世界主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過低軌增強提升能力

近年來，隨著美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和歐洲Galileo等四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供全球服務，世界衛(wèi)星導航步入新時代。各主要衛(wèi)星導航國家瞄準更高服務精度、更加多樣功能、更加可靠服務，正在著手開展新一代系統(tǒng)建設和新一輪競技。

低軌衛(wèi)星（LEO）以其星座和信號的獨特優(yōu)勢，逐步受到世界衛(wèi)星導航領域的關注和青睞，有望成為新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。低軌衛(wèi)星可以增強衛(wèi)星導航信號，作為GNSS（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）的增強與補充；也可以通過通信系統(tǒng)和導航系統(tǒng)融合，播發(fā)獨立測距信號，形成備份的定位導航能力。目前，國際衛(wèi)星導航領域，對如何應用低軌衛(wèi)星技術實現(xiàn)PNT（定位導航授時）的增強、備份和補充的研發(fā)和實踐方興未艾。美國銥星系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)共同研發(fā)推出新型衛(wèi)星授時與定位服務(STL)，已成為GPS系統(tǒng)的備份或補充；歐洲Galileo系統(tǒng)技術團隊，也在積極推進開普勒系統(tǒng)研究，通過4-6顆低軌衛(wèi)星構成的低軌星座，通過星間鏈路對中高軌衛(wèi)星進行監(jiān)測和高精度測量，以大幅提高Galileo星座的定軌精度。與此同時，國內的低軌衛(wèi)星技術發(fā)展也如火如荼。在有關部門、大型央企、研究院所、民營企業(yè)的推動下，鴻雁、天地一體化網(wǎng)絡、微厘空間等低軌衛(wèi)星星座已開展試驗衛(wèi)星在軌試驗。本文主要聚焦低軌增強星座對衛(wèi)星導航系統(tǒng)能力提升和備份方面的技術和效果的分析。

一、

世界主要衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過低軌增強提升能力

1、美國通過銥星系統(tǒng)實現(xiàn)對GPS定位授時服務能力的備份

為提升GPS系統(tǒng)的能力，美國在新一代銥星系統(tǒng)上實現(xiàn)了與GPS系統(tǒng)的融合發(fā)展，為用戶提供STL（Satellites Time and Location）服務，由Satelles公司提供，可對GPS能力進行備份和增強。

銥星系統(tǒng)最初是美國摩托羅拉公司設計的全球移動通信系統(tǒng)。包括6個軌道面，每條軌道均勻分布11顆衛(wèi)星，組成完整星座，能夠覆蓋包括極地在內的全球區(qū)域。設計之初主要為用戶提供衛(wèi)星通信服務，但由于高昂的系統(tǒng)建設費用和市場的冷遇，銥星系統(tǒng)的發(fā)展較為遲緩。2019年1月，美國完成新一代銥星系統(tǒng)發(fā)射部署。在通信業(yè)務以外，銥星星座提供STL服務，可實現(xiàn)室內和峽谷地區(qū)的定位導航授時。STL服務性能,定位精度30～50米、授時精度約為200ns，原信號落地功率比GPS L1 C/A碼信號強300～2400倍（24.8～33.8dB），室內可用性大幅提升，增強了復雜地形環(huán)境和復雜電磁環(huán)境下的導航可用性和安全性。通過銥星以及GNSS接收機，STL服務既可增強GPS在內的多GNSS導航服務，也可在信號不可用或者不好用的時候作為一種備用手段。

2、歐洲專家提出以開普勒低軌系統(tǒng)大幅增強Galileo系統(tǒng)能力

開普勒系統(tǒng)（Kepler）是歐洲Galileo系統(tǒng)技術團隊提出的新構想，在實現(xiàn)對Galileo系統(tǒng)完好性和精度增強的同時，減輕對地面系統(tǒng)的依賴。

