm，導航信息增強實現了90%測站一次過境定位精度優于0.2m，地面評估收斂后優于5cm。武漢大學研制的珞珈一號科學實驗衛星兼具夜光遙感和導航增強的功能，于2018年6月2日成功發射，并開展了基于低軌衛星平臺的導航信號增強實驗，在軌自主生成雙頻測距信號向地面播發，雙頻信號的偽距和載波相位原始觀測量在高仰角時的觀測精度分別為1.5m和1.7m。中國航天科工集團規劃提出的虹云工程，計劃發射156顆衛星，組成一個星載寬帶全球移動互聯網絡，設計運行在1000km的地球軌道上，為全球用戶提供通信、導航增強和遙感信息一體化綜合服務。2018年12月22日，虹云工程首星“武漢號”在酒泉衛星發射中心由長征十一號火箭成功發射。中國電子科技集團啟動并發射了“天象一號”A/B雙星，用于移動通信和導航增強等關鍵技術的驗證。與此同時，北京未來導航科技有限公司計劃2023年建設一個低軌導航增強系統，包含110～130顆低軌衛星，目標是實現收斂時間小于1min的厘米級定位精度，并于2018年發射了一顆試驗衛星。

可以看到，上述低軌導航增強系統的星座規模相對小，衛星數目低于300顆，以低軌窄帶移動通信星座為主。隨著OneWeb、Starlink等低軌互聯網星座計劃的提出，低軌星座向包含成百上千顆衛星的低軌巨型星座發展，研究基于低軌互聯網星座的低軌導航增強成為新的發展趨勢。

2016年起，斯坦福大學就寬帶商業低軌衛星星座如何增強GPS或者作為GPS備份進行了分析和討論，得出基于OneWeb星座空間信號用戶測距誤差約為3.0m的結論。2018年，斯坦福大學再次發表研究成果，面向已有OneWeb、SpaceX、Boeing和其他主要的低軌衛星星座計劃，從空間段星鐘、軌道等方面分析了利用寬帶LEO星座進行獨立導航的性能。2018年，空客公司研究人員對基于巨型星座的PNT服務進行了研究，指出巨型星座適合于支持PNT服務。2019年，斯坦福大學報告指出正處于發展中的大型LEO星座，在用于通信服務的同時，也能用于提升導航服務的性能和彈性。2020年，德克薩斯大學討論了以LEO增強GPS的性能，提出了商業寬帶LEO導航系統，從寬帶LEO衛星更低軌道、更多數量的優勢出發，構建商業LEO PNT系統。

國內在低軌導航增強理論方面也進行了一些積極探索。武漢大學對低軌導航增強GNSS發展技術進行了研究，總結了國內外低軌導航增強星座的發展現狀，研究了低軌對RTK性能的增強效果。2016年起，中國空間技術研究院西安分院以鴻雁星座為背景，對低軌導航增強的系統體制和方法進行了研究，并給出了性能分析結果。2019年，上海同濟大學對LEO增強實時精密定位服務性能進行了分析。

顯而易見，國外低軌導航增強理論與方法研究，以提升導航服務性能和彈性、抗干擾能力為目標；國內則集中于對低軌導航增強的原理、精度增強性能開展研究，缺乏從需求到體制的成體系化的低軌導航增強理論研究。針對該問題，本文從PNT服務新需求出發，分析了低軌導航增強的優勢，在此基礎上，從實現層面研究了存在的問題以及面臨的挑戰，并給出建議，為發展基于低軌互聯網星座的低軌導航增強提供參考。

1 發展機遇

低軌互聯網星座計劃的持續推進，為發展基于低軌互聯網星座的全球導航增強提供了機遇。一方面，傳統的導航增強手段遇到瓶頸，難以滿足未來新興用戶對PNT更高性能的迫切需求，亟需新的技術途徑；另一方面，低軌互聯網星座與中高軌導航衛星星座優勢互補，為滿足新興用戶需求奠定了基礎。平臺共建共用，極大降低了低軌導航增強建設成本；通導融合，資源共享，為突破PNT服務瓶頸注入新的動力。

1.1 新興用戶群體對PNT性能需求

隨著萬物互聯時代的來臨，以無人、智能、物聯為特征的新一代科技革命與產業升級對實時高精度位置服務的需求日益迫切。以自動駕駛為典型場景的新興大眾用戶，對挑戰環境下的高安全實時精密定位具有迫切需求，如圖1所示。

