北斗+低軌通導一體位置服務網絡與低空經濟應用

賈詩雨 蔚保國 劉 亮

1 衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室 石家莊 050081

2 中國電子科技集團公司第五十四研究所 石家莊 050081

引言

低空經濟一般是指海拔3 000米以下的飛行經濟活動，主要是民用通用航空飛行器和無人機。全球低空經濟尚處于起步階段，但潛力巨大。隨著地面交通擁堵問題的日益嚴重和無人機技術的逐漸成熟，全世界都在積極探索培育低空經濟產業(yè)。據統(tǒng)計，美國的低空經濟以載人飛機通用航空業(yè)為主，每年可產生超過1 500億美元的GDP[1]。中國截至2022年底，全國無人機運營企業(yè)1.5萬家，年產值1 170億元。

目前低空飛行的監(jiān)管主要以政策為主，缺乏有效的技術監(jiān)管手段，尤其是近年來飛速發(fā)展的“低小慢”飛行器，“看不見、叫不到、管不住”的問題尤其突出。受限于定位導航技術、通信技術、感知技術、計算能力和智能算法的發(fā)展進程，導致政府難以對低空進行有效的管控，企業(yè)得不到滿足要求的飛行管理服務，嚴重制約了低空經濟的發(fā)展[2]。國家對于低空經濟和低軌通導一體化位置服務的發(fā)展的政策扶植也逐步加強，2021年，中共中央、國務院印發(fā)《國家綜合立體交通網規(guī)劃綱要》[3]。2023年6月，《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》頒布[4]。另外我國規(guī)劃的國家綜合PNT體系中，也提到了利用北斗+低軌通導一體的位置服務網絡作為無人機和智能駕駛等未來新應用的基礎服務設施。北斗+低軌通導一體的位置服務網絡作為新型基礎設施的一部分，將為低空經濟的發(fā)展做出巨大的貢獻。

1 問題及挑戰(zhàn)

現階段我國低空管理相關標準的發(fā)布較為滯后，各個廠家各自為戰(zhàn)，無法有效實施統(tǒng)一管理。為確保低空飛行安全，實現低空全空域內航空器可觀測、可通信、可管理，中國工程院樊邦奎院士建議，應加強無人機行業(yè)應用頂層設計，建設低空智聯網[5]，其中北斗+低軌通導一體化位置服務網絡將是未來低空智聯網的重要基礎設施。

我國現有的通信、導航和監(jiān)控(CNS)基礎設施僅能滿足對高空飛行器的管理需求。隨著無人機產業(yè)的發(fā)展，目前的系統(tǒng)無法滿足無人機城市物流、巡檢等新低空應用CNS的需求。基于低空空域環(huán)境復雜性和飛行器智能化的需求，需要解決以下方面的問題與挑戰(zhàn)。

1)飛行器定位精度問題：衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以在開闊場景為無人機提供全天時的精準位置和時間服務。但是由于衛(wèi)星導航信號本身信號落地功率弱，在城市低空這種信號遮擋較多、電磁環(huán)境復雜的運行場景，無法提供泛在、高精度導航定位服務。

2)飛行器通信問題：通信是將飛行器定位結果回傳和實現飛行器管控的重要手段。目前民航通信主要通過VHF電臺實現管制臺與飛行員的語音通信，無法實現數字化控制；無人機通信一般只能實現無人機飛手與無人機之間一對一的通信，無法滿足未來數字化統(tǒng)一管理運行的需求。

3)飛行器導航問題：低空活動高頻次、高密度的飛行特點要求更加數字化精細化協同化的飛行器導航模式，而非傳統(tǒng)航空采用的航點(waypoint)模式，或者無人機的目視導航模式。

4)飛行器的監(jiān)視問題：目前高空航空監(jiān)視主要以廣播式自動相關監(jiān)視(ADS-B)為主，但是其有限信道不足以支撐低空大容量的飛行模式。另外ADS-B系統(tǒng)主要以衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為導航源，導航信號極易受到干擾和欺騙，這使得ADS-B航空監(jiān)視的可信性和完好性大大降低。

