低軌衛星導航系統建設與應用思考

文｜藺陸洲 鄧平科

1.全圖通位置網絡有限公司

2.中國移動通信集團有限公司研究院

時間與空間信息是智能化建設和信息系統穩定運行的基礎。全球導航衛星系統（GNSS）是提供時空信息的重要空間基礎設施，在國家經濟發展和社會運行中發揮著核心作用。隨著導航定位技術應用的擴展，各類信息系統對時空信息的要求也不斷提升，需要提高定位和授時精度、縮短定位時間、改善惡劣環境下的服務質量。在低軌巨型衛星互聯網星座陸續開展建設、衛星導航相關技術持續提升的背景下，開展低軌衛星導航系統建設成為了可能。在低軌衛星導航系統建設過程中，應當面向導航定位的用戶需求和應用場景開展系統建設。在廣泛需求調研的基礎上，根據用戶特點和使用場景，實現低軌衛星導航系統的功能收斂和技術指標的確定，進而完成系統的設計、建設和運行。

一、低軌衛星導航系統的特點與建設思路

1.特點意義

低軌衛星導航系統是指運行軌道一般在距離地面500～2000km之間，由多個衛星構成的提供導航、定位和授時等服務的大型衛星系統。低軌衛星導航系統具有距地近、信號優、低時延、拓撲變化快等優點，而且衛星數量一般在百顆以上，能夠較好實現對目標的持續覆蓋。定位精度高、收斂時間快是低軌衛星導航系統的重要特點。

在現有基于中高軌道衛星導航系統、地基增強系統已建設運行的基礎上，低軌衛星導航系統能夠實現信號強度的提升和精度的提高，并縮短收斂時間，形成對現有基于中高軌星座的衛星導航系統的補充、增強與備份，同時具備獨立提供導航、定位、授時服務的潛力。從技術上看，在各類低軌巨型互聯網星座持續建設的背景下，衛星的組批生產能力得到了保證，星座相對運動演化預報、星座自主導航與定軌、星座變構路徑規劃、星座自組織協調控制、星座通信與網絡服務等關鍵技術陸續突破。[1]同時，衛星導航技術在星座構型、信號體制、導航增強、導航通信一體化、星間鏈路與自主運行等方面都有明顯提升。[2]這些技術的進步都為低軌衛星導航系統建設提供了重要支持。低軌衛星導航系統的這些特點和意義使其有望成為國家綜合PNT 體系的重要組成部分。

2.建設思路

應用是衛星導航的出發點和落腳點，在已經完成北斗衛星導航系統建設的基礎上，需要利用軍民結合和商業航天的發展趨勢，開展我國低軌衛星導航系統建設。由于目前美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo 系統、中國北斗衛星導航系統等主要衛星導航系統，均由國家財政資金支持建設，在近期由國家重復投資建設低軌衛星導航系統存在較大困難。而且隨著商業航天在全球范圍內的蓬勃發展，根據應用場景以用戶需求為主導，按照商業航天模式建設低軌衛星導航系統成為系統發展的重要途徑。以商業航天的方式建設低軌衛星導航系統，要求低軌衛星導航系統的建設思路應當從用戶需求和應用場景出發，通過場景梳理和需求分析確定系統的功能，明確系統架構、星座設計、信號體制等系統的性能指標，在此基礎上開展系統設計并完成建設。同時，作為商業航天系統，在系統建成投入運行后，需要依靠應用獲得較好的收益，才能在資金上保障系統的穩定運行。低軌衛星導航系統建設思路如圖1 所示。

