導航通信融合定義、方式與典型系統

倪少杰，黃新明，張鵬程

(國防科技大學電子科學學院，長沙 410073)

0 引言

目前，國際上有四大全球導航系統和兩大區域導航系統。這些系統正以前所未有的滲透力影響著各行各業，但隨著用戶需求的不斷發展和復雜環境下的應用拓展，衛星導航面臨著巨大挑戰。衛星導航在各種復雜環境下，已經不能滿足用戶的個性化定位需求，為了適應各種精度、完好性等需求，發展了衛星導航及各類增強系統，但均不能滿足目標在各類復雜環境下的應用。

對于未來的空間信息系統，導航通信融合是發展的大趨勢，導航通信深度融合是智能時代設施升級的必然要求，未來應實現定位、導航、授時、遙感、通信五位一體組網，共同打造空間信息網絡。導航與通信深度融合同時也是綜合定位導航授時(Positioning，Navigation and Timing，PNT)體系的關鍵支撐技術，作為空間信息網絡的2個核心基礎技術，導航與通信可以提供時空基準信息和連接通道。導航通信深度融合已經成為衛星導航和通信領域的研究熱點。導航通信融合是指通過信號、設備及功能等不同角度實現導航和通信技術的融合，進而實現導航和通信系統間的優勢互補和增強。

1)通信可以增強導航的性能，擴大PNT覆蓋范圍，提高導航的精度、功率和提供輔助信息，同時可以作為系統備份，在全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)被拒止后繼續提供PNT服務。

2)通信可以提升PNT服務的智能化，利用通信系統對PNT原始信息進行收集，通過大數據挖掘提煉PNT信息統計規律，進一步提升PNT服務的性能，包括加強戰場感知、實現戰場無縫隙感知、實施全程透明化指揮、構建起全維預警體系；實現智能控制，實現武器裝備智能化控制和武器裝備物聯網管理；加強精確作戰保障，做到生命體征動態監測、物流體系高效運轉。

1 衛星導航通信融合架構與方式

1.1 導通融合架構

通導融合體系旨在打通衛星、導航之間的信息橋梁，利用天地互聯、統一基準實現時空融合，利用數據挖掘、智能處理、協同傳輸，實現在任何地方、任何時候的信息獲取、高精度定位授時、多媒體通信服務以及通信、導航衛星系統與地面系統之間的智能化集成應用。

導通融合架構主要有4個方面：以時空基準融合為前提，以硬件平臺融合為基礎，以信息協議融合為核心，以傳輸波形融合為深度融合的關鍵，共同構成導通融合架構，如圖1所示。時空基準是導航和通信系統融合的基礎，是構建空天地水一體化信息網絡的前提。時空基準融合通過打通導航通信遙感融合的時間戳，以衛星導航為核心構建，與通信系統完成時間同步與溯源，實現時空基準融合。

圖1 導通融合架構Fig.1 Navigation and communication fusion architecture

1.2 導通融合方式

從導通融合的技術層面進行劃分，分為波形融合、信息融合和硬件融合，如圖2所示，其中波形融合和信息融合也會同樣驅動硬件融合，這里著重介紹信息融合和波形融合。

圖2 導通融合Fig.2 Navigation and communication fusion

(1)硬件融合

硬件融合是指在架構層面將系統實現和應用實現兩者進行組合，是導通融合架構的基礎。硬件融合的關鍵平臺是衛星載荷，衛星載荷集導航、通信、遙感等功能于一體，相互組網，實現多維度信息的實時獲取與融合應用。

硬件平臺融合的重要一環是多源融合終端與應用終端相互通聯融合，是導航通信遙感融合應用的基礎。

(2)信息融合

信息融合是指在協議層面將導航和通信進行一體化設計，是導通融合架構的核心。在未來的導航設備中，GNSS+慣導深組合會成為一個基礎標準組合，通信系統的信息輔助會進一步提升深組合的精度和靈敏度。

通信慣導輔助下的導航性能受輔助信息的精度等級與信號特性兩者的共同影響，如圖3所示，具體影響程度如表1和表2所示。

圖3 慣導與通信系統提供的輔助信息Fig.3 Auxiliary information provided by inertial navigation and communication systems

表1 通信輔助的信息精度等級

表2 慣性器件輔助的信息精度等級

捕獲靈敏度有約10dB左右的提升，跟蹤靈敏度最多有約15dB左右的提升，靈敏度分析結果如表3和表4所示。

表3 捕獲靈敏度

表4 跟蹤靈敏度

導通融合可以提升導航接收機的抗欺騙性能，利用通信與慣導提供的輔助信息可以與衛導測量值進行交叉驗證，以提高接收機識別欺騙干擾的能力。通信與慣導提供的輔助信息不僅能提高衛導接收機的靈敏度和拒止欺騙信號干擾的能力，還能在深組合中提供可信的頻率輔助，有效防止接收機跟蹤到欺騙信號，從而提高接收機抗欺騙干擾的能力。針對不同的欺騙攻擊場景也有不同的抗欺騙方法，如表5所示。

表5 欺騙攻擊場景與抗欺騙方法

通過分析非飽和壓制干擾對接收機等效載噪比的影響并與接收機靈敏度進行對比，計算出干擾有效作用范圍，重點分析捕獲和跟蹤薄弱環節，判斷輔助信息對抗干擾能力的提升。

在陣列抗干擾能力為90dB的情況下，隨著輔助性能的提升，干擾有效作用范圍大幅縮減至常規武器可打擊范圍內，結果如表6和表7所示。

表6 捕獲階段干擾有效范圍

表7 跟蹤階段干擾有效范圍

(3)波形融合

波形融合是指在物理信號層實現導航和通信的深度融合，是導通融合架構的延伸。在系統頻點和帶寬選定后，波形融合需要考慮的是針對導航和通信的具體需求進行時間、頻率帶寬以及功率的分配，可以有三種模式，如圖4所示。

