基于低軌星座的PNT性能提升技術與能力分析

盧鋆 宿晨庚 呂飛仁 姜坤 楊曉珩 唐成盼

(1 北京跟蹤與通信技術研究所,北京 100094)(2 中國電子科技集團公司第二十九研究所,成都 610036)(3 中國科學院上海天文臺,上海 200030)

全球衛星導航系統的技術發展和應用產業極大地牽引了衛星導航發展需求,使各衛星導航國家愈加關注更高精度、更加可靠的PNT服務。我國北斗三號全球衛星導航系統已經建設完成并順利提供服務。如何進一步提升衛星導航系統的服務能力以及提供彈性PNT服務能力成為未來工作重點。綜合PNT體系建設中也明確提出了以北斗為核心,多手段融合的體系建設新架構[1]。為形成高性能和彈性PNT新能力,發展相互賦能、有效互補的融合增強和備份定位手段成為未來綜合PNT體系建設的重要組成部分[2]。

低軌星座具備運行速度快、信號傳輸路徑短、功率損耗低等特點,受到世界衛星導航領域的關注和青睞,有望成為新一代衛星導航系統發展的新增量。利用低軌星座實現PNT能力提升,主要有兩方面貢獻:一是導航增強,重點提升空間信號精度、完好性、安全性、加快精密單點定位(Precise Point Position,PPP)收斂速度等;二是提供彈性應急PNT服務,在衛星導航系統短時區域拒止情況下,通過非導航頻段,如通信頻段信號為GNSS提供彈性備份能力。具體有三種實現方式:①可通過低軌導航衛星平臺及軌道設計,播發與GNSS兼容互操作的導航增強信號;②可利用低軌通信衛星播發導航通信(導通)融合信號;(二者均可實現導航增強,主要區別是播發信號頻段不同,播發信號與GNSS兼容互操作性能不同,最終實現的代價和效能也有區別)③在低軌星座規模較大時,低軌星座如希望獨立提供定位導航授時服務,則星座規模要保證全球至少四重以上均勻覆蓋且具備良好的空間位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)值,同時,也需要高精度時空基準獨立建立與維持、巨型星座運行維護和終端適應低軌衛星頻繁切換。第三種方式星座規模大、低軌獨立定位需求不顯著,見諸文獻較少,本文重點討論前兩種方式,現有文獻[3-9]分析了低軌衛星導航增強能力,文獻[10-13]對低軌導通融合實現導航增強和彈性PNT服務開展了研究,尚未有論文綜合全面分析兩種低軌導航增強的能力特點、關鍵技術和實現代價。本文旨在系統闡述基于低軌星座的PNT性能提升能力,并深入分析對應的關鍵技術和實現代價,以此提出低軌導航發展的相關建議。通過本文研究,有助于進一步探索低軌星座的潛力,促進衛星導航系統的發展,并為低軌PNT性能提升技術的研究和應用提供參考。

1 國內外低軌研究現狀

國內外對低軌衛星開展了大量研究工作,如表1和表2所示?？傮w來看,美國肖那(XONA)、真點(TrustPoint)低軌導航增強系統和國內的微厘空間系統等,采用了低軌導航衛星平臺及軌道設計,星上實現含導航頻段在內的導航增強。美國的星鏈系統和國內的虹云系統等,重點基于通信星座的導通融合,可實現彈性PNT服務。