圖1 低軌衛星導航系統建設思路

二、低軌衛星導航系統應用需求

目前，低軌衛星導航系統在地圖測繪、交通運輸、能源水利、定位通信等方面展現出強烈的應用需求。對應用需求的梳理是確定低軌衛星導航系統架構與性能指標的基礎。

1.地圖測繪

地圖測繪以測繪工程公司、地理信息公司、測繪院和地圖生產服務廠商等高校、企事業單位為用戶，對低軌衛星導航系統在測繪裝備、測繪信息、地圖生產等方面提出了應用要求。測繪衛星能夠對地形地貌和各類設施進行基礎測繪，可在實現精確定位的基礎上對地形圖、影像地圖、數字高程圖等地圖進行繪制和修正。[3]地圖測繪業務需要利用高分辨率光學成像測繪和雷達干涉測繪技術，進一步提高衛星測繪的空間分辨率和時間分辨率。低軌衛星導航系統需要在國土測繪、交通運輸、城市規劃、資源普查、災害監測等部門的測繪工程應用中，面向國土資源調查、農業估產、林業調查、地圖測繪、海洋環境監測、城市土地利用等場景，滿足全球框架基礎測繪、重點地區詳細測繪和突發事件應急測繪的地圖測繪需求。例如，對軌道交通和重要公路的高架橋梁、隧道涵洞與保護帶進行掃描，識別基坑、建筑、設施、滑坡、泥石流等形變監測。在當前的測繪工程應用中，低軌衛星導航系統可以利用天地一體化信息系統的優勢，在技術上實現導航定位與遙感技術的融合，進一步降低測繪成本。

在測繪裝備方面，對當前使用的水準儀、經緯儀、測距儀、全站儀、衛星導航接收機、超站儀等現有大地測量儀器實現升級迭代，建立低軌衛星導航系統支持下、以智能手機和便攜式智能移動設備為核心的新一代智能測繪裝備，以更低的成本實現現有測繪裝備的功能，進一步降低測繪裝備的成本，構建測繪的新業態。

在信息獲取方面，低軌衛星導航系統需要在不增加測繪成本的前提下，能夠支持現有地理信息系統獲取包括高精度三維坐標、三維地形圖、地貌圖等更加豐富的地理信息，具備一個地理實體對象與多種地理實體的數據采集與處理能力。特別是針對當前自動駕駛對高精度地圖在高精度和更新頻率上的需求，建立在低軌衛星導航系統支持下面向實體數據的快速表達與分發能力。

2.交通運輸

交通運輸以客運公司、物流公司、中國郵政、交通運輸管理部門為用戶單位，對低軌衛星導航系統在物流運輸系統、無人機、航空器監視等方面提出了應用要求。在現有衛星導航系統不能支持高精度機械控制和低小慢航空器管理的條件下，低軌衛星導航系統在高精度實時動態導航和動態監測將會取得較好的經濟效益。

在交通與物流方面，地面交通與物流配送的快速發展使得交郵融合成為了交通運輸智能化的重點領域。2021年全國快遞達1085 億件，收入超1 萬億元，極大改變了人們的生活方式。[4]特別是隨著無人化交通與物流系統的迅猛發展，客運企業和物流企業為降本增效，均將發展聚焦于自動駕駛和無人化配送，以無人駕駛車輛為主的出行和無人機為主的配送將成為未來發展的重點。低軌衛星導航系統對無人化系統在地圖測繪業務的基礎上可以提供時空信息支持，實現在較低費用下海量無人化交通運輸系統用戶的個性化高精度作用需求。

在監控與管理方面，現有對交通運輸系統的監控管理手段不足，例如在航空監視方面，傳統航空器狀態監視采用二次雷達系統，協調的工作量大，且地基ADS-B 系統覆蓋還不完善。隨著無人交通運輸系統的增加，對重點區域的管理需要進一步加強。以無人機為例，2021年我國無人機實時飛行約3.86億架次，無人機實名登記達83 萬架。中國區域的無人化交通運輸系統至少需要跟蹤監視11000 個動態目標，全球范圍內至少為144000 個動態目標。[5]利用低軌衛星導航系統可以對低空空域、限高限速區域、禁入區域等重點地區的無人交通系統的運動狀態、路線進行跟蹤、預警和監視，記錄非法和違規的行為，輔助政府部門進行管理。