圖1 新一代高精度用戶導航服務性能需求Fig.1 Service performance requirements of the next generation high-precision users

·高精度：要求達到車道級別，即優于10cm(95%)；

·快收斂：達到秒級；

·高完好：面向自動駕駛等生命安全用戶，告警門限0.3m，可靠性水平99.999999%；

·高安全：需具有抗欺騙能力，提供高可信導航定位服務；

·高可用：達到99.9%，需提供更大功率的強信號，實現林蔭大道、高速立交、城市環境等挑戰環境下服務可達。

新興大眾用戶要求實現“四高一快”的目標，而傳統地基監測+信息增強體制存在痛點，布站密度和信息速率不斷增長，無法實現挑戰環境下全球厘米級實時定位服務。一是難以全球布設監測站，進而實現全球PPP服務；二是無法全球布設連續運行參考站(Continuously Operating Reference Stations, CORS)，進而實現全球PPP-RTK服務。例如，天寶為實現全球厘米級服務，建設了100多個全球高性能站；日本為其本土厘米級高精度服務，建設了1200多個CORS站。

此外，當前的高精度應用具有局限性。GNSS基本服務是面向開闊環境設計的，信號落地功率約-160dBW，基本電文信息速率50bit/s～250bit/s。為了實現基于載波相位測量的高精度定位，在基本電文的基礎上，PPP服務需要增加軌道和鐘差精密改正數，從而實現整周模糊浮點解；PPP-AR需要進一步增加碼偏差和載波相位偏差改正數，進而實現整周模糊固定解，加快收斂時間；而PPP-RTK還需增加播發區域電離層延遲和對流層延遲改正數，將收斂時間降低至1min以內。PPP、PPP-AR和PPP-RTK對比如圖2所示，收斂時間逐漸縮短，但所需播發的信息量逐步增加。

圖2 PPP、PPP-AR以及PPP-RTK對比Fig.2 Comparisons of PPP, PPP-AR and PPP-RTK

表1統計了Galileo、QZSS以及BDS高精度定位服務信號的信息速率以及最小落地功率，作為對比，GPS C/A碼信號也一并給出。可以看到，信息速率由基本電文的50bit/s向著500bit/s、2000bit/s增加，而信號落地功率受到兼容性約束，甚至略有降低。因此，信息播發鏈路余量小，大眾用戶在動態應用場景及挑戰環境下應用受到極大限制。

表1 高精度定位服務的信息速率與最小接收功率

綜上，為滿足自動駕駛時代挑戰環境下的高安全實時精密定位需求，迫切需要設計一種新型PNT系統架構與體制，突破現有框架限制：

·降低對海外建站的依賴，基于區域地面站，將全球定位精度由米級提升至分米級、厘米級；

·降低對專門布設全球CORS站的依賴，將全球精密定位收斂時間降至1min甚至秒級；

·大幅提升精密定位服務的可用性與安全性，實現更加泛在。

1.2 低軌互聯網星座的優勢

以OneWeb、Starlink等為代表的國外低軌互聯網星座計劃層出不窮，成百上千顆甚至上萬顆衛星已進入星座部署階段。截至目前，OneWeb進行了7次組網發射，在軌衛星數量已達到254顆。而自2018年以來，SpaceX已發射1700多顆Starlink衛星，并計劃到2027年，建立含42000顆Starlink衛星的星座。2021年4月，隨著中國衛星網絡集團有限公司(星網公司)在雄安掛牌成立，標志著國內低軌衛星互聯網星座也在加速建設。

低軌衛星互聯網星座衛星數量多，軌道低(1000km左右)，運動速度快，能夠與中高軌導航星座形成優勢互補，為PNT服務性能提升注入新動力。

(1)衛星軌道在中高軌導航衛星下方，是理想的GNSS天基全球監測平臺。

低軌衛星星座是理想的全球監測平臺，與地面監測站相比，監測范圍更大，能夠突破國土疆域的限制，實現天基全球監測，如圖3所示。低軌監測的效率高，12顆低軌衛星相當于全球100多個監測站。而且，由于低軌衛星軌道高度通常在1000km左右，位于電離層上方，信號測量誤差不受電離層誤差和對流層誤差影響，監測精度高，有利于軌道、鐘差等誤差的分離。

