低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究

聶欣 鄭晉軍 范本堯

(1 中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)因其全球、全天候、連續(xù)和高精度的特點(diǎn)，已經(jīng)在遍及陸地、海洋、天空和太空的各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為目前應(yīng)用最廣泛的導(dǎo)航技術(shù)。隨著GNSS在民用、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和深入，對GNSS系統(tǒng)要求也越來越高，不僅需要縮短定位時(shí)間、提高定位精度、改善惡劣環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量，還要求利用其他各種手段實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航系統(tǒng)的備份能力。

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)信號強(qiáng)度提升，精度提高，形成對基于中高軌星座GNSS的增強(qiáng)、補(bǔ)充備份能力，同時(shí)具備獨(dú)立提供導(dǎo)航服務(wù)的潛力。國內(nèi)外各種低軌星座的日益興起，通過低軌衛(wèi)星對GNSS導(dǎo)航服務(wù)進(jìn)行增強(qiáng)、備份，乃至具備一定的獨(dú)立導(dǎo)航服務(wù)能力已經(jīng)成為了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。為了能夠明晰技術(shù)路線、確定系統(tǒng)工作模式、規(guī)劃系統(tǒng)建設(shè)步驟、形成服務(wù)效果的準(zhǔn)確預(yù)期，為我國低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供參考，開展了低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究。

本文對國內(nèi)外低軌導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)針對國外“子午儀”(Transit)系統(tǒng)、基于銥星的高完好GPS服務(wù)(iGPS)和衛(wèi)星時(shí)間與位置(STL)服務(wù)、國內(nèi)“鴻雁”、珞珈一號等系統(tǒng)，分析和研究其關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)航原理和使用效果；然后分析了低軌衛(wèi)星精密定軌、多普勒定位等關(guān)鍵使能技術(shù)；根據(jù)服務(wù)對星座、衛(wèi)星的需求和關(guān)鍵使能技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析；最后提出了我國低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的建議。

1 GNSS服務(wù)能力及低軌衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)需求分析

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為大國、地區(qū)的“標(biāo)準(zhǔn)配置”。現(xiàn)代社會(huì)嚴(yán)重依賴于GNSS服務(wù)，同時(shí)應(yīng)用需求的不斷發(fā)展對GNSS性能要求越來越高。目前使用過程中，基于中高軌衛(wèi)星的GNSS服務(wù)需在以下方面提升。

(1)目前基本導(dǎo)航系統(tǒng)的三維定位精度都在10 m左右，尚不能滿足更高精度的服務(wù)需求。星基增強(qiáng)系統(tǒng)可將定位精度提升至米級或分米級。基于地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星的星基增強(qiáng)系統(tǒng)除存在高緯度地區(qū)信號覆蓋問題，一般而言，緯度超過72°的地區(qū)就將出現(xiàn)信號丟失的問題[1]。

(2)GNSS衛(wèi)星信號受到建筑物、森林植被的阻擋，使得GNSS接收機(jī)在人口稠密的城市、峽谷、森林等環(huán)境中經(jīng)常由于可見衛(wèi)星數(shù)不足、衛(wèi)星信號深衰落而不能完成定位。此外在強(qiáng)干擾等惡劣電磁環(huán)境下，GNSS服務(wù)的性能下降，甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)航信號無法被正常捕獲跟蹤而造成定位失敗的情況。

(3)首次定位時(shí)間(TTFF)是影響導(dǎo)航服務(wù)體驗(yàn)和使用效果的因素之一。目前基于偽距測量的接收機(jī)在冷啟動(dòng)的情況下定位需要數(shù)分鐘。如果需要更高的定位精度，采用基于載波相位定位測量的精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)，收斂時(shí)間還要更長，一般會(huì)達(dá)到20 min以上。

(4)對于智能交通用戶等涉及生命安全的服務(wù)，在實(shí)時(shí)高精度(動(dòng)態(tài)10 cm)的同時(shí)，提出了高完好性的需求，目前基本導(dǎo)航系統(tǒng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)都無法滿足此要求。

2 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)調(diào)研

低軌衛(wèi)星具有軌道高度低，星地信道信號衰減小；衛(wèi)星觀測幾何變化快，有助于定位收斂的特點(diǎn)，可以增強(qiáng)中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度、完好性、可用性等。下文“低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”表征廣義上的概念，指基于低軌衛(wèi)星同時(shí)提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)。