圖4 三種波形融合方式的信號圖Fig.4 Signal diagram of three waveform fusion methods

1)時分導航信號：周期播發短突發導航信號；

2)頻分導航信號：設定獨立導航信號播發帶寬；

3)寬帶功率控制導航信號：在通信信號上疊加高帶寬低功率導航信號。

三種波形融合方式是在頻率帶寬一定的條件下實現導航性能和通信性能的平衡，但相較于完全獨立的導航信號，在性能上存在相應的折中，需深度結合需求進行相應選擇，如表8所示。

表8 三種波形融合方式性能

2 典型導通融合系統

2.1 5G室內定位

針對室內應用的主要場景，對于定位的需求在于高精度(厘米級)、低成本、低功耗以及云端信息收集。

厘米級的室內定位主要依靠超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術、視覺和慣性器件共同實現，如圖5所示。

圖5 室內厘米級定位的無線電解決方案Fig.5 Radio solution for indoor centimeter-level positioning

基站通過UWB信號和定位標簽進行通信，實現標簽的定位功能；待定位的人員、資產上需佩戴室內定位標簽。標簽發射UWB信號，與基站相互通信，使標簽自身被定位；定位引擎運行定位算法，實時計算出待定位標簽的坐標位置；定位引擎計算出的標簽坐標可在顯示終端上呈現。

UWB定位技術一直在快速發展，蘋果公司欲把UWB技術集成到手機芯片中，UWB會成為類似于WIFI類的基本定位設施，其技術指標如表9所示。

表9 UWB的技術指標

5G基站布設密度大，基站時間同步精度為1.3μs，但從定位信號頻段和時隙的設計上，其能夠達到的定位精度低于UWB信號體制，需要重新審視將5G作為室內定位的主流解決手段的觀點，深化5G在典型應用場景下的定位性能和成本等分析，同時還要關注未來智能應用的使用模式，智能車道+智能車、智能場景配置、視覺+慣導的發展。

2.2 導航與低軌衛星系統

北斗+低軌衛星的導通融合功能有如下分類：

(1)基于低軌衛星的BeiDou增強系統

導航增強信息播發，構建廣域高性能導航增強系統。

(2)基于低軌衛星的BeiDou備份系統

低軌衛星平臺增發導航信號，提升導航系統遮擋、拒止環境下的生存能力；

構建多軌道衛星聯合平臺，提升導航系統的自主運行能力。

(3)基于低軌衛星的PNT信息驗證

如圖6所示，可以利用低軌衛星通信功能，結合多種信息源形成PNT信息驗證能力，提高抗欺騙性能。

圖6 低軌導通融合系統+GNSSFig.6 Low orbit navigation and communication fusion system plus GNSS

通過導航與低軌衛星一體化設計可以實現更大范圍內的通信，可以覆蓋海洋和人員稀少地區；可以增強導航信號，提升導航系統抗干擾欺騙能力；可以支持快速地整周解模糊，實現高精度定位；可以降低整體系統建設成本，提高頻譜利用率。

導航與低軌衛星一體化建設也面臨著許多問題，兩者所需的覆蓋性不同，通信僅需單覆蓋，導航需多重覆蓋，對衛星數量以及天線的設計要求也不同；在頻譜設計上，通信設計目標是提高通信容量，導航信號需要提高測量精度，而一體化設計的重點是頻率資源、時間資源以及功率資源的分配；通信系統對低軌衛星的時間頻率同步要求不高，但導航服務要求低軌衛星具備精確的時鐘；導航系統通常采用廣播信號，從而服務更多用戶，而通信系統需要進行雙向通信，實現點對點通信。

3 結論

衛星移動通信和衛星導航融合已經成為不可逆轉的發展趨勢，國外先進國家大多建立了大容量、系列化和小型化終端的衛星移動通信網絡，為其國家經濟發展提供通信保障。終端具備衛星通信、地面通信、衛星導航等一體化功能(即天地一體、通導一體)，可同時提供通信服務和位置服務。

目前，我國正推進空間基礎設施建設，當前面臨的問題是我國現有的導航、通信衛星系統各成體系、軍民孤立、信息分離、服務滯后。北斗導航衛星具有短報文通信能力，但不具備寬帶數據傳輸能力；通信衛星尚無自主的業務化衛星移動通信系統，對導航等天基信息的傳輸保障能力受限；且在服務模式方面主要面向專業用戶，尚未服務大眾。

因此，隨著衛星系統的快速發展，導航與通信深度融合技術將得到進一步發展，導通融合是一個多應用場景、多需求、多系統的復雜問題，無法用一套方案解決導通融合，需要對通信系統進行梳理，結合典型應用場景和需求，明確具體系統的改造方案和發展圖景，主要體現在：

1)如何一星多用、多星組網、天地互連、多網融合，讓系統聯通起來，實現天地一體化的網絡，實現全球陸、海、空、天無縫通信與導航。

2)統一基準、關聯表征、數據挖掘、知識發現，實現時空與信息融合；需要研究星地協同、組網傳輸、智能處理、按需服務，讓服務暢通。

3)通信與導航信號一體化設計，信號層的深度融合，實現信號的統一處理和應用的深度融合。