圖3 低軌衛星星座覆蓋區域示意圖Fig.3 The footprint of LEO satellite constellation

(2)低軌衛星幾何變化快，為加速收斂和多徑抑制提供了新的解決思路。

低軌衛星運動速度快，通過播發低軌導航增強信號，增加了新型快速幾何變化觀測數據，幾何變化相比GNSS MEO衛星快40倍左右，同等時間段內劃過的弧段更長，如圖4所示，利于加速PPP收斂，突破傳統地基監測+信息增強體制，為實施高精度定位提供了新的途徑。而且，快速的幾何變化能夠有效白化多徑誤差，利于多徑抑制。

圖4 GNSS衛星與低軌衛星運動軌跡示意圖Fig.4 The skyplot of GNSS satellites and LEO satellites

(3)衛星數量多，有利于提升高仰角下的衛星可見性，增強城市挑戰性環境下的服務性能。

GNSS面向開闊環境設計，而對于城市挑戰性環境下，由于高樓、高架橋、樹蔭等的遮擋，導致GNSS衛星可見性降低，特別是城市峽谷環境，平均仰角更高。低軌互聯網星座衛星數量多，能夠增加高仰角下的衛星可見性。圖5(a)給出了北斗三號MEO衛星7°截止角下的衛星可見性，圖5(b)給出了北斗三號MEO衛星和150顆低軌衛星的可見性，可以看到，加入低軌核心星座后，能夠有效提升可見星數量。隨著低軌衛星數量的增加，高仰角下的可見衛星數也更多。

(a)北斗三號MEO衛星

1.3 建設成本低的優勢

搭載實現成本低，無需獨立建設龐大低軌星座系統，大大降低了建設成本，使全球低軌增強成為可能。

·不需單獨發射：節省發射費用；

·不需單獨研制衛星平臺：節省衛星平臺研制費用；

·不需單獨配置星間星地鏈路：全球通信星座已配星間鏈路，為實時精密星歷生成與發播提供了實時傳輸網絡支撐。

1.4 通導融合的優勢

低軌通信星座正在由低軌窄帶通信星座向低軌寬帶互聯網星座發展，信號頻段也由L向Ka頻段延伸，為通導深度融合提供了契機。從融合層面劃分，包括融信息、融頻率、融信號、融載荷，如圖6所示。四種方式結合，充分利用低軌通信星座的優勢，為PNT服務性能突破瓶頸帶來新的希望。

圖6 通導融合4個層次Fig.6 Four levels for the fusion of communication and navigation

(1)融信息：打破導航電文播發的瓶頸

高精度服務已成為GNSS的標配，播發精密改正電文的需求導致電文信息速率急劇增加，由50bit/s向2kbit/s發展，而信號功率未有變化。相較于測量，獲取電文已成為制約PPP服務的瓶頸之一。對于PPP-RTK而言，大氣改正數以及電離層改正數的播發，對信息速率的需求更高。對于低軌通信而言，以銥星為代表的窄帶移動通信，信息速率為25kbit/s；而以Starlink為代表的寬帶互聯網星座，速率在100Mbit/s以上。

通過融信息，利用通信信道播發導航增強電文，能夠打破電文與增強信息傳輸瓶頸，提升電文的可獲取性。

(2)融頻率：擴展導航頻譜，提升獨占頻譜率

衛星導航系統發展30年，信號頻率基本未發生變化，四大GNSS信號頻譜現狀如圖7所示，集中于1.15～1.6GHz的幾個頻段內。而北斗頻率大部分與Galileo重合，獨占頻率低。

圖7 GNSS信號頻譜現狀Fig.7 The frequency allocations of GNSS

提供了獨立于傳統導航頻段之外的衛星移動通信頻段，如L頻段(1518～1525MHz)以及Ka頻段(19.7～21.2GHz)。通過融頻率，與通信信號共享頻譜，播發低軌導航增強信號，造成事實上的導航頻譜擴展，有望實現對擴展頻譜導航應用的獨占性。

(3)融信號：突破導航信號功率天花板

傳統的衛星導航頻段受兼容性限制，信號落地功率難以提高。通信信號可突破傳統導航信號落地功率天花板，并高20～30dB；美國Iridium Next播發通導融合STL信號，實現了落地功率比GPS強約30dB，如表2所示。

表2 典型GNSS信號和STL信號功率

一方面，低軌衛星軌道低，空衰小，同樣體積質量功耗(Size, Weight and Power Cost, SWaP-C)條件下落地電平更高；另一方面，低軌通信信號采用多點波束體制，有利于提升功率。對于低軌互聯網通信信號，Ka頻段播發，信號帶寬大、波束窄、接收天線增益高，在實現高功率的同時，還能有效提升信號的抗干擾能力。