2.1 已建成的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)調(diào)研

1)Transit系統(tǒng)及奇卡達(dá)(Tsikada)系統(tǒng)

Transit系統(tǒng)是全球首個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，先后發(fā)射34顆衛(wèi)星，一般在軌維持6顆衛(wèi)星提供服務(wù)[2]。Transit系統(tǒng)采用雙頻多普勒定位體制，選擇150 MHz和400 MHz頻率播發(fā)其導(dǎo)航信號，以補(bǔ)償因電離層折射產(chǎn)生的多普勒測量誤差。導(dǎo)航信號中包含衛(wèi)星的位置與速度等導(dǎo)航相關(guān)信息，導(dǎo)航信號一般采取加密方式播發(fā)。Tsikada系統(tǒng)是蘇聯(lián)發(fā)展的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，定位機(jī)理和服務(wù)性能基本與Transit系統(tǒng)相同。

從應(yīng)用的角度看，基于多普勒測速導(dǎo)航體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全球覆蓋、全天候工作的特點(diǎn)，可提供非連續(xù)的二維導(dǎo)航定位服務(wù)，定位精度約100 m，服務(wù)間隔90 min，適用于水面船只、移動(dòng)式浮標(biāo)、勘探與航道測量設(shè)備等對定位精度要求、服務(wù)實(shí)時(shí)性不是很高的場景，20世紀(jì)70、80年代曾被廣泛使用。90年代后多普勒測速導(dǎo)航體制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)被GPS等GNSS系統(tǒng)取代，但由于多普勒定位體制適用于單星或者雙星覆蓋的場景，仍值得研究和借鑒。

2)iGPS服務(wù)

銥星(Iridium)組成的星座是世界上第一個(gè)低軌話音移動(dòng)通信系統(tǒng)，空間段由運(yùn)行在6個(gè)極地軌道平面的66顆衛(wèi)星組成。2002年，美國波音公司提出了基于Iridium系統(tǒng)的iGPS，iGPS可提供導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。iGPS修改了Iridium下行信號體制，利用空閑信道播發(fā)脈沖測距導(dǎo)航(PRN)測距信號，調(diào)制了Iridium衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，如圖1所示。iGPS接收機(jī)測量到每顆可見GPS衛(wèi)星和Iridium衛(wèi)星的距離，并解調(diào)導(dǎo)航數(shù)據(jù)。iGPS系統(tǒng)通過地面監(jiān)測站監(jiān)測L1頻點(diǎn)信號，解算衛(wèi)星軌道和鐘差[3]。

圖1 iGPS信號體制

iGPS主要起到導(dǎo)航增強(qiáng)的作用。相比GPS信號，iGPS信號空衰大約低30 dB，通過其高功率信號播發(fā)導(dǎo)航電文給用戶，輔助用戶快速鎖定GPS信號，首次定位時(shí)間可到秒級。對于強(qiáng)對抗條件下的軍用用戶，iGPS可以完成對軍用終端的粗授時(shí)，輔助軍用接收機(jī)進(jìn)行軍碼快速捕獲。2009年，iGPS驗(yàn)證了在運(yùn)動(dòng)車輛受到強(qiáng)烈干擾環(huán)境下的捕獲GPS信號的能力。根據(jù)美國進(jìn)行的實(shí)際測試，在開闊地區(qū)銥星信號引導(dǎo)下，車輛動(dòng)態(tài)條件下定位，首次定位時(shí)間由30 min縮短至2 min，定位精度達(dá)到亞米量級。

3)STL服務(wù)

銥星二代(Iridium NEXT)系統(tǒng)是由銥星公司于2007年提出的第二代低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)[4]。Iridium NEXT衛(wèi)星主任務(wù)載荷為可再生處理式通信載荷，采用時(shí)分雙工體制，工作于L頻段，可通過平板相控陣天線形成48 個(gè)用戶波束，單星覆蓋區(qū)域直徑約為4500 km。

除提供L頻段通信服務(wù)外，Iridium NEXT還提供STL服務(wù)。STL服務(wù)利用銥星系統(tǒng)L頻段的1616～1626.5 MHz播發(fā)擴(kuò)頻碼加密導(dǎo)航信號，帶寬25 kHz，幀長90 ms，碼速率為每秒25 000個(gè)符號，正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制。STL信號每一個(gè)burst開頭為連續(xù)波，用于粗測量，burst后續(xù)為擴(kuò)頻碼序列，用于通過滑動(dòng)相關(guān)實(shí)現(xiàn)測距。導(dǎo)航信號內(nèi)容包括衛(wèi)星位置、速度、時(shí)間等信息，經(jīng)加密后以廣播的形式播發(fā)。