綜上，現有CNS系統(tǒng)的能力還不能支撐未來低空環(huán)境下數字化無人系統(tǒng)等的高精度定位、通信、導航和監(jiān)控服務需求，需要北斗+低軌通導一體化位置服務網絡提供泛在精準可信的位置服務來解決低空服務中定位精度不足、數字化導航能力缺失和監(jiān)視信息連續(xù)性/可信性/完好性差的問題；提供高容量低時延的低軌通信服務來解決飛行器數字化通信管理缺失和監(jiān)視容量不足的問題。

2 主要技術路線

為了解決目前低空環(huán)境下無人機數字化精準運行面臨的定位精度、通信、導航和監(jiān)視問題，需要北斗+低軌通導一體化位置服務網絡提供泛在精準可信的位置服務和高容量高可信的低軌通信服務，主要技術路線如下。

2.1 泛在精準可信的位置服務技術路線

為解決低空復雜環(huán)境下定位精度不足以及抗干擾能力不強的問題，提高復雜環(huán)境下的低空飛行器監(jiān)視的連續(xù)性、可信性以及完好性，科學界提出多種導航技術與算法。其中通導一體化技術由于可以實現通信導航的相互賦能，是提升位置服務能力的重要途經，是解決低空環(huán)境下無人機泛在精準可信導航問題的首選方案[6-7]。

通導一體化是指通信和導航系統(tǒng)通過信號、信息、平臺、網絡等多層次的一體化設計，實現通信導航業(yè)務能力的協同與增強，通導一體化可劃分為信息增強、信號協同、體制融合三個方向。

信息增強是指通信導航系統(tǒng)保持各自基本體制不變，打通通信與導航系統(tǒng)的信息交互接口，實現服務能力的互增強，導航系統(tǒng)利用通信傳輸的增強信息，可以大大縮短定位收斂時間，并且提升抗欺騙、抗干擾的能力，從而解決低空服務中飛行器監(jiān)視信息連續(xù)性/可信性/完好性差的問題。

信號協同是指直接利用北斗信號和低軌衛(wèi)星播發(fā)的低軌導航信號或通導一體化信號進行聯合解算，利用幾何構型變化劇烈的低軌衛(wèi)星導航信號、低軌通導一體信號內播發(fā)的輔助改正信息實現分米級動態(tài)定位服務。從而解決低空服務中飛行器的定位精度不足和覆蓋范圍不全的問題。

體制融合是指在系統(tǒng)設計研發(fā)之初，即同步考慮了通信導航需求，進行低軌衛(wèi)星通信導航信號體制的一體化設計，進而研制出兼具通信導航能力的通信定位設備，提供通導一體化服務[8]，從而解決低空服務中飛行器數字化導航監(jiān)視能力缺失的問題。

2.2 高容量低時延的低軌通信服務技術路線

通信是將飛行器定位結果回傳和實現低空飛行器管控的重要手段，低空交通體系需要高容量低延時的通信服務網絡。現有的低空飛行器通信往往基于單一技術，存在通信盲區(qū)。目前低空無人機采用專用無人機地面測控設備或者4G/5G信號進行監(jiān)視及管控，由于信號覆蓋范圍限制，無人機作業(yè)范圍有限，尤其對于長航時無人機的遠距離超視距飛行，衛(wèi)星通信手段是必要甚至是唯一的通信保障手段[9]。

針對4G/5G等地面通信網絡系統(tǒng)覆蓋范圍受限的制約，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣域覆蓋能力可成為地面通信系統(tǒng)的重要補充，但是高軌衛(wèi)星由于距離較遠，通信容量有限，無法滿足未來低空場景大容量實時的監(jiān)視服務需求，所以需要北斗+低軌通導一體化位置服務網絡提供高容量低延時的低軌通信服務。