(4)融載荷：無線資源管理，增強資源調度靈活性

低軌通信載荷具有無線資源管理功能，包括帶寬資源管理、時隙資源管理、功率資源管理、波束資源管理以及移動性管理，如圖8所示。

圖8 通信載荷的無線資源管理Fig.8 Radio resource management of the communication payload

通過融載荷，利用通信載荷的無線資源管理功能，支持通導融合信號的生成與播發，實現導信號的捷變與靈活信號生成，支持波束捷變、功率捷變、時隙捷變、頻率捷變、信號捷變等能力，以提升低軌導航增強的靈活性。

2 發展挑戰

國內外低軌互聯網星座的快速發展，為低軌全球導航增強帶來了前所未有的發展機遇，為突破PNT瓶頸帶來希望，國內外正針對系統體制、關鍵技術、增強效能等開展攻關。除此以外，對于發展低軌全球導航增強還存在以下幾方面的挑戰，包括頻率資源的挑戰、功率資源的挑戰、秒級收斂的挑戰和自動駕駛級完好性的挑戰，其中自動駕駛級完好性挑戰將另文介紹。

2.1 頻率資源的挑戰

頻譜資源與軌道資源一樣，是最重要的稀缺資源，是建設系統的基礎。低軌全球導航增強將傳統地基監測+信息增強體制向天基監測+信號增強體制發展，需要至少播發雙頻導航增強信號，利用低軌衛星幾何變化快的優勢，加快PPP收斂。

頻率分配受到國際電信聯盟(International Tele-communication Union, ITU)規則的限制，為了實現全球可用，需要在全球絕大部分區域應用的頻率資源。可用于衛星導航服務的頻段，如圖9所示。

(a)L頻段

GNSS的L頻段是低軌導航增強頻率的選擇之一，能夠與GNSS實現最大程度的融合。目前，B1/B2a為國際互操作頻段，落地功率約束大，全球及區域系統均采用，頻率協調復雜；B2b為北斗三號區域PPP服務頻段，目前僅北斗、Galileo和QZSS應用，落地功率約束小，B2b是低軌導航增強信號的一個選項。B3頻點(1268.52MHz)上包括B3I、B3Q以及B3A信號，只有B3I是開放信號。由于B3頻帶上開放信號與授權信號頻譜完全重疊，不適合給低軌導航增強使用。Galileo在E6(1278.75MHz)上提供全球精密定位服務，QZSS也在L6上提供導航增強服務，而在BDS-3試驗星階段B3的信號選項中，有一個B3C信號選項，頻率為1278.75MHz。在該頻率實現導航增強服務，則可與之形成互操作，甚至有可能讓B3C頻點成為PPP的國際標準頻率，是播發低軌導航增強信號的優選頻率之一。

S、C頻段協調相對簡單，S頻段主要是印度NavIC使用，目前沒有任何一個系統使用C頻段，協調相對容易。然而，S頻段中衛星無線電定位系統(Ratio Determination Satellite System, RDSS)在全球不是主要業務，全球使用存在協調難度。C頻段路徑損耗大，比L大約9dB，且帶外抑制要求嚴格(60dB以上)，載波模糊度固定也更加困難。而C頻段的最大難點在于對衛星等效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power, EIRP)要求高，工程實現難度大。

在傳統GNSS頻段外，衛星移動通信頻段也是一種可能。其中，低軌窄帶移動通信可采用擴展L頻段(1518～1525MHz)，落地功率限值相對導航L頻段高30dB左右，且移動通信不使用擴頻體制；導航采用寬帶擴頻體制，可實現通信導航共用頻譜，互不干擾，從而提升頻譜利用率。因此，擴展L頻段是另一個優選項，但也存在大量協調工作。隨著通導融合的發展，將衛星通信頻段用于導航成為一種可能，包括VHF/UHF頻段和Ka頻段。

從頻率劃分來看，可用于衛星移動通信的VHF/UHF頻段包括235～322MHz、335.4～399.9MHz以及450～470MHz。相較于L頻段，VHF/UHF頻段信號穿透能力比較強，傳播損耗小，同等發射功率下落地電平高。但也正因為波長長，發射天線尺寸大，如歐洲NAVISP計劃在120MHz發射信號，天線尺寸2.5m，需要與衛星平臺統一設計考慮。此外，UHF頻段被地面通信、衛星通信使用，規避干擾，進行頻率協調也是一個難題。