STL可起到導(dǎo)航增強(qiáng)和導(dǎo)航備份的作用。STL信號強(qiáng)度高于GNSS系統(tǒng)約30 dB。實(shí)測結(jié)果表明：在建筑物的第二層，銥星STL服務(wù)信號的載噪與GPS信號在開闊地的載噪比相當(dāng)，守時(shí)精度優(yōu)于1 ms。在收斂時(shí)間小于10 min的情況下，水平定位精度達(dá)到35 m，如果收斂時(shí)間足夠長，定位精度可達(dá)20 m[5]。在無線基礎(chǔ)設(shè)施未覆蓋的場所，如森林、山區(qū)等地區(qū)，具有較為廣泛的應(yīng)用潛力。

此外，由于STL信號全部采用加密的形式，因而與完全開放的GNSS民用服務(wù)相比具有較強(qiáng)的抗欺騙干擾能力。

2.2 建設(shè)中的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分析

國內(nèi)也在積極發(fā)展低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。中國航天科技集團(tuán)和科工集團(tuán)，高校和商業(yè)航天公司都有相應(yīng)的低軌衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)規(guī)劃，比較有代表性的有“鴻雁”、珞珈系統(tǒng)等。

規(guī)劃中的國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)除具備通信功能外，還計(jì)劃提供低軌增強(qiáng)功能。衛(wèi)星搭載了星載GNSS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高精度定軌。衛(wèi)星使用“信息+信號”綜合增強(qiáng)模式，衛(wèi)星使用L頻段播發(fā)差分增強(qiáng)信息，同時(shí)信號具有測距功能，可增加測距源，改善幾何精度因子(DOP)，提高定位收斂速度[6]。

武漢大學(xué)研制的珞珈一號衛(wèi)星具有導(dǎo)航增強(qiáng)功能，其增強(qiáng)模式為接收GPS和北斗系統(tǒng)的雙頻信號，進(jìn)行信號的完好性監(jiān)測，完成自身軌道解算并生成星歷，同時(shí)對地播發(fā)雙頻點(diǎn)導(dǎo)航增強(qiáng)信號[7]。

商業(yè)航天公司也提出了低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)計(jì)劃。未來導(dǎo)航科技有限公司發(fā)射了微厘空間一號S1試驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)行星載小型化高精度GNSS測量、高精度定軌與處理技術(shù)的驗(yàn)證。

ESA正在開展導(dǎo)航創(chuàng)新和支持計(jì)劃(NAVISP)，計(jì)劃作為整個(gè)歐洲GNSS的重要組成部分。NAVISP系統(tǒng)兼具增強(qiáng)與備份的作用：①增加可見星數(shù)量；②低軌信號提供了更高的多普勒，不同的多徑特性，提升測量的多樣性；③低軌提升信號的落地功率，為城市及室內(nèi)定位提供了可能。

美國工業(yè)界提出300顆低軌衛(wèi)星組成的普爾薩(Pulsar)導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)主要瞄準(zhǔn)自動(dòng)駕駛等使用需求：①利用低軌衛(wèi)星觀測幾何變化快，提供快收斂的PPP服務(wù)；②利用低軌衛(wèi)星高落地功率信號，提高車輛行駛過程中遇到樹木遮蔽、干擾等情況的服務(wù)可用性；③對電文進(jìn)行加密和鑒權(quán)，提高服務(wù)的防欺騙特性，提高服務(wù)的安全性。

在國際上，隨著大規(guī)模低軌衛(wèi)星通信星座的規(guī)劃陸續(xù)出臺。大規(guī)模低軌衛(wèi)星通信星座具有衛(wèi)星數(shù)量多、覆蓋性能好的特點(diǎn)。一網(wǎng)(Oneweb)系統(tǒng)衛(wèi)星總數(shù)720顆(648顆在軌+72顆備份星)，SpaceX公司的星鏈(Starlink)系統(tǒng)由4425顆衛(wèi)星組成，軌道高度1110～1325 km[8]。兩個(gè)系統(tǒng)規(guī)劃的星座見圖2。截至2020年6月30日，OneWeb已發(fā)射其中40顆衛(wèi)星，星鏈系統(tǒng)已經(jīng)成功發(fā)射538顆衛(wèi)星，同時(shí)也宣布了后續(xù)擴(kuò)展星座至4萬顆衛(wèi)星的計(jì)劃。Oneweb和Starlink系統(tǒng)目前均未搭載導(dǎo)航增強(qiáng)載荷。國外學(xué)者提出了在低軌衛(wèi)星上搭載導(dǎo)航信號播發(fā)載荷，作為獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)想[9]。由美軍資助的一項(xiàng)研究表明：Starlink還可以具備另一種用途，即成為GPS的軍用增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)，具有低成本、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。