表2 國內部分低軌導通融合星座Table 2 Fusion constellation of LEO satellites in China

1.1 國外低軌導航增強研究情況

美國計劃在現有銥星通信系統中,增加廣播授時和導航信號的載荷能力,備份現有GPS能力[14]。根據美國2016年發布的授時和定位服務白皮書,銥星定位精度僅能達到20～50m,所以美國將銥星星座最終定位于靜態定位和授時[15]。星鏈是美國SpaceX公司的項目,旨在通過約4.2萬顆衛星組成的“星鏈”網絡提供互聯網服務。國外學者對星鏈衛星信號進行盲捕,并通過載波跟蹤的方式進行測距,三維定位精度最終能達到33.5m;在高程輔助條件下靜態水平定位可達10m,但這需要通過較大口徑高增益相控陣天線,保障多星的快速切換接收,并通過靜態長時間接收累積[16]。SpaceX公司隨后投資了美斯坦福大學設計研發的肖那低軌導航增強系統,計劃2026年前建成面向高精度領域的低軌衛星導航星座[17]。2023年4月14日,美國初創公司的真點系統發射首顆商業資助的PNT低軌導航增強衛星, 名為“是時候了”(It’s About Time),開展低軌導航增強星座的先期驗證。該星座利用低軌星座高動態和高功率的特點,以低成本實現安全的分米級高精度PNT服務,可提升GPS服務的定位性能、安全性和可靠性。

2022年,俄羅斯國家航天集團(Roscosmos)宣布,俄羅斯聯邦政府已批準聯邦“Sphere/Sfera”(球體)多衛星軌道星座項目,用于衛星定位導航、地球監測和通信[18]。英國脫歐后曾考慮利用一網(OneWeb)通信系統替代伽利略系統,但由于無法提供準確的定位服務,2022年宣布放棄。歐洲航天局(ESA)部長理事會于2022年宣布“未來導航”(FutureNAV)專項計劃,通過投資商業航天企業,研制并發射12顆低軌導航衛星,與中高軌導航衛星協同工作,進一步驗證基于低軌導航星座的快收斂、高精度、高安全、高完好性等關鍵技術[19]。加拿大Telesat計劃部署298顆低軌通信衛星,采用了極地軌道和傾斜軌道的混合星座,播發Ka頻段的通信信號,同時可通過多普勒定位的方式提供備份的定位服務。2023年慕尼黑導航峰會,印度介紹了其低軌衛星發展意向,通過8顆可見低軌通信衛星,采用多普勒定位的方式可實現20m以下的定位精度。阿聯酋在國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)第18次609磋商會議中加入了其低軌試驗衛星NSAT01.001資料,后續將發展12個軌道面,每個軌道面8顆衛星的低軌星座,以實現通信和導航備份能力。

1.2 國內低軌導航增強研究情況

在基于低軌衛星實現PNT性能提升方面,我國學者也開展了相關研究以及在軌試驗。多位學者對低軌衛星提升完好性、優化衛星幾何構型、提升精密單點定位性能等方面開展了仿真研究。微厘空間采用低軌導航衛星平臺及軌道設計,開展了低軌導航增強在軌驗證,為形成高性能PNT能力積累了關鍵技術突破和工程建設經驗[20]。我國國家衛星互聯網系統正式啟動建設,也充分考慮了通信導航協同發展需求,可通過導通融合實現移動通信與導航定位相互賦能。

2 低軌星座對PNT能力提升

低軌衛星位于低地球軌道,軌道高度一般在100～1200km。相較于GNSS,低軌衛星具備以下獨特的優勢:①制造與發射成本低,低軌衛星質量輕,可通過一箭多星等方式發送,單顆全球衛星導航系統衛星的平均制造與發射成本相當于幾十顆甚至數百顆低軌衛星的成本;②信號傳播損耗小,抗干擾性能強,低軌衛星信號傳輸路徑短,傳播損耗小,相同發射功率情況下,落地功率比中高軌衛星高1000倍,可顯著改善復雜地形環境和電磁環境的定位精度,提升抗干擾和反欺騙能力;③運動速度快,高精度定位收斂時間短,低軌衛星繞地球旋轉一周時間遠小于中高軌衛星(飛行速度6～8km/s),幾何構型變化比中高軌衛星快40倍左右,易于高精度定位快速收斂[5-6]?；诘蛙壭l星這些獨特的優勢,低軌衛星逐步形成了導航增強和實現彈性PNT兩種PNT性能提升能力,如圖1所示。

圖1 基于低軌星座對PNT能力的提升Fig.1 Navigation augmentation capabilities based on LEO constellations