Ka頻段(19.7～21.2GHz)可用于衛星固定與衛星移動業務，目前主要是位于高軌的高通量衛星使用，低軌互聯網衛星也將在Ka頻段提供寬帶互聯網服務。Ka頻段的優點是可用帶寬大(200MHz以上)，采用點波束播發，接收天線增益高，等效載噪比遠高于傳統導航信號，抗干擾能力強；而缺點包括傳播損耗大，同等傳播距離比L頻段高20dB以上，易受天氣影響，雨衰大。Ka通信通常采用自適應編碼與調制，以補償鏈路條件的改變。對于通導融合的導航增強而言，雨衰問題是可以克服的。以30dBW 典型EIRP為例，在不考慮雨衰時，軌道高度1000km，落地功率在-159dBW左右，與傳統L導航信號相當，而且Ka接收天線增益可高于25dB，意味著有25dB以上的抗雨衰能力；另外導航信息速率低，也保證了足夠的解調余量。

2.2 功率資源的挑戰

現有GNSS信號落地功率在-160dBW左右，導致在室內、遮擋場景下的可用性差，表3列出了典型遮擋場景下GNSS L頻段信號的衰減，可以看到，遮擋導致的衰減大部分在15dB以上，這意味著落地功率目標在-145dBW以上。

表3 不同材料遮擋導致的GNSS L頻段信號衰減

通過播發高功率低軌導航增強信號，一方面實現了增強電文的快速播發，縮短了精密定位時間；另一方面，提升了挑戰環境下的可用性。

但是，低軌衛星屬于功率受限系統，能源短缺，要實現全球-145dBW以上的目標是一個挑戰。一方面，開發功率更大的衛星平臺；另一方面，進行體制創新，采用UHF/VHF等低頻段，空衰小，同樣EIRP下落地功率更大，UHF頻段只需發射EIRP 13dBW，落地功率為-140dBW左右，鏈路預算如表4所示，相對L頻段提升近20dB。

表4 UHF頻段鏈路預算

UHF頻段落地功率高，但是地面應用復雜，隨著5G逐步應用，UHF頻段存在重新分配的可能性。在WRC-15會議中，提出了19個5G候選頻段，如圖10所示，470～698MHz、694～790MHz或其中的部分頻段可用于5G系統。

圖10 5G的UHF頻段Fig.10 UHF frequency band allocated to 5G communication

2.3 秒級收斂時間的挑戰

面向自動駕駛的高精度服務，收斂到厘米級的時間要求到秒級。通常的PPP服務收斂時間在20～30min左右，PPP-RTK收斂時間理論上能夠達到秒級(不含電文獲取時間)，如圖11所示。

(a) PPP

然而，當前的PPP-RTK體制需要布設大量CORS站，成本高，代價大。基于低軌互聯網星座的全球導航增強可以采用云-端架構PPP-RTK體制，以較低成本實現PPP-RTK服務，在全球用戶密集區加速收斂。

在云-端架構PPP-RTK體制中，高精度用戶既是信息的使用者，也是信息的提供者。基于全球海量高精度用戶及低軌互聯網衛星的雙向通信鏈路，解決了電離層延遲和對流層延遲參數獲取問題，降低了傳統PPP-RTK對專門布設海量CORS站的依賴。

海量用戶“端”生成基于自身位置信息的大氣延遲信息，將信息上傳至低軌衛星并進行質量控制；空間段分布的“云”基于海量用戶信息并構建大氣延遲模型，同時通過低軌衛星下行鏈路播發模型，系統接入用戶“端”數量和范圍的增加，可以提升模型的精度和覆蓋范圍，工作流程如圖12所示。

圖12 云-端架構PPP-RTK工作流程Fig.12 The PPP-RTK method based on cloud-end architecture

云-端架構PPP-RTK體制與傳統PPP-RTK的收斂時間性能相當，但是降低了對地面密集CORS站的依賴。以QZSS的PPP-RTK服務為例，每60km左右需要建設一個站，生成區域電離層與對流層改正數；而采用云-端架構PPP-RTK體制，不需專門建設密集CORS站，區域電離層延遲和對流層延遲參數依靠用戶端提供，降低了建設成本。

3 發展建議

基于低軌大/巨型星座的導航定位與授時，是低軌導航增強的重要發展趨勢，國內外研究進展基本相當。針對基于低軌互聯網星座的全球導航增強，提出如下建議。

3.1 系統體制發展建議

低軌全球導航增強系統體制的設計，需要瞄準用戶需求，全面統籌體制創新設計。系統體制決定了整個系統的建設方向，也決定了最終的服務性能。

圖13給出了建議的低軌全球導航增強系統體制。以“四高一快”需求為目標，針對厘米級高精度、秒級快收斂、挑戰環境下的高可用、高安全以及高完好目標，采用天基監測+信號增強體制，進行系統體制設計與優化，實現了低軌導航增強功能與PNT備份功能。