圖2 OneWeb和SpaceX的規(guī)劃星座

3 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展路線研究

按照低軌導(dǎo)航系統(tǒng)工作方式，功能和性能的不同，低軌導(dǎo)航系統(tǒng)可以分為導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)、補(bǔ)充備份系統(tǒng)和獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)三種類型。在實(shí)際設(shè)計(jì)和建設(shè)工程中，三類系統(tǒng)功能并不一定嚴(yán)格區(qū)分，在系統(tǒng)建設(shè)步驟、系統(tǒng)功能等方面可以部分交叉。

3.1 導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)

3.1.1 系統(tǒng)特征

導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)不單獨(dú)提供服務(wù)，主要解決現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)在特定區(qū)域、場景下服務(wù)性能降低的問題，與基本導(dǎo)航系統(tǒng)共同提供服務(wù)，起到擴(kuò)展服務(wù)區(qū)域，增強(qiáng)導(dǎo)航性能，提高服務(wù)指標(biāo)等作用。

根據(jù)增強(qiáng)的性能指標(biāo)，增強(qiáng)技術(shù)可分為信號強(qiáng)度增強(qiáng)、精度增強(qiáng)、完好性增強(qiáng)、連續(xù)性和可用性增強(qiáng)和面向GNSS系統(tǒng)的輔助增強(qiáng)。信號強(qiáng)度增強(qiáng)主要通過功率增強(qiáng)提升播發(fā)信號的功率。精度、完好性、連續(xù)性和可用性增強(qiáng)分別增強(qiáng)導(dǎo)航服務(wù)的定位收斂時(shí)間、精度、完好性、連續(xù)性和可用性等指標(biāo)。輔助增強(qiáng)通過低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)GNSS系統(tǒng)的信號接收和監(jiān)測，利用低軌衛(wèi)星獲得的測量值和監(jiān)測結(jié)果，提高GNSS系統(tǒng)軌道、鐘差等產(chǎn)品估計(jì)精度，間接增強(qiáng)導(dǎo)航服務(wù)性能。

根據(jù)增強(qiáng)效用產(chǎn)生的載體可以分為信息增強(qiáng)、信號增強(qiáng)。信息增強(qiáng)不提供觀測量，通過播發(fā)差分信息、輔助信息等來提高導(dǎo)航性能。信號增強(qiáng)是發(fā)射信號為用戶提供測量信息。鑒于信息一般調(diào)制在射頻信號中，信息增強(qiáng)、信號增強(qiáng)可以同時(shí)使用和產(chǎn)生效果。

導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)一般要求衛(wèi)星對地面的單重或者雙重覆蓋，衛(wèi)星具備導(dǎo)航頻點(diǎn)或者近導(dǎo)航頻點(diǎn)下行信號、信息播發(fā)通道。衛(wèi)星上安裝GNSS接收機(jī)以實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星自身軌道確定和時(shí)間同步。

3.1.2 關(guān)鍵使能技術(shù)

1)通導(dǎo)信號一體化播發(fā)技術(shù)

對于同時(shí)兼具導(dǎo)航、通信等功能的衛(wèi)星，如何實(shí)現(xiàn)通導(dǎo)信號一體化播發(fā)是需要解決的問題之一。通導(dǎo)信號一體化播發(fā)可采用頻分、時(shí)分以及碼分等復(fù)用方式中的一種或者靈活組合。

(1)同頻正交復(fù)用：將調(diào)制信號的不同邊帶或者支路分別用于不同業(yè)務(wù)服務(wù)信號播發(fā)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號與通信信號同頻點(diǎn)復(fù)用。

(2)時(shí)分復(fù)用：將導(dǎo)航信號和通信信號在不同的時(shí)隙中交替?zhèn)鬏敚筛鶕?jù)導(dǎo)航通信需求靈活調(diào)整占用的時(shí)隙數(shù)目。

