對(duì)低軌導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的思考

袁 洪，陳 瀟,2，羅瑞丹，萬(wàn)紅霞，張 揚(yáng),2，李 冉，楊 光

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

0 引言

我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2020年完成建設(shè)，同時(shí)歐盟Galileo系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在2022年完成系統(tǒng)建設(shè)，屆時(shí)全球?qū)⒂邪绹?guó)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS)、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Naviga-tion Satellite System，BDS)和歐盟Galileo系統(tǒng)等共計(jì)100余顆導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運(yùn)行，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用將迎來(lái)新的歷史篇章。但是隨著四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navi-gation Satellite System，GNSS)的不足也逐漸凸顯，一是在全球?qū)崟r(shí)厘米級(jí)高精度定位方面，現(xiàn)有應(yīng)用的GNSS精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)系統(tǒng)收斂時(shí)間較長(zhǎng)；二是GNSS導(dǎo)航信號(hào)落地功率低，容易受到干擾，惡劣電磁環(huán)境下應(yīng)用受限；三是目前對(duì)我國(guó)來(lái)講，尚無(wú)法全球建站，難以實(shí)現(xiàn)北斗信號(hào)的全球監(jiān)測(cè)。

針對(duì)現(xiàn)有GNSS存在的不足，在進(jìn)一步提升衛(wèi)星導(dǎo)航性能的技術(shù)途徑方面，低軌導(dǎo)航是潛在的手段之一。對(duì)比中高軌GNSS衛(wèi)星，低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星軌道高度較低，要保障全球覆蓋所需的衛(wèi)星數(shù)量將是現(xiàn)有GPS衛(wèi)星數(shù)量的9倍。建立和運(yùn)營(yíng)如此大規(guī)模的星座，在商業(yè)航天到來(lái)之前，所需的成本太高。伴隨著近十年商業(yè)航天的快速發(fā)展，如SpaceX、OneWeb為代表的商業(yè)航天公司的巨型低軌通信星座等，一方面有利于衛(wèi)星成本持續(xù)下降，單顆GPS衛(wèi)星的制造和發(fā)射成本(5億美元)相當(dāng)于數(shù)百顆低軌衛(wèi)星成本(100萬(wàn)美元/顆)；另一方面，也使得以較低成本發(fā)展全球低軌導(dǎo)航系統(tǒng)成為可能。

從衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展歷程來(lái)看，最早的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用低軌衛(wèi)星星座——美國(guó)子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其后以美國(guó)GPS為代表，后續(xù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都采用了中高軌道衛(wèi)星星座。如今低軌導(dǎo)航重新成為熱點(diǎn)，主要原因在于其與中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航相比，具有更低的空間傳播衰減，便于提升導(dǎo)航抗干擾能力；具有對(duì)中高軌GNSS信號(hào)的監(jiān)測(cè)便利，從而可提升中高軌GNSS的性能；具有更快速幾何變化特性，能夠提升高精度定位的收斂時(shí)間。

本文從剖析不同歷史階段低軌導(dǎo)航的應(yīng)用方向和技術(shù)體制入手，總結(jié)基于低軌衛(wèi)星和低軌與中高軌衛(wèi)星組合解決抗干擾和高精度定位需求的技術(shù)潛力，對(duì)下一步低軌導(dǎo)航在整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體系中的應(yīng)用前景和技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，對(duì)未來(lái)低軌導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)提供建議。