開普勒系統(tǒng)的技術核心，是用4-6顆低軌衛(wèi)星構成小規(guī)模星座，以及激光星間鏈路（ISL）來完善現(xiàn)有星座體系。MEO衛(wèi)星不需配備原子鐘，通過激光星間鏈路連接所有衛(wèi)星，使得導航衛(wèi)星能夠在極高精度水平上實現(xiàn)直接同步，之后再進一步為定軌提供高精度的距離測量而不是偽距，以期得到mm級的定軌精度和nm級的相位測量精度，從而實現(xiàn)能力大幅提升。同時，系統(tǒng)通過LEO衛(wèi)星星座對無電離層、對流層擾動的導航信號進行觀測，可提升MEO系統(tǒng)的完好性和精度。在開普勒系統(tǒng)架構下，地面運控系統(tǒng)的測量通信設施大多不再必要，僅需少量地面站維持與地球坐標框架的一致，以及特殊情況下操控系統(tǒng)的能力。

3、國內多家開展低軌增強研究和技術試驗

國內多家單位開展了低軌衛(wèi)星增強的相關理論研究、仿真計算和在軌衛(wèi)星驗證，并提出了相應的星座計劃?！傍櫻恪薄昂缭啤薄疤斓匾惑w化信息網(wǎng)絡”等通信星座均考慮了低軌衛(wèi)星增強的需求，微厘空間、箭旅鏡像主打低軌高精度增強；同時“鴻雁星座試驗星”“珞珈一號”“微厘空間” “網(wǎng)通一號”等低軌試驗衛(wèi)星的在軌技術試驗，為低軌衛(wèi)星導航信號增強技術、精度增強等技術積累了試驗數(shù)據(jù)。

二、

低軌增強為衛(wèi)星導航帶來的新賦能

1、低軌星座和信號具有獨特優(yōu)勢

1）低軌衛(wèi)星軌道低、重量小，衛(wèi)星造價和發(fā)射成本較低

低軌衛(wèi)星比中高軌衛(wèi)星的重量輕、軌道更低，可通過一箭多星方式發(fā)射，衛(wèi)星的研發(fā)成本和火箭發(fā)射成本較低。

2）落地信號強度更高，可改善遮擋遮蔽條件下定位效果，提升可用性

低軌衛(wèi)星軌道高度一般為1000km左右，相較于20000km以上高度的中高軌導航衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星信號傳輸路徑更短、信號時延和功率損耗更小。簡單來說，如果低軌衛(wèi)星和中高軌衛(wèi)星發(fā)射相同的信號功率，低軌衛(wèi)星發(fā)射抵達地球表面的信號功率將比中高軌衛(wèi)星高出30dB（即1000倍）。更強的落地信號功率，可在復雜地形環(huán)境和復雜電磁環(huán)境下改善定位的效果，提升抗干擾和反欺騙能力。

3）低軌衛(wèi)星運行速度快，加快高精度定位收斂時間，用戶體驗更優(yōu)

中高軌衛(wèi)星星座幾何構型變化慢，相鄰歷元間觀測方程之間的相關性太強，因此在進行定位參數(shù)估計時，需要較長的時間才能估計和分離各類誤差，進而固定載波相位模糊度、實現(xiàn)精密定位。因此，傳統(tǒng)高精度定位的收斂時間一般為15分鐘~30分鐘。

而低軌衛(wèi)星繞地球旋轉一周的時間遠小于中高軌衛(wèi)星，在相同時間段內過的軌跡更長，幾何構型變化快。理論上，低軌衛(wèi)星運行1分鐘，約相當于目前中軌衛(wèi)星運行20分鐘的幾何變化。低軌衛(wèi)星的軌道特性，有助于加快高精度定位的收斂時間，達到1分鐘級收斂，用戶體驗更加優(yōu)異。

圖1 相同時間內低軌與中軌衛(wèi)星劃過的軌跡，其中紅色為中高軌衛(wèi)星軌跡，藍色為低軌衛(wèi)星軌跡

4）更高的信息速率，能播發(fā)更多的精密改正信息

由于落地信號功率的提升，低軌增強信號可以承載更高的信息速率或更大的信號帶寬，作為衛(wèi)星導航基本電文及差分改正電文的播發(fā)通道。

5）終端小型化、集成化、低功耗，易于用戶使用

低軌增強信號功率的提升，有利于地面用戶使用更小型化的終端設備；同時，作為通信使用時，地面用戶以更小的信號功率，就能被低軌衛(wèi)星正常接收。

2、助力構建GNSS全球天基監(jiān)測網(wǎng)