(3)頻分復(fù)用：實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航與衛(wèi)星通信在同頻段共用，導(dǎo)航信號與通信信號同頻段內(nèi)不同子載波進(jìn)行傳輸，通過選擇不同的帶寬滿足不同業(yè)務(wù)信息速率要求，該方法可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信道與通信信道物理上完全分開。

(4)碼分復(fù)用：利用不同擴(kuò)頻碼分別傳輸導(dǎo)航電文和通信電文。該方式需要考慮和解決遠(yuǎn)近效應(yīng)造成導(dǎo)航與通信信號的相互干擾問題。

2)低軌衛(wèi)星高精度軌道確定技術(shù)

低軌衛(wèi)星軌道主要受兩種作用力的影響，一種是地球引力，另一種是大氣阻力。地球引力場有較精確的數(shù)學(xué)模型，大氣阻力的強(qiáng)隨機(jī)性導(dǎo)致難以得到精確的大氣阻力模型解算。星載GNSS技術(shù)因其具有檢測連續(xù)、全天候、獨(dú)立自主、定軌質(zhì)量高等特點(diǎn)，成為低軌衛(wèi)星厘米級定軌的最佳選擇。

基于星載GNSS接收機(jī)的定軌技術(shù)主要包括：動(dòng)力學(xué)法、簡化動(dòng)力學(xué)法和幾何法,其中簡化動(dòng)力學(xué)法和幾何法能達(dá)到2～3厘米級的定軌精度[11]。幾何法定軌僅使用偽距和載波相位觀測值，相比于簡化動(dòng)力學(xué)法不需要使用軌道動(dòng)力[12]。

低軌衛(wèi)星軌道的高精度軌道預(yù)報(bào)可以采用以下兩種途徑：一是低軌衛(wèi)星精密軌道確定與軌道預(yù)報(bào)一同處理，在低軌衛(wèi)星精密軌道確定后，利用該定軌過程中的相關(guān)信息進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)；二是利用一段弧長內(nèi)低軌衛(wèi)星的離散位置信息，采用擬合方式進(jìn)行軌道預(yù)報(bào)，常用的擬合方法包括動(dòng)力學(xué)擬合、切比雪夫多項(xiàng)式擬合、最小二乘曲線擬合等。對于低軌衛(wèi)星的短弧段預(yù)報(bào)，通過優(yōu)化算法可以獲得24 h內(nèi)米級甚至更高的精度[13]。

3)高精度時(shí)頻基準(zhǔn)維持技術(shù)

對于低軌衛(wèi)星而言，由于體積、功耗和成本的限制，一般不裝載高精度的原子鐘，而是采用高精度的晶振。時(shí)頻馴服與傳遞利用低軌衛(wèi)星裝載的GNSS授時(shí)接收機(jī)解算的鐘差，進(jìn)行濾波處理計(jì)算出頻率偏移量后，利用相應(yīng)的控制算法計(jì)算出加到晶振上的壓控電壓，達(dá)到校正晶體振蕩器輸出頻率的目的，使晶振的振蕩頻率鎖定在GNSS時(shí)鐘上，從而提高晶振的長期穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)GNSS衛(wèi)星授時(shí)長期穩(wěn)定性高和本地晶振短期穩(wěn)定度高的優(yōu)勢互補(bǔ)。時(shí)頻馴服與傳遞可以將晶振的萬秒穩(wěn)指標(biāo)提升2～3個(gè)數(shù)量級，從1×10-9數(shù)量級提升1×10-12的數(shù)量級。方案復(fù)雜度相對較低，且可以與定軌通用設(shè)備[14]。

3.1.3 系統(tǒng)性能研究

150顆衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)對地表大部分地區(qū)的雙重覆蓋[15]，針對150顆低軌衛(wèi)星進(jìn)行了增強(qiáng)性能仿真。仿真條件：衛(wèi)星播發(fā)雙頻定位信號，軌道確定精度5 cm，鐘差預(yù)報(bào)精度0.15 ns。分別針對高、中、低緯不同用戶進(jìn)行了定位性能仿真(見圖3)。