3.能源水利

能源水利以水庫大壩、石化油氣、電網場站等能源公司和管理部門為用戶單位，對低軌衛星導航系統在壩體形變、水位環境、輸油輸電管線與燃氣管廊監控方面提出了應用要求。對現有的監控手段進行進一步的升級，能夠滿足環境感知、資源調度指揮等業務對時空信息的需求，支持全天候、全天時、高精度、低成本的監測與控制。

在能源水利領域，我國輸電線路、油氣管廊和水庫大壩的數量眾多、分布范圍廣大，需要在現有使用無人機巡線的基礎上，應用成本更低的狀態感知手段。截至2021年底，全國電網35 千伏及以上輸電線路桿路長度為18.82 億米，35 千伏及以上輸電線路回路長度21.56 億米，220 千伏及以上輸電線路回路長度84 萬千米，電網規模位居世界第一。[6]同時，截至2021年底，我國油氣管道總里程達到16.5 萬千米，其中天然氣管道里程全球排名第四。[7]截至2021年底，全國已經建成了水庫水壩9.8 萬座，總庫容8983 億立方米，修建各類河流堤防43 萬千米，且80%為改革開放前修筑，經過多年運行，其中絕大部分處于病害高發危狀態，需要進行密切監控。[8]低軌衛星導航系統可以使用高精度定位匹配光學遙感監測線網和管廊周邊的環境變化和施工建設狀況，監測水體的水質、氮磷含量或水華等變化情況；使用微波遙感監測水庫和大壩形變狀況和水位變化情況。同時使用InSAR 技術監測地面沉降狀況。低軌衛星導航系統在能源水利領域的應用可以為企業和管理部門提供成本更低的解決方案。

4.通信導航

定位通信以游輪與海輪、特定區域通信為用戶單位，對低軌衛星導航系統在定位通信一體化方面提出了應用要求。需要系統在信號、信道、接收處理、網絡架構、網絡管理等多個方面支持通導一體化應用。[9]

在海洋定位通信方面，針對海運公司的遠洋貨輪和游輪，在現有海事衛星和定位終端應用的基礎上，提供成本更低的通信導航一體化服務。低軌衛星導航系統需要在實現高精度定位增強和位置報告的基礎上，提供雙向通信服務，能夠支持船上個人的低速網絡通信服務，船載CPE 高速通信服務，還能夠支持集裝箱、關鍵設施建工等船載物品的低速通信。

在特點區域定位通信方面，針對新疆、西藏等西部地區地廣人稀、建設地面通信系統成本高昂的問題，低軌衛星導航系統在實現高精度定位增強和位置報告的基礎上，能夠支持此類特定區域內個人、單兵電臺車載CPE 等特種設備的低速與高速通信，提供應急與安全服務專線服務。

三、低軌衛星導航系統構架與性能指標

以商業航天的方式建設低軌衛星導航系統，需要根據其在地圖測繪、交通運輸、能源水利、通信定位方面的應用場景，對低軌衛星導航系統的架構功能、性能指標開展研究設計。作為綜合性的空天地一體化信息系統，低軌衛星導航系統需要提供靈活的通信、敏捷的測繪以及可信的導航增強，通過天空地鏈路連接成一個一體化的互聯網絡，從而滿足高覆蓋率、高定位精度、高數據傳輸率的綜合任務要求。

1.系統構架

低軌衛星導航系統需要實現導航、通信與遙感的技術融合，以“一星多用，多星組網，星地協同，智能處理，組網傳輸，按需服務”為核心理念。[10]可以采用SDN/NFV/ISL 的技術，基于軟件定義衛星、星間鏈路及虛擬化技術構建在軌功能靈活可重構的云衛星星座。通過星間與星地鏈路實現在軌衛星的靈活配置，實現軟件功能與任務的再定義，最大程度地利用衛星的能力。在SDN 的基礎上，進一步采用網絡功能虛擬化技術（NFV）實現功能與硬件的分離。