2.1 導航增強服務

低軌衛星搭載星載GNSS接收機,并播發導航信號,可實現導航增強服務,主要包括全球天基監測和全球準實時高精度等。

1)全球天基監測

全球天基監測是利用全球組網的低軌星座對GNSS衛星實時觀測、實時處理并提供性能分析與評估的一項服務。該服務將使GNSS空間信號精度、完好性等指標得到大幅提升。

(1)空間信號精度提升

低軌衛星搭載星載GNSS接收機形成天基監測站,與地面監測網相比較,低軌衛星接收GNSS衛星信號時所受電離層、對流層影響較小,具備跟蹤弧段長、多重覆蓋和多路徑效應小等優點,可以明顯改善GNSS衛星觀測幾何構型。因此,聯合地基與低軌監測站數據,通過高中低軌衛星聯合精密定軌與鐘差處理,可提高GNSS軌道以及鐘差解算精度,有效彌補地基監測網在空間覆蓋上的不足[21]。表3顯示了高中低地聯合定軌的仿真評估情況。加入12顆軌道傾角為55°的低軌衛星后,利用文獻[4]的方法計算平均軌道測量誤差(User Range Error, URE)和空間信號測量誤差(Signal-In-Space Range Error,SISRE),高中低地聯合定軌后北斗衛星的URE提升到0.012m,SISRE提升到0.118m。

表3 高中低地聯合定軌精度評估Table 3 Accuracy evaluation of combination orbit determination m

(2)全球完好性增強

低軌星座衛星之間配備星間鏈路,具備高速、大容量、實時傳輸信息能力,可支撐導航信息常態化、低延遲、高并發傳輸,實現全球范圍內低軌星載GNSS接收機整網觀測數據實時下傳以及星座整網數據同步。借助低軌星座全球分布以及常態化運行的“信息高速公路”,理論上可將完好性告警時間縮短至6s以內,符合一類精密進近(CAT-I)指標,實現相比于傳統導航星座更高等級的完好性服務[4]。低軌衛星配置SAIM載荷,可一定程度保證自身完好性,對中高軌衛星全球五重覆蓋,可容忍雙故障。仿真分析軌道傾角為55°,星座分別為Walk 30/3/1、Walk 33/3/1、Walk 36/3/1的LEO衛星對北斗衛星的覆蓋重數,如表4所示。其中,33顆LEO衛星則可實現對中高軌衛星全球五重覆蓋,實現完好性監測。

表4 全球完好性仿真情況Table 4 Global integrity simulation

2)全球準實時高精度

全球快速高精度定位服務的關鍵點在于:①導航衛星增強信息的播發,根據香農定理,信道容量與信噪比正相關,低軌衛星信號落地功率高,因此可播發更高速率的增強信息;②GNSS信號結合低軌衛星測距信號可以改善衛星幾何構型變化,降低參數間耦合性,從而縮短精密定位所需時間,實現全球快速高精度定位。搭建仿真場景,驗證低軌星座對精密定位的提升情況。仿真星座為北斗三號空間星座疊加144顆1100km高度的近圓低軌衛星組成的空間星座,其中低軌星座為平均分布于12個軌道平面的Walker星座,軌道傾角為55°。仿真場景構建參數見表5。

表5 仿真參數Table 5 Simulation parameters

加入低軌星座前后,站心坐標系中的東向(E),北向(N)和天向(U)的定位誤差如圖2所示,圖中地面站選擇為位于中國武漢的接收機。加入低軌星座后,厘米級定位精度的收斂時間由20min提升到小于1min,可顯著提升用戶體驗,擴展高精度定位應用場景。

圖2 高精度收斂情況Fig.2 High precision positioning convergence

3)基于導航增強信號的可信認證

衛星導航系統通過接口控制文件公布信號的細節,推廣了衛星導航的應用,但是也使得信號面臨被偽造攻擊的威脅。隨著衛星導航應用越來越廣泛,時空信息的可信度變得越來越重要,可信認證正逐步成為GNSS設計發展的趨勢。