圖3 使用低軌增強(qiáng)前后精密單點(diǎn)定位時(shí)間序列

圖3中不同顏色曲線對應(yīng)不同系統(tǒng)，顏色與系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系見圖3注。G、C表示單獨(dú)使用GPS、北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位，GREC表示使用GPS、Galileo、Glonass和北斗系統(tǒng)4個(gè)中高軌定位系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合定位，GL、CL表示分別使用GPS+低軌，北斗+低軌進(jìn)行定位，GRECL表示使用4個(gè)中高軌定位系統(tǒng)+低軌進(jìn)行聯(lián)合定位。可見使用G、C單系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)，定位精度優(yōu)于10 cm需要10 min收斂時(shí)間。使用GREC其收斂時(shí)間比單系統(tǒng)要短，平均約5.78 min。通過加入低軌導(dǎo)航增強(qiáng)觀測數(shù)據(jù)，GNSS PPP收斂速度能得到顯著提升，高中低緯地區(qū)，均能實(shí)現(xiàn)1 min以內(nèi)的快速收斂。

3.2 補(bǔ)充備份系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)特征

補(bǔ)充備份系統(tǒng)在GNSS不可用的情況下具備獨(dú)立提供導(dǎo)航服務(wù)的能力，保證用戶服務(wù)的不間斷，功能和性能指標(biāo)允許一定程度的降低。在GNSS系統(tǒng)可用的情況下，補(bǔ)充備份系統(tǒng)平時(shí)具備與基本導(dǎo)航系統(tǒng)共同提供服務(wù)的能力。

補(bǔ)充備份系統(tǒng)一般要求衛(wèi)星對地面的雙重及以上覆蓋，支持終端采用多星單歷元、單星多歷元多普勒定位解算以及高程輔助等靈活多樣的定位模式。系統(tǒng)具備在補(bǔ)充備份期間系統(tǒng)時(shí)間保持的能力。衛(wèi)星具備雙頻點(diǎn)導(dǎo)航信號播發(fā)能力。補(bǔ)充備份系統(tǒng)在工作體制、信號頻率等方面應(yīng)與GNSS系統(tǒng)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，在GNSS系統(tǒng)遭受干擾或打擊時(shí)一般不會(huì)同時(shí)受損。

3.2.2 關(guān)鍵使能技術(shù)

為了使能低軌導(dǎo)航星座具有備份功能，需要衛(wèi)星時(shí)頻不再依賴于GNSS系統(tǒng)。考慮到衛(wèi)星平臺對單機(jī)質(zhì)量、功耗和體積的約束以及建設(shè)成本，片上原子鐘技術(shù)值得關(guān)注。隨著片上原子鐘等技術(shù)的迅速發(fā)展，低成本、低功耗、體積小的片上原子鐘是最有前景的一個(gè)替代方案。圖4為Microsemi公司研制的SA.45S型片上原子鐘，體積為17 cm3，功耗120 mW，成本1500美元。片上原子鐘已經(jīng)于2017年在NASA的多系統(tǒng)時(shí)間傳輸立方星(CHOMPTT)項(xiàng)目上得到了在軌驗(yàn)證。

圖4 SA.45S型片上原子鐘

同傳統(tǒng)的原子鐘相比，片上原子鐘的天穩(wěn)要差2～3個(gè)數(shù)量級，可達(dá)1×10-11的數(shù)量級。因此，需要更加頻繁的進(jìn)行鐘差參數(shù)更新。如果每個(gè)軌道周期更新一次鐘差，片上原子鐘的穩(wěn)定度可提高至1×10-12，盡管還達(dá)不到原子鐘的水平，但是可以通過增加電文播發(fā)頻率，每軌道周期一次(約100 min)，減輕鐘差預(yù)報(bào)誤差的影響(見表1)。

表1 片上原子鐘性能

3.2.3 系統(tǒng)性能研究

多普勒定位解算算法在工作體制等方面應(yīng)與GNSS系統(tǒng)具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，可作為多普勒定位解算方法有單歷元定位模式和連續(xù)觀測定位模式2種應(yīng)用模式。單歷元定位模式是指利用單歷元多普勒觀測信息即可實(shí)現(xiàn)用戶的實(shí)時(shí)定位，一般而言，當(dāng)用戶可見星數(shù)量≥3時(shí)，則可工作于單歷元定位模式。連續(xù)觀測定位模式是指利用多歷元多普勒觀測信息實(shí)現(xiàn)靜態(tài)用戶的聯(lián)合定位，一般當(dāng)用戶可見星數(shù)量<3時(shí)，則工作于連續(xù)觀測定位模式。用戶通過記錄觀測弧段內(nèi)積分多普勒的變化歷程，結(jié)合衛(wèi)星的位置信息，通過一顆或多顆衛(wèi)星的4個(gè)測距量，得到3個(gè)雙曲面的交點(diǎn)，根據(jù)3個(gè)雙曲面的交點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)對用戶的定位[16]。