通過低軌衛(wèi)星通信和其它地面通信組合可實現更大范圍更高容量的低空通信。通過研究星地融合網絡架構、星地融合網絡無縫切換接入技術，實現多種異構接入網絡的融合通信、多樣化的接入服務，以及無縫的通信鏈路切換，根據不同的通信應用場景，實現通信方式的選擇和切換，解決低空服務中飛行器數字化通信管理缺失和監(jiān)視容量不足的問題。

3 網絡基本框架

北斗+低軌通導一體化位置服務網絡由北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、低軌通導一體化衛(wèi)星、地面導航信號監(jiān)測網和北斗+低軌位置服務平臺組成。北斗+低軌通導一體化位置服務網絡具備基于網絡化時空資源統(tǒng)一管理與協同監(jiān)測，可實現具有“泛在、精準、可信”特征的位置服務和具有“高容量、低延時”特征的低軌通信服務。圖1為北斗+低軌通導一體化位置服務網絡組成示意圖。

圖1 北斗+低軌通導一體化位置服務網絡組成

3.1 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是北斗+低軌通導一體化位置服務網絡的基礎，低軌導航信息增強服務、低軌快速精密定位服務北斗+低軌通導一體化位置服務網絡都以北斗三號為核心，其他的低軌通導一體化位置服務都是在其基礎上的補充、改正、增強和改進，可以配合北斗+低軌通導一體化位置服務網絡的其他系統(tǒng)為低空飛行器提供“泛在、精準、可信”的位置服務。另外北斗系統(tǒng)的RDSS通信服務也可以作為衛(wèi)星通信服務的備份手段，提高低空通信服務的容量。

3.2 低軌通導一體化衛(wèi)星

低軌通導一體化衛(wèi)星是北斗+低軌通導一體化位置服務網絡的核心節(jié)點，承載無縫覆蓋的快速高精度定位服務。利用低軌衛(wèi)星運行速度快、可觀測性強等特點實現高中低軌的聯合定軌和精密授時，并實現應用側低空無人機的快速高精度定位能力[10]。低軌星上搭載標準低軌導航增強載荷，實現低軌衛(wèi)星時空基準建立與維持、低軌信號播發(fā)以及增強信息傳遞。目前低軌通導一體化衛(wèi)星網絡主要依托國家衛(wèi)星互聯網工程進行建設。

傳統(tǒng)導航依賴衛(wèi)星導航系統(tǒng)且服務覆蓋范圍僅為室外開闊空間，北斗+低軌通導一體化位置服務網絡引入低軌衛(wèi)星通信導航信號，能夠提供導航手段更加多源、導航方式更加多樣、能夠覆蓋低空經濟活躍的更多復雜場景。

相較于傳統(tǒng)導航系統(tǒng)提供的5～10米量級定位精度，北斗+低軌通導一體化位置服務網絡利用幾何構型變化劇烈的低軌衛(wèi)星、云端輔助改正信息快速生成與播發(fā)能夠提供分米量級定位服務[11-12]，低空用戶定位精度與速度得到大大提升。

相較于傳統(tǒng)的高軌通信衛(wèi)星，低軌通導一體化衛(wèi)星可以支持更大的空域通信容量和更低的延時，支持更高密度的低空用戶。

3.3 地面導航監(jiān)測網

地面導航監(jiān)測網是由遍布全國的地基監(jiān)測站點組成，具備監(jiān)測北斗衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星下行信號能力。地基監(jiān)測站點監(jiān)測的全國觀測數據以及低軌星星載觀測數據傳送至北斗+低軌位置服務平臺，支持形成低軌星基增強的快速高精度定位服務能地力。地面導航監(jiān)測網是提供精準、可信位置服務的保障。