通過低軌導航信號可實現對GNSS信號的認證,主要認證方式有電文認證和擴頻碼認證兩種[22]。電文認證常用的TESLA認證,通過在低軌導航信號中發送GNSS電文密鑰信息,擴頻碼認證是將GNSS信號的部分偽碼加密,然后通過低軌導航信號發送密鑰信息,二者主要目標是使干擾方無法進行生成式欺騙[23]。

2.2 彈性PNT服務

彈性PNT服務是指不依賴GNSS的獨立定位授時或者對GNSS服務的可信認證。在導航頻段短時區域拒止的情況下,低軌通信衛星通過信息傳輸鏈路可快速播發可信認證信息,告知用戶GNSS信號的可信狀況。同時,低軌衛星通過播發導航頻段以外的信號,可為用戶提供備份服務。

1)導航應急備份服務

衛星導航信號所在信號頻段是公開的,在傳統GNSS信號短時區域拒止情況下,用戶終端可利用導通融合信號實現獨立于GNSS的降階備份導航。低軌星座實現降階備份導航的主要工作模式是:用戶終端識別衛星導航信號不可用的告警信息后(可通過可信認證等手段實現),轉為使用低軌衛星播發的導通融合信號實現獨立導航(導通融合信號所在頻段未受到干擾)。目前,L頻段、S頻段(2～4GHz)被廣泛應用于衛星移動通信,無線電測定業務、無線電測控鏈路等,頻譜資源較為緊張。Ka頻段(27～40GHz)帶寬資源多,可支持更大的業務容量、信號增益大,成為了寬帶互聯網的優先選擇。低軌衛星利用寬帶互聯網Ka頻段播發導通融合信號,信號頻率帶寬可達到3GHz,落地功率比傳統導航信號高30dB,使信號的抗干擾能力極強,可作為我國北斗導航授時服務的備份手段,大幅拓展定位授時服務應用場景和范圍,提高服務可靠性和連續性。導通融合信號以通信無失真高速傳輸為前提,在低軌衛星低成本,大規模的約束下,定位能力有限,提供導航降階備份服務。分別選取兩顆低軌衛星對單星定位進行仿真,其中低軌衛星軌道高度1150km,軌道精度1m,多普勒觀測精度為1Hz,經過長時間收斂后,單星定位精度可達到50m以下的定位精度,實現降階的導航服務,如圖3所示。

圖3 單星定位性能Fig.3 Single satellite positioning performance

2)基于通信信號的可信認證

基于低軌通信信號也可實現對GNSS信號的可信認證。在電文認證中,導航信息的低符號率限制了電文認證的安全性,可能面臨重放攻擊的威脅。擴頻碼認證可免疫重放攻擊,但是需要向接收機授權密鑰分配或存儲信號樣本,對通信容量或存儲能力提出了要求。低軌通信信號通過通信高速傳輸鏈路,可提高信息播發速率,提升電文認證的安全性,同時也解決了密鑰分配通信容量問題,能夠及時有效的為用戶提供可信認證服務。

3 低軌導航增強關鍵技術

低軌星座為用戶提供導航增強和彈性PNT服務,前者重點是性能提升,一是要接收GNSS信號完成全球天基監測,二是播發與GNSS兼容互操作的導航信號,可大幅改善用戶終端兼容性,提升應用范圍;后者突出彈性服務,通過非導航頻段信號提供降階備份服務,關鍵在于導通融合信號設計與終端接收處理。

3.1 導航增強關鍵技術

1)星載GNSS接收及處理技術

低軌衛星實現導航增強,首先要建立與GNSS統一的時空基準?？紤]到低軌衛星低成本、大規模的特點,在低軌衛星上搭載高穩晶振,并通過星載GNSS接收機向中高軌GNSS衛星溯源,是解決低軌衛星時空基準問題的理想解決手段。