2.星座與衛星設計

低軌衛星導航系統在星座設計方面采用混合星座，實現通信、導航、遙感一體化應用。星座優先選擇500 ～800km 的LEO 軌道支持通信、導航、遙感一體化功能的實現。同時可在8000 ～10000km 的MEO 軌道補充部署8 ～12 顆中軌衛星。一期建設可在780km 的LEO 軌道部署80 顆衛星，實現中國境內區域4 ～10 重的覆蓋。在衛星平臺方面，綜合應用100 ～400kg 的通用衛星平臺，通過靈活使用多波束天線、主被動激光反射器、激光與微波混合星間鏈路等載荷與技術，實現高精度定位、高時間分辨率與高空間分辨率的對地觀測、高通量低時延的通信、海量低功耗的物聯網通信等功能。

3.地面系統

低軌衛星導航系統的地面支持系統使用網狀通信，實現系統測控與運管的一體化，通過建設1 個時空大數據智能云中心和3 ～4 個測控/運控一體化站，兼顧地面接收與數據預處理，實現集約化的衛星在軌維護，同時根據用戶需求和任務需要，面向地圖測繪、交通運輸、能源水利用戶建設多個地面用戶數據中心提供專用服務。

4.性能指標

1）在導航定位方面，系統可利用星載微波+主被動激光載荷進行定位，利用衛星播發星歷進行初始對準和快速定位，利用雙向通信進行野外數據的快速傳輸。具有定位精度高、抗干擾能力強等優點，并可將激光雙向主被動星地測量用于地面設備定位，其技術指標要求為：廣播星歷精度優于1m，廣播星歷更新頻率優于1h，廣播星歷生命周期優于4h，星載激光載荷尺寸優于500mm。

2）在通信方面，系統需支持手機通信的衛星互聯網服務，具備手機直連能力，并支持基本的話音、短消息、中低速數據通信等基本功能。其技術指標要求為：衛星上行通信速率優于100kbit/s，接收靈敏度優于-140dBm；衛星下行通信速率優于1000kbit/s，天線口面發射功率優于41dBW。在高速通信方面，支持人員、車輛和輪船的應用，考慮人、車、船的狀態監控方面位置與狀態報告頻率優于1秒，星座系統在中國區域可支持1800 萬輛無人車、無人船和無人機及80 萬～100 萬人的高速通信。在低速通信與物聯網應用方面，位置與狀態報告頻率優于300 秒，星座系統在全球區域可支持1.2 億個低速終端，單星在應急通信方面支持2000 用戶的并發概率，星座系統在中國區域可支持1 千萬人的應急通信服務。

3）在遙感方面，能夠支持對業務對象的亞米級快速數據采集，高時敏性的動態調度，可以考慮部署小型化SAR 載荷。系統的技術指標為，空間分辨率0.5m@5km×5km；2m@20km；10m@100km。時間分辨率為30 分鐘內的數據快速處理與分發@星間鏈路支持。星上存儲容量優于10TB。對天面星間鏈路可采用Ka 波段星間鏈路，速率優于20Mbit/s@15000km，激光星間通信速率為10Gbit/s@5000km。具備星云網絡的數據解析能力。

四、結束語

隨著導航定位、衛星互聯網技術的發展和巨型星座建設工程實踐的推進，在一個星座中同時具備通信、導航、遙感等多功能的趨勢越來越明顯，以商業航天的方式建設低軌衛星導航系統，能夠在較短的時間內以更加高效的方式實現系統的快速建設與服務的提供。在低軌衛星導航系統的建設中，必須克服系統功能單一、衛星成本高、應用效益低等問題，根據應用場景的需求確定系統的功能架構與性能指標，開展系統的設計、建設和運營，以行業應用為牽引，逐步擴展到大眾應用。在此思路下開展低軌衛星導航系統的建設，將成為我國綜合PNT體系的重要組成部分，具有廣闊的發展空間。