3.4 北斗+低軌位置服務平臺

北斗+低軌位置服務平臺是實現北斗+低軌衛(wèi)星通導一體化導航位置服務的數據處理平臺，可實現北斗+低軌通導一體化定位、管制服務的推送。其服務的可信性由網絡中居于“第三方”位置的北斗+低軌位置服務平臺提供保障，監(jiān)測評估中心可完成網絡中各種導航源信號域/信息域多維度評估[13-14]，監(jiān)測評估信息實時推送云端服務中心進行比對，確保提供低空位置服務的可信性。

4 服務能力

北斗+低軌通導一體位置服務網絡旨在為全球低空用戶在GNSS的基礎上提供低軌導航定位增強服務，實現協同、融合、智能、全覆蓋、全天候、全領域的定位服務，為低空經濟中的通航載人飛行、無人物流、無人機巡檢、無人機測繪、無人機遙感等領域提供高精度定位解決方案。

北斗+低軌通導一體化位置服務網絡可以同時從信息增強、信號協同和體制融合三個方面來增強低空城市環(huán)境下導航位置服務能力。

4.1 低軌導航信息增強服務

低軌導航信息增強服務利用低軌衛(wèi)星的通信鏈路，播發(fā)北斗系統(tǒng)導航電文、精密改正數等信息，輔助低空用戶提高定位精度，縮短首次定位時間。另外利用低軌通信鏈路為用戶提供高容量、低延時的低軌通信服務。

北斗+低軌導航信息增強服務流程如圖2所示，地面段通過地面網絡從其他系統(tǒng)或網絡獲得北斗系統(tǒng)導航電文、精密改正數等導航增強信息，通過信關站上注給低軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星將導航增強信息播發(fā)給低空用戶。

圖2 北斗+低軌導航信息增強服務示意圖

信息增強不提供額外的距離觀測量，只提供北斗/GNSS系統(tǒng)導航電文、消除GNSS誤差的修正信息和完好性信息。低空用戶通過通信鏈路接收導航電文速率較高，能夠縮短首次定位時間；通過接收增強信息實現定位誤差修正，最終提高定位精度。

導航信息增強中GNSS精密電文提供的軌道精度為5cm，鐘差0.15ns，通過低軌衛(wèi)星快速播發(fā)，輔助GNSS進行精密單點定位(PPP)。本節(jié)采用實際觀測數據，利用GNSS精密軌道和鐘差(精度5cm)，分析導航信息增強定位精度。在一天時間內，低空用戶定位誤差如圖3所示。

圖3 北斗+低軌導航信息增強服務示意圖

由圖3的定位結果，低空用戶定位誤差在水平和垂直方向上均優(yōu)于1分米，可實現低空城市場景下亞米級高精度定位服務。綜上，低軌導航信息增強服務可以解決城市低空復雜環(huán)境下的定位速度慢和定位精度差的問題。

4.2 低軌導航信號協同定位服務

低軌導航信號協同定位服務是指利用低軌衛(wèi)星播發(fā)低軌導航增強信號，利用北斗信號和低軌導航增強信號進行協同定位服務。低軌衛(wèi)星導航信號具有較好的穿透性、抗干擾型和防欺騙性，可以在城市低空復雜環(huán)境中提供實時有效的高精度導航定位服務。另外低軌衛(wèi)星運行速度較快，在一定時間內幾何構型變化較快，能夠很好地改善GNSS系統(tǒng)的空間構型，可以大大縮短低空無人機的首次定位時間和信號中斷后重新定位時間。

低軌衛(wèi)星播發(fā)的快速精密定位信號類似導航信號，同樣在L頻段，調制有偽碼可實現偽距的測量，由于低軌衛(wèi)星的特點，信號落地電平超過一般導航信號20dB以上，并且其導航電文中包含北斗系統(tǒng)導航電文、精密改正數等導航增強信息。地面段通過地面網絡從其他系統(tǒng)或網絡獲得北斗系統(tǒng)導航電文、精密改正數等導航增強信息，通過信關站上注給低軌衛(wèi)星；低軌衛(wèi)星根據上注信息播發(fā)導航增強快速精密定位信號，無人機終端同時接收北斗導航信號和低軌導航增強快速精密定位信號進行聯合解算，可實現分鐘級收斂和分米級高精度定位。當導航信號遮蔽或者干擾嚴重時，也可以使用低軌快速精密定位信號獨立定位，大大提高城市低空導航定位服務的完好性和可用性。北斗+低軌衛(wèi)星聯合快速精密定位服務流程如圖4所示。