低軌衛星運動速度快,接收GNSS信號多普勒大,給星載GNSS接收帶來一定的挑戰,需要綜合權衡環路帶寬和測量精度需求,通?？梢圆扇討B環路參數或者輔助跟蹤的方式。除此之外,星載GNSS處理技術涉及到低軌衛星精密定軌與鐘差解算,主要方法包括星上自主定軌與地面聯合定軌兩種。星上自主定軌技術是利用GNSS星載接收機數據以及地面上注的GNSS增強信息,實現低軌衛星的精密定軌與鐘差確定;此方法一般采用星上精密單點定位+動力學的方式,由每顆衛星自主計算各自軌道和鐘差,適合超大型低軌星座的時空統一與維持。地面聯合定軌技術實時傳輸星載GNSS接收機數據至地面信息處理系統,由地面信息處理系統實現高精度軌道與鐘差解算,如圖4所示。

圖4 星上自主定軌與地面聯合定軌Fig.4 On-board autonomous orbit determination and ground joint orbit determination

2)低軌導航增強信號體制設計

導航頻段和通信頻段的低軌信號均可實現導航增強,但導航頻段的低軌信號對傳統中高軌GNSS信號可較好兼容與互操作。為在用戶接收終端層面實現良好的兼容共用,低軌導航增強應重點選擇導航頻段的信號,適當兼顧通信頻段播發。設計低軌導航增強信號,需要綜合權衡載波頻率、調制方式、碼速率和電文編排等因素[24]。

低軌導航增強信號的載波頻率設計需要滿足頻率資源和ITU規則約束,同時需要考慮與已存同頻帶業務(或鄰近頻段業務)的兼容性與互操作性。目前1575.42MHz和1176.45MHz是兼容互操作主用頻段,可作為推薦的低軌導航增強信號頻段。

調制方式決定了導航信號功率譜包絡形狀,從體制上對于碼跟蹤精度、抗干擾能力、多徑誤差、兼容性方面起到決定性作用。GNSS引入了先進的BOC類調制方式,在設計靈活性和兼容性、測距精度等方面有一定的提升。但先進的調制方式提升了實現復雜度。低軌導航增強信號調制方式的設計需要綜合權衡性能提升與實現復雜度。

碼速率在一定程度上決定了信號的功率譜密度,進而決定了信號跟蹤精度、抗多徑能力和抗干擾能力。碼速率的選擇需要在測距性能和終端成本、功耗、體積之間進行權衡,并兼顧到系統間的兼容性和互操作性。

導航電文設計方案的優劣將直接影響系統的通信資源的利用率和電文結構的可擴展性。低軌導航增強信號落地功率高,具備更強的通信容量。同時考慮到低軌導航增強需求,低軌導航增強電文應包括基本導航信息、衛星歷書、中高軌衛星星歷鐘差改正數、以及中高軌衛星精密星歷鐘差等信息。

3)同時同頻干擾抑制技術

低軌衛星接收GNSS信號,同時向地面輻射導航頻段的增強信號。星載接收機天線口面GNSS信號強度遠低于導航增強信號。因此,增強信號對星載接收機是同時同頻的強干擾,應通過干擾抑制技術保證星載接收機的正常工作,如天線隔離、射頻和數字干擾抵消等[25]。

天線隔離是一種有效的被動干擾抑制方法。天線的旁瓣抑制可以對星載接收機天線口面的干擾信號進行有效的抑制,其隔離度主要受到天線、衛星布局等影響。

射頻干擾抵消是一種特征模擬技術。將干擾信號的特征信息傳遞到星載接收機,星載接收機對干擾信號進行特征模擬,得到與干擾信號延遲和功率相同,而相位相反的本地信號,隨后在射頻端將模擬信號與接收信號進行合成,可抑制大部分的干擾信號。

殘留的干擾信號可通過數字干擾抵消進行處理。數字干擾抵消主要采用信道估計和自適應濾波等算法。干擾殘留信號通常是非高斯的,相近采樣值之間具備較強相關性,所以可利用樣本對殘留信號進行預測,然后將預測信號與接收信號進行合成,以達到干擾抑制的目的。