圖5為總定位精度與積分多普勒測量誤差的仿真結(jié)果。由圖5可知，當(dāng)觀測時(shí)長10 min時(shí)，積分多普勒測量標(biāo)準(zhǔn)差從1 ns到10 ns變化，總定位精度與積分多普勒測量誤差的關(guān)系見圖5。

圖5 總定位精度與積分多普勒測量誤差的關(guān)系

典型積分多普勒測量誤差下的定位精度或定位誤差隨著積分多普勒測量誤差的增大而單調(diào)遞增。在10 min的觀測時(shí)間內(nèi)，積分多普勒測量誤差小于2.5 ns，可使得定位誤差優(yōu)于100 m。隨著衛(wèi)星數(shù)量增加，當(dāng)覆蓋重?cái)?shù)增加到二至三重時(shí)，定位精度將進(jìn)一步提高，同時(shí)縮短定位時(shí)間。

3.3 獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)特征

獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星通過配備片上原子鐘等方式維持獨(dú)立的時(shí)空基準(zhǔn)，通過載波相位結(jié)合偽距等測量方式，具備單獨(dú)提供服務(wù)的能力，功能、性能指標(biāo)可達(dá)到或者超過目前GNSS系統(tǒng)水平。同時(shí)，二者兼容互操作，可共同為用戶提供更優(yōu)服務(wù)。

獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)一般要求衛(wèi)星對地面的四重以上覆蓋。由于低軌衛(wèi)星軌道高度的特點(diǎn)，單星的覆蓋范圍較中軌、地球靜止軌道小，因此達(dá)到相同的覆蓋效果需要更多的衛(wèi)星數(shù)量。隨著技術(shù)進(jìn)步以及批產(chǎn)能力提升，星鏈等系統(tǒng)建設(shè)計(jì)劃發(fā)布的衛(wèi)星數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此數(shù)字，在技術(shù)上可以滿足要求。

3.3.2 關(guān)鍵使能技術(shù)

1)快速發(fā)射與組網(wǎng)技術(shù)

低軌衛(wèi)星獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)高于中高軌GNSS系統(tǒng)。需要在同樣時(shí)間內(nèi)，發(fā)射數(shù)倍以上數(shù)量的衛(wèi)星。快速發(fā)射與組網(wǎng)直接決定了系統(tǒng)建設(shè)的速度、成本和效益。一方面，低軌衛(wèi)星以“低成本、減質(zhì)量、降功率”為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)一箭多星組批發(fā)射；另一方面，需建立脈動(dòng)式生產(chǎn)線，快速提升衛(wèi)星的批產(chǎn)能力。

2)大規(guī)模運(yùn)維技術(shù)

如按照傳統(tǒng)模式進(jìn)行大型星座的運(yùn)行，其技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)成本將不可想象。因此如何在保證準(zhǔn)確與高精度的同時(shí)，實(shí)時(shí)控制和維護(hù)衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)高于地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的低軌星座衛(wèi)星的數(shù)量，便成為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3.3 系統(tǒng)性能研究

經(jīng)分析，低軌星座衛(wèi)星軌道高度1100 km時(shí)，1000顆衛(wèi)星的DOP值將達(dá)到1，與GNSS四大系統(tǒng)地球靜止軌道星座相當(dāng)[8]。獨(dú)立的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以達(dá)到與目前GNSS相當(dāng)?shù)男阅堋Ｓ捎诙ㄎ徽`差與DOP值成反比。目前如果低軌衛(wèi)星數(shù)量繼續(xù)增加，將進(jìn)一步降低DOP值。DOP的降低意味著用戶測距誤差(URE)可以增大，在系統(tǒng)對于鐘差、軌道的測定和預(yù)報(bào)誤差要求的嚴(yán)苛程度將降低的情況下就可以達(dá)到與目前GNSS系統(tǒng)相同的定位精度。

低軌導(dǎo)航系統(tǒng)各階段特征總結(jié)見表2。

表2 低軌導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展路線總結(jié)