圖4 北斗+低軌衛(wèi)星聯合快速精密定位服務示意圖

低軌衛(wèi)星參與聯合解算相當于增加新的系統(tǒng)，需要考慮系統(tǒng)間偏差，以最終實現北斗+低軌通導融合聯合定位。對于北斗+低軌衛(wèi)星聯合定位，為了推導簡潔這里不考慮各種誤差源的影響，得到如下觀測方程：

為解算低空用戶的實時位置，必須將2個時間系統(tǒng)中的衛(wèi)星在軌位置劃歸到同一時間尺度下，而且必須將2種坐標系下的衛(wèi)星位置轉換到同一種坐標系中。北斗+低軌衛(wèi)星聯合定位組合定位計算時，每個系統(tǒng)都有自己的時間系統(tǒng)，并且各時系間存在一定偏差。所以，在多系統(tǒng)組合算法中針對每個系統(tǒng)引入不同的接收機鐘差參數，對上述兩個公式線性化從而有以下多系統(tǒng)組合算法的數學模型：

令

采用上述解算方法，結合54所發(fā)射的天象1號低軌實驗衛(wèi)星發(fā)射的快速精密定位信號進行在軌實驗，單北斗與北斗+低軌快速精密定位誤差序列如圖5所示。

圖5 單北斗與北斗+低軌快速精密定位誤差序列

由圖5可知快速精密定位精度優(yōu)于單北斗定位精度，在定位收斂后可以實現分米級高精度定位。

當GNSS與低軌衛(wèi)星軌道與鐘差誤差時，為了減少隨機觀測噪聲對收斂時間的影響，進行500次蒙特卡羅仿真，其中當低軌衛(wèi)星空間信號測距誤差(SISRE)分別為0、0.03m、0.05m、0.08m、0.1m時的收斂時間統(tǒng)計如圖6所示。

圖6 不同低軌衛(wèi)星SISRE時PPP收斂時間變化情況

由圖6可知，低軌衛(wèi)星的偽距誤差小于0.05m時，可以支持快速精密定位服務實現分鐘級收斂。

4.3 低軌導航體制融合服務

低軌導航體制融合服務技術是指在系統(tǒng)設計研發(fā)之初，即同步考慮了通信導航需求，進行了通信導航信號體制的一體化設計。低軌導航體制融合服務技術是利用低軌衛(wèi)星的通信信號，在通信信號內部調制導航信號，利用通信信號傳輸的空余資源來進行導航服務，可以為低空用戶提供更加泛在、更加可信的位置服務。

但是由于通信信號沒有調制偽碼，無法進行通過偽距測量的方法來進行定位，所以低軌衛(wèi)星通導一體化服務通常利用L頻段進行單星多普勒定位。由于直接測量瞬時多普勒頻移較為困難，故采用測量一定時間間隔內的多普勒周數的方法進行相對多普勒測量。單星多普勒定位的基本方程為

單星多普勒定位原理是利用連續(xù)觀測的衛(wèi)星到測站的多普勒數據進行定位。對于一次觀測，單星多普勒觀測量的解可以由與測站速度方向成某一夾角的圓錐面來表示，如圖7所示。

圖7 接收機與星多普勒幾何關系

當接收機位置靜止時，低軌衛(wèi)星過境時低空用戶不斷采集數據，由于低軌衛(wèi)星運行速度較快，幾分鐘內即可呈現出較大的幾何構型變化，假設認為此時段內接收機和衛(wèi)星鐘差穩(wěn)定不變，那么單星多普勒定位的原理圖如圖8所示。不同歷元形成了不同的圓錐面，每個圓錐面均可列出一個方程，多個圓錐面之間存在交集，其交點即為測站解算的位置。