3.2 彈性PNT關鍵技術

1)導通融合信號體制設計

導通融合信號體制設計是導通融合的核心部分,也是兩者融合程度的集中體現。通信衛星的核心業務是實現信息的無失真高速傳輸,所以導通融合信號的設計,應以通信受影響程度可控為前提,適度融合導航信號,以免導航能力有限,而通信能力過度降級。

根據對無線信號時頻資源的分配方式,可將低軌導通融合信號分為時分、頻分、功分、復合等方式[26]。時分體制是指通信和導航信號共用整個頻段,但在通信的空閑時隙播發導航信號。其優點是對通信無影響,且導航信號的Gabor帶寬較大,測距精度高。但由于導航信號在時域上不連續,且不均勻,難以實現穩定的PNT服務。頻分體制中,導航和通信信號分別占據部分頻段,優點為導航信號是時域連續信號,可以實現信號穩定跟蹤,但由于信號帶寬較小導致測距精度有限。功分體制是指導航信號在時域和頻域上均連續,但功率譜密度比通信信號低。導航相對于通信信號引入了額外的白噪聲,將引起通信信號載噪比下降,可能引起通信誤碼問題,所以導航信號功率必須受限,不能獲得通信信號高功率播發帶來的好處。復合體制的特點是導航信號占據特定帶寬,在時域上采用獨立時隙。其優點在于導航信號占用資源少,銥星STL信號即采用這種體制[27]。該方式對原有通信體制改動較少,僅需在已有系統上進行改進升級,其缺點是收斂后定位精度僅能達到50m以內,可作為導航降階備份。

2)導通融合信號定位技術

通信衛星覆蓋重數與星座規模有關,在星座規模不能滿足全球至少4種以上均勻覆蓋時,需考慮單星情況下的定位技術。單星多普勒定位是通過累計一段時間內的多普勒觀測量進行最小二乘解算來獲得位置的最優估計。傳統單星多普勒定位算法往往要求載體處于靜止狀態。通過累計一段時間的觀測量來進行定位解算。對于運動載體來說,由于載體位置時刻變化,其待求解未知量個數也隨著觀測量的增加同步增加,這時則需要引入慣性測量信息,采用單星多普勒/INS緊組合體制來估計位置參數。慣性器件作用是對不同時刻的位置建立聯系,從而提高整個組合導航系統的可觀測能力。組合導航系統一般采用卡爾曼濾波算法進行導航解算[28],卡爾曼濾波需要量測噪聲滿足高斯白噪聲假設,考慮到在復雜電磁干擾環境下觀測量噪聲非高斯化問題,需要對卡爾曼濾波算法進行改進,結合廣義極大似然估計理論設計魯棒濾波器量測更新過程,對濾波殘差進行魯棒加權,根據加權結果分配濾波增益,提高擾動環境下組合導航精度。此外,在星座規模滿足四重獨立定位條件下,可以通過配置獨立的導航載荷,由低軌通信衛星播發導航測距信號,用戶在一個時間歷元接收多個測距信號,通過比較信號接收時延和解調信號給出的星歷和鐘差,實現標準非線性偽距定位。

3)彈性終端融合設計

低軌彈性終端接收導通融合信號,相對于GNSS終端設計更加復雜,對算法魯棒性和穩定性要求更高。導通融合終端關鍵技術的突破能有效提高備份定位授時服務的精度和可靠性,進一步完善終端應用型譜。

多普勒定位難點在于導通信號通常為突發式信號,持續時間為毫秒量級,采用鎖頻環和鎖相環處理很難保證跟蹤狀態穩定,導致直接從鎖頻環中提取多普勒測量值噪聲過大,影響后續定位精度。由于采用單星多普勒定位體制通常需要累計幾分鐘觀測數據才能進行定位授時,通過對一段時間內同一顆衛星的多普勒觀測數據進行后處理,平滑觀測數據噪聲,可間接提高觀測數據精度[28-29]。

定位授時的難點在于突發式信號跟蹤環路并不能連續穩定地跟蹤信號,在信號出現或消失時量測數據往往會存在跳變,影響定位授時精度。因此需要采用改進定位授時算法,利用數據跳變產生的殘差異常進行數據權重分配,抑制異常數據對定位授時結果影響,提高導航終端定位授時服務的精度和魯棒性。