一般來說，GNSS需要全球分布的地面監(jiān)測站進行觀測支持，美國、俄羅斯和歐洲基本都采用全球建站的途徑來滿足全球連續(xù)觀測要求。美國GPS系統(tǒng)監(jiān)測站大都分布在赤道附近，包括科羅拉多、迪戈加西亞、阿森松、卡瓦加林、夏威夷五個監(jiān)測站；俄羅斯東西跨度大，基本可解決GLONASS系統(tǒng)全球觀測問題；歐洲Galileo系統(tǒng)可以在海外殖民地建站，實現(xiàn)全球觀測。我國北斗系統(tǒng)當前主要是立足國內建站，通過星間鏈路實現(xiàn)全球觀測和運行支持。

基于低軌衛(wèi)星星座，可助力構建GNSS全球天基監(jiān)測網(wǎng)。

1）實現(xiàn)對衛(wèi)星導航信號的高質量全球監(jiān)測

相比于地面監(jiān)測網(wǎng)絡，低軌衛(wèi)星對導航信號的觀測具備受電離層、對流層等影響小，跟蹤弧段長、覆蓋次數(shù)多，多徑效應影響小等特點。低軌衛(wèi)星作為GNSS的高精度天基監(jiān)測站，可極大改善觀測幾何，削弱切向軌道與相位模糊度的相關性，提高導航衛(wèi)星軌道和鐘差精度，并有效彌補地基監(jiān)測網(wǎng)在空間覆蓋上的不足，實現(xiàn)全球高質量監(jiān)測。

圖2 天基監(jiān)測與地面監(jiān)測

2）可有效提升衛(wèi)星定軌精度

通過選取30顆導航衛(wèi)星，對僅地面監(jiān)測站，以及低軌星基監(jiān)測與地面聯(lián)合監(jiān)測兩種情況的定軌能力進行仿真分析。僅地面監(jiān)測站進行定軌的空間信號精度約0.3米；加上12顆低軌衛(wèi)星組成天基監(jiān)測站聯(lián)合定軌仿真，信號精度約0.1米。初步分析可知，地基與基于低軌星座的天基聯(lián)合監(jiān)測和定軌，可使星座定軌精度提升1倍以上。

圖3 地面定軌以及地基天基聯(lián)合定軌的精度仿真比對結果

3、助力提供全球準實時高精度服務

1）高精度定位服務供應商多樣化，服務模式層次化

目前，高精度定位服務（精密單點定位，PPP）主要包括商業(yè)PPP服務和衛(wèi)星導航系統(tǒng)內嵌PPP服務兩種類型。

提供商業(yè)服務的主要有美國噴氣推進實驗室（JPL）的用于衛(wèi)星定軌、科學研究和高端商業(yè)服務的全球差分GPS（GDGPS）系統(tǒng)，Navcom公司的StarFire系統(tǒng)，Trimble公司 OmniSTAR系統(tǒng)和RTX系統(tǒng)，F(xiàn)ugro公司StarFix/SeaStar系統(tǒng)，Oceaneering International公司C-Nav系統(tǒng)，Hexagon公司 Veripos系統(tǒng)和TerraStar系統(tǒng)等，包含米級、分米級、厘米級等多種服務能力。

近年來，隨著行業(yè)和大眾高精度應用需求的日益增加，歐洲Galileo、日本QZSS和我國北斗在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中也內嵌設計和提供PPP服務。Galileo基于E6B信號提供免費PPP服務，播發(fā)速率500bps，對GPS和Galileo兩系統(tǒng)進行增強，實現(xiàn)分米級定位。QZSS精密定位分為亞米級增強服務（SLAS）和厘米級增強服務（CLAS）兩類，均為免費服務，分別由L1和L6信號提供，其中CLAS服務播發(fā)速率達到2000bps，能夠同時對四大GNSS和QZSS共五系統(tǒng)進行增強。我國北斗系統(tǒng)利用GEO衛(wèi)星，向中國及周邊地區(qū)用戶提供高精度定位免費服務，播發(fā)頻點為B2b，速率500bps，實現(xiàn)實時分米級、事后厘米級定位。