圖8 單星多普勒定位原理圖

低軌衛(wèi)星軌道軌道高度較低，一般在幾百千米到兩千千米左右，其發(fā)射信號空間損耗較小。低軌衛(wèi)星通信信號強度比北斗強大約30dB。因此低軌衛(wèi)星通導一體化服務可以拓寬服務范圍與場景，使在一些低空遮蔽環(huán)境、城市峽谷中的定位導航授時成為可能。

5 未來展望

目前，在國內積極的政策環(huán)境中，市場主體以及國資平臺積極入局，探索低空經濟各類場景的創(chuàng)新突破，已經形成載貨、載人、城市管理、精準農業(yè)等場景[15]。

未來隨著低空運行進入到大容量高密度的發(fā)展階段，飛行和飛行監(jiān)控必然都不可能僅依賴人的參與控制，需要更加智能化的系統(tǒng)能力，提升航線規(guī)劃、飛行避障、多任務協同、監(jiān)管調度等各個方面的數字化水平。未來北斗+低軌通導一體位置服務網絡提供的泛在、精準、可信位置服務和高容量、低延時低軌通信服務將推動低空經濟向著無人化、精準化和智能化的方向發(fā)展。

1)貨運場景

在未來北斗+低軌通導一體位置服務網絡、低空數字孿生空間和低延遲的低空通信監(jiān)控網絡的配合下，可以實現無人機的自主航線規(guī)劃和避障，實現城市環(huán)境下三維點對點的物流。

圖9為基于北斗+低軌通導一體化位置服務網絡和低空空域數字孿生空間[16]的物流無人機自主任務規(guī)劃及避障的未來無人機物流典型運行場景。當接到無人物流任務后，會在數字孿生空間進行統(tǒng)一的任務與航路規(guī)劃，確認無飛行沖突后進行任務的執(zhí)行；在執(zhí)行過程中利用北斗+低軌通導一體位置服務網絡提供的泛在、精準、可信的位置服務進行導航；利用5G地面監(jiān)控鏈路進行任務執(zhí)行監(jiān)控，當5G地面監(jiān)控鏈路不可用時，利用北斗+低軌通導一體位置服務網絡提供的高容量、低延時低軌通信服務進行任務監(jiān)控，實現全球無縫監(jiān)視，提升系統(tǒng)的可靠性；調度中心監(jiān)視運營范圍內的所有無人機，負責飛行沖突預警并將預警信息及時報給無人機，實現任務重新規(guī)劃和避障。最終在北斗+低軌通導一體位置服務網絡、低空數字孿生空間、地面5G網絡和調度中心的配合下完成無人機物流配送。

圖9 未來無人機物流典型運行場景

2)載人場景

作為直升機運營方的各通航企業(yè)不斷拓展航線及飛行架次，如東部通航建設與管理運行機場達30個以上，不斷延伸業(yè)務至跨境、商務、城際、游覽、應急等眾多場景；而以億航、小鵬匯天為首的載人級自動駕駛飛行器企業(yè)也在各個地區(qū)試點運行。

未來北斗+低軌通導一體位置服務網絡、低空數字孿生空間和低延遲的低空通信監(jiān)控網絡等基礎設施的建設讓低空載人自動駕駛航線設立與管理成為可能，未來出行人類可能會乘坐空中“飛行的士”。

3)城市管理場景

因巡檢、救援等場景替代人效應明顯，商業(yè)模式已基本跑通，該場景目前發(fā)展最為成熟；且由于尺寸類似于消費級無人機，飛行審批也相較其他場景簡單。

未來伴隨北斗+低軌通導一體位置服務網絡、低空數字孿生空間和低延遲的低空通信監(jiān)控網絡等基礎設施的構建完善，無人機巡檢、救援、植保等場景將進一步滲透。