4 低軌導航增強實現途徑

低軌衛星實現導航增強主要有兩種實現途徑,分別是低軌導航增強和基于低軌通信衛星的導通融合。兩種實現途徑均可實現導航增強,導通融合還可實現導航降階備份,但是能力特點各異,載荷和終端的實現代價也不同,如表6和表7所示。

表6 導航與通信衛星比對分析Table 6 Comparison analysis of navigation and communication satellite

表7 低軌PNT能力提升及實現代價分析Table 7 Analysis of LEO navigation augmentation capabilities and implementation cost

4.1 低軌導航增強

低軌導航增強系統采用低軌導航衛星平臺及軌道設計,搭載星載GNSS接收機,并播發與GNSS信號兼容互操作的導航增強信號。

低軌導航增強平臺設計,有利于實現星載GNSS接收和導航增強信號播發的隔離,減少了星載GNSS載荷的射頻前端和數字處理部分的資源需求,載荷的質量功耗要求也隨之降低。低軌導航增強軌道的設計,有利于實現導航增強對用戶的多重覆蓋。導航增強信號載荷,播發與GNSS兼容互操作的導航增強信號,讓接收終端進行軟件升級即可享受到導航增強服務。但是,若導航頻段受到干擾,難以提供可信定位和彈性導航降階備份服務。

總體而言,低軌導航增強載荷在載荷質量功耗可控,接收終端小幅升級的前提下,可高效實現全球天基監測、全球準實時高精度增強等導航增強服務。但由于導航增強信號位于導航頻段,難以保證導航應急備份服務。

4.2 基于低軌通信衛星的導通融合

低軌通信和導航技術在信號調制等方面存在共性特征,為導通融合提供了可能。但通導本質上具有不同業務需求和技術體制。通信核心目標是無失真和高速地傳輸信息,為此綜合運用了信道編碼、分集和復用等技術以提升誤碼率和信道容量。而導航技術關注重點是距離測量的精度和準確度,通過高速測距碼和多頻信號等提升測距的性能?；诓煌臉I務需求,通信和導航在信號生成和接收處理等方面具有不同的特性,為通信和導航的融合帶來了挑戰。

相比低軌導航增強,通信衛星首先應保證通信信息的無失真和高速傳輸,并綜合分析權衡融合帶來的增量和復雜度。一方面,導通采用統一的頻段,電磁兼容問題更為復雜,對星載GNSS接收提出了更高的要求,同時導通融合很可能對高質量通信用戶造成影響。為了解決這些問題,勢必增加衛星的質量功耗,不符合低軌衛星低成本、大規模的優勢。另一方面,GNSS接收機已廣泛應用于各個行業,導通融合信號提高了接收終端的設計復雜度和成本,不利于大范圍的推廣。

綜上所述,低軌導通融合可重點實現基于通信信道的可信認證播發和彈性導航應急備份功能,作為衛星導航系統的有益備份和補充。

5 結束語

2035年前,我國將建成以北斗系統為核心,更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系[30]。低軌星座以其獨特的軌道特性、高費效比的制造與發射成本,以及在PNT能力提升方面的重要貢獻度,將成為國家綜合PNT體系中的重要組成部分。結合文中關于低軌對PNT能力提升、關鍵技術和實現途徑的綜合分析,以及國內外低軌導航發展現狀趨勢,低軌星座實現PNT性能提升可瞄準兩個方向、各有側重:一是低軌導航衛星平臺及軌道設計,接收GNSS信號,并播發與GNSS信號兼容互操作的導航增強信號,重點實現準實時高精度、高完好及安全可信能力;二是基于通信星座的導通融合,播發導通融合信號,以通信受影響程度可控為導向,重點實現衛星導航短時區域拒止情況下的彈性應急服務和基于通信的可信認證。二者均可實現PNT性能的提升,工程實現中可結合應用需求、平臺能力、實現代價等綜合權衡,實現兼容發展、融合共用、相互增能。