圖13 低軌全球導航增強系統體制Fig.13 The architecture of LEO global navigation augmentation system

3.2 信號體制發展建議

信號是PNT服務的載體，是直接面向用戶的接口，直接關系到PNT服務性能。基于低軌互聯網星座的全球導航增強是天然的通導融合系統，為信號的通導融合創造了條件。

表5給出了建議的低軌全球導航增強信號體制，采用L+Ka、脈沖+連續的信號體制，實現了導航增強和備份功能。

表5 低軌全球導航增強信號體制

L頻段播發雙頻導航增強連續信號，通過搭載導航增強載荷的方式，在擴展L和B3C頻段播發，增強GNSS信號，并通過與GNSS信號配合使用，實現快收斂的高精度定位。擴展L連續導航增強信號與擴展L通信信號共頻譜，實現了頻率層面的融合。

擴展L和Ka頻段的脈沖導航增強信號，由通信載荷生成播發，通過通導深度融合設計，實現了信號層面的融合，可獨立提供備份定位授時功能，不依賴于GNSS。脈沖信號導航增強幀結構如圖14(a)所示，類似于銥星STL信號。導航增強幀通過使用通信信號的部分時隙，在部分子載波上播發，播發方式與通信廣播幀一致。Ka頻段連續信號通過波束凝視的方式播發，實現對特定區域應急場景下的備份定位授時功能。Ka頻段連續信號采用寬帶擴頻的方式，功率譜低于Ka通信信號，如圖14(b)所示，實現了與Ka通信信號的兼容性。

(a)脈沖

3.3 系統建設發展建議

1)優先開展頻率申報，同步進行頻率協調。

能否獲取頻率授權，關系到整個系統最終能否順利落地，同時，也會對整個導航增強技術體制、信號體制、載荷設計具有重大影響，是系統建設中需要優先進行的事項。全面申報可能的頻率資源，開展頻率協調，本著先易后難、先國內后國外的思路，積極開展頻率協調工作，為在軌試驗、全面組網創造有利條件。

2)提前開展專利申報，同步推進標準制定。

基于寬帶互聯網星座的全球導航增強，在原理、方法、體制等方面，國內外都處在開展理論研究階段，大體屬于同一水平，國際國內還沒有低軌導航增強相關的標準規范。為保證系統工程建設的順利進行，在系統建設之初，提前進行有關專利申報，推動有關專利、標準規范等知識產權的制訂。

3)抓緊關鍵技術攻關，盡快開展在軌驗證。

基于低軌互聯網星座的導航增強涉及許多新的技術，整個低軌導航增強的體制依賴于理論分析、仿真驗證以及地面試驗，可以進行初步技術驗證，但是，最終達到的服務性能還需要通過在軌試驗進行檢驗。因此，抓緊對關鍵技術進行攻關，開展在軌試驗驗證，是當務之急。

4 結論

低軌通信正由L頻段的窄帶移動通信，向Ku、Ka頻段的低軌寬帶互聯網通信發展，順應這一趨勢，美歐紛紛開展面向大/巨型星座的導航增強體制研究。本文針對基于低軌互聯網星座的全球導航增強體制開展研究，分析了其優勢及面臨的挑戰，并提出了解決思路及發展建議。結論如下：

1)傳統地基監測+信息增強體制難以滿足自動駕駛時代，城市挑戰性環境下對PNT服務“四高一快”的需求。低軌星座與中高軌導航星座優勢互補，采用天基監測+信號增強體制，為突破當前PNT瓶頸提供了發展機遇。

2)頻率資源和功率資源是發展低軌全球導航增強面臨的首要挑戰。分析表明，B2b、擴展L(1518～1525MHz)和B3C是3個優選頻段，通過通導融合設計，信號落地功率有望提升15～30dB，頻譜資源有望向UHF和Ka擴展。

3)高精度定位的收斂時間從PPP的30min縮短到PPP-RTK的1min以內，但傳統PPP-RTK嚴重依賴大量CORS站，成本高，代價大。未來云-端架構PPP-RTK體制有望實現低成本PPP-RTK，以應對未來秒級收斂的高精度應用挑戰。