4 發(fā)展技術(shù)路徑啟示與建議

目前的低軌導(dǎo)航系統(tǒng)具有如下發(fā)展特征。

(1)鑒于低軌衛(wèi)星低軌導(dǎo)航/增強(qiáng)系統(tǒng)的良好發(fā)展前景，目前規(guī)劃中的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)量已經(jīng)超過GNSS系統(tǒng)的數(shù)量。各個(gè)系統(tǒng)對于導(dǎo)航/導(dǎo)航增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)途徑不盡相同。未來低軌衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域必將面臨激烈的競爭，對我國低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)速度、服務(wù)水平提出了很高的要求。

(2)國外低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)初具服務(wù)能力，并且在特定的行業(yè)和場景獲得了應(yīng)用。我國國內(nèi)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前多數(shù)處于演示和在軌驗(yàn)證階段，技術(shù)和管理方面距離正式提供服務(wù)還有差距。

(3)鑒于系統(tǒng)的建設(shè)成本和技術(shù)難度，目前低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以增強(qiáng)為主、備份模式為輔，以較少的衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航性能的提升和備份。增強(qiáng)模式采用“信息+信號增強(qiáng)”的模式，多種手段綜合提升系統(tǒng)服務(wù)性能。考慮到系統(tǒng)建設(shè)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，低軌衛(wèi)星獨(dú)立導(dǎo)航系統(tǒng)目前還處于學(xué)術(shù)、技術(shù)研究階段，具備隨巨型低軌星座的部署而同步建設(shè)的潛力。

通過對國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的研究，結(jié)合我國國情，給出低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展路線建議，如圖6所示。

圖6 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展路徑建議

1)對于空間段

第一步：通過60～150顆低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)地球單重覆蓋。低軌衛(wèi)星可以是導(dǎo)航專用衛(wèi)星，也可以是具備裝載標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)航增強(qiáng)載荷的低軌通信、遙感衛(wèi)星。目前該階段建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)，多家單位都提出了相應(yīng)的建設(shè)計(jì)劃。

第二步：通過150～250顆低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對地球的雙重覆蓋，具備獨(dú)立定位能力，可作為GNSS的補(bǔ)充備份系統(tǒng)。同時(shí)具備和GNSS聯(lián)合服務(wù)的能力，預(yù)計(jì)在2025年前后實(shí)現(xiàn)。

對于第一步和第二步，可以采用統(tǒng)籌建設(shè)的方法，系統(tǒng)建成后同時(shí)形成增強(qiáng)和補(bǔ)充備份能力。

第三步：400顆以上低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對地球多重覆蓋，衛(wèi)星不依賴于使用低成本星上原子鐘、智能大規(guī)模運(yùn)維等關(guān)鍵技術(shù)，降低系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營成本，預(yù)計(jì)2035年前后實(shí)現(xiàn)。

2)對于地面段

地面段主要包括GNSS/低軌監(jiān)測站、GNSS/低軌數(shù)據(jù)處理中心，其他數(shù)據(jù)傳輸和業(yè)務(wù)管控等與現(xiàn)有地面設(shè)施復(fù)用。地面站建設(shè)充分利用現(xiàn)有資源，通過新增或者改造實(shí)現(xiàn)國內(nèi)10個(gè)監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)高精度偽碼、載波相位測量量收集，支撐高精度定軌和鐘差確定。

3)對于用戶段

終端采用通導(dǎo)一體化設(shè)計(jì)，根據(jù)可見北斗衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星數(shù)量，綜合收集觀測信息，自主選擇定位解算方法，支持多源融合定位，解算模式包括GNSS獨(dú)立定位、低軌獨(dú)立定位、GNSS與低軌組合定位以及復(fù)雜電磁環(huán)境下輔助北斗定位等模式。

5 結(jié)束語

隨著GNSS在民用、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展和深入，對GNSS系統(tǒng)要求越來越高，不僅需要縮短定位時(shí)間、提高定位精度、改善惡劣環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量，還要求利用其他各種手段實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航系統(tǒng)的備份能力。隨著國內(nèi)外各種低軌星座的日益興起，通過低軌衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航增強(qiáng)、備份，乃至獨(dú)立提供導(dǎo)航服務(wù)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。本文開展了低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究，提出了我國低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的建議，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可采用三步走的發(fā)展路線，融天基監(jiān)測、增強(qiáng)信息發(fā)播、增強(qiáng)信號發(fā)播于一體，綜合解決精度、可用性、安全性、收斂時(shí)間等需求，為全球用戶提供更優(yōu)良、更可靠的定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)服務(wù)。