2）低軌衛(wèi)星精度增強具有快速收斂特性，可提升高精度用戶體驗

目前，GNSS通過中高軌衛(wèi)星提供的PPP服務，因其軌道變化慢，收斂時間通常為15~30分鐘。雖然日本QZSS系統(tǒng)采用PPP-RTK技術，將PPP服務的收斂時間縮短到1分鐘以內，但需要大量高度密集的地面監(jiān)測站支持，僅日本國土范圍內就需要建設上千個監(jiān)測站。而低軌衛(wèi)星具備全球GNSS高精度監(jiān)測能力，且?guī)缀巫兓?，易于高精度定位快速收斂。相關研究表明，融合低軌衛(wèi)星星座后，衛(wèi)星導航系統(tǒng)PPP服務的收斂時間，可縮短到1分鐘以內，用戶可準實時獲取高精度服務。

4、助力提供全球高完好性監(jiān)測服務

1）各星基增強系統(tǒng)當前主要提供區(qū)域完好性服務

完好性（Integrity）服務是指在導航衛(wèi)星發(fā)生故障和風險時及時向用戶告警，以提高用戶使用安全性的能力，對民航等涉及生命安全用戶來說尤為重要。

目前各星基增強系統(tǒng)（SBAS）主要包括美國聯(lián)邦航空局廣域增強系統(tǒng)（WAAS），歐洲地球靜止衛(wèi)星導航重疊服務系統(tǒng)（EGNOS）、我國北斗星基增強系統(tǒng)（BDSBAS）、俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、日本多功能衛(wèi)星增強系統(tǒng)（MSAS）、印度GPS輔助型對地靜止軌道擴增導航系統(tǒng)（GAGAN）、韓國衛(wèi)星增強系統(tǒng)（KASS）系統(tǒng)等，均播發(fā)差分改正數(shù)，對某一區(qū)域進行GNSS精度和完好性增強。各系統(tǒng)覆蓋如下圖所示。

圖4 SBAS服務供應商及覆蓋范圍

2）具備更高質量的天基完好性監(jiān)測能力

通過低軌星座的GNSS全球天基監(jiān)測網(wǎng)，可實現(xiàn)對導航衛(wèi)星完好性的天基監(jiān)測，而且低軌星座的軌道特性，使其不受電離層、對流層影響，多徑影響也比地面小，可提升對導航衛(wèi)星完好性的監(jiān)測能力。

3）可向全球播發(fā)完好性告警信息

未來，用戶對SBAS服務的需求將不僅滿足于區(qū)域，而是向全球擴展。低軌星座的全球覆蓋特性，使其天然具備播發(fā)全球完好性服務的能力。

三、

結語

問渠哪得清如許，為有源頭活水來。當前，各大世界衛(wèi)星導航系統(tǒng)也在規(guī)劃部署新一代系統(tǒng)發(fā)展，積極尋找新的能力增長點。美國通過低軌銥星系統(tǒng)增強和補充GPS能力，并加速推進GPS III星座部署，啟動高軌（GEO）NTS-3導航技術衛(wèi)星試驗計劃；俄羅斯將SDCM（差分改正和監(jiān)測系統(tǒng)）高軌衛(wèi)星，納入GLONASS系統(tǒng)體系，并計劃發(fā)射6顆IGSO傾斜軌道衛(wèi)星，構建中高軌混合星座；歐洲也著手開展第二代Galileo系統(tǒng)研發(fā)，考慮LEO來增強系統(tǒng)服務能力。各種不同軌道衛(wèi)星的融合，將為世界衛(wèi)星導航帶來新變化、新發(fā)展，而其中低軌星座因其獨特優(yōu)勢，可能成為一縷清泉、一股活水，為世界衛(wèi)星導航發(fā)展注入新的動力源泉。

GNSS服務創(chuàng)新發(fā)展，永不止步！