1 系統(tǒng)服務(wù)體制

1.1 低軌導(dǎo)航發(fā)展歷程

最早的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用了低軌星座，即美國(guó)的子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Transit Navigation System)，其目的是向美軍核動(dòng)力彈道導(dǎo)彈潛艇提供導(dǎo)航服務(wù)，校正慣性導(dǎo)航誤差，每天校正若干次，校正精度0.1n mile，以解決地基導(dǎo)航未覆蓋區(qū)域的無(wú)發(fā)散導(dǎo)航定位問(wèn)題。該系統(tǒng)于1964年建成，由5～10顆軌道高度為1100km的圓形極軌衛(wèi)星組成，其星座構(gòu)型呈鳥(niǎo)籠(Bird Cage)狀。系統(tǒng)采用用戶靜默接收多普勒測(cè)量定位原理，定位時(shí)間需要10～15min，定位精度一般為20～50m。1967年，蘇聯(lián)也部署了類似的軍用導(dǎo)航通信系統(tǒng)Parus/Tsikada，也稱為“蟬”。美國(guó)和蘇聯(lián)建設(shè)的低軌導(dǎo)航系統(tǒng)體現(xiàn)了冷戰(zhàn)期間?；鶓?zhàn)略武器對(duì)全球覆蓋導(dǎo)航定位的剛性需求。1996年底，隨著GPS提供服務(wù)，子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)停止服務(wù)。

在20世紀(jì)末，出現(xiàn)了以銥星(Iridium)為代表的低軌移動(dòng)通信星座，該星座由66顆低軌衛(wèi)星組成，均勻分布在6個(gè)近圓極軌道，每個(gè)軌道11顆衛(wèi)星。2016年5月，銥星開(kāi)展了衛(wèi)星時(shí)間和定位服務(wù)(Satel-lite Time and Location，STL)試驗(yàn)，其目的是為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施(金融、電力以及網(wǎng)絡(luò))和軍用用戶提供GPS備份定位授時(shí)服務(wù)，但未見(jiàn)到形成整星座服務(wù)能力的確切報(bào)道。STL的定位精度能夠達(dá)到20m，授時(shí)精度能夠達(dá)到1μs。銥星用于導(dǎo)航的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要有：一是相對(duì)于GNSS信號(hào)，具有更強(qiáng)的信號(hào)落地功率，能夠在高衰減條件(室內(nèi)深處)以及一定惡意干擾條件下提供定位授時(shí)服務(wù)；二是銥星采用48個(gè)點(diǎn)波束，將點(diǎn)波束和隨機(jī)廣播相結(jié)合形成了基于位置認(rèn)證的服務(wù)機(jī)制，能夠抵抗欺騙干擾。

近些年來(lái)，以SpaceX、OneWeb、Samsung等為代表的巨型低軌通信星座蓬勃發(fā)展，其初衷是從太空提供全球范圍內(nèi)無(wú)縫穩(wěn)定的寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。巨型低軌星座發(fā)展也大大降低了低軌衛(wèi)星的制造與運(yùn)營(yíng)成本，利用低軌衛(wèi)星提供導(dǎo)航服務(wù)成為目前的討論熱點(diǎn)。

從導(dǎo)航定位角度來(lái)看，巨型星座可帶來(lái)更多導(dǎo)航信號(hào)源，采用通信星座播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)或者直接利用通信信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航，能夠增強(qiáng)現(xiàn)有中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，也能夠作為現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航的備份。2021年，美國(guó)加州大學(xué)開(kāi)展了基于Starlink衛(wèi)星的Ku頻段信號(hào)定位試驗(yàn)，采用多普勒定位方式，靜態(tài)用戶的三維定位精度達(dá)到22.9m，二維定位精度達(dá)到10m。國(guó)內(nèi)鴻雁、天象也均基于通信星座開(kāi)展導(dǎo)航增強(qiáng)試驗(yàn)驗(yàn)證。表1所示為目前主要低軌通信星座情況。

表1 主要低軌通信星座情況

除了低軌通信星座以外，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了面向?qū)Ｓ玫蛙墝?dǎo)航星座建設(shè)的研究與試驗(yàn)。專用低軌導(dǎo)航星座發(fā)射與現(xiàn)有GNSS類似的導(dǎo)航信號(hào)，旨在獨(dú)立導(dǎo)航或增強(qiáng)現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)能力，例如高精度定位服務(wù)、功率增強(qiáng)以及天基監(jiān)視等。

2020年，美國(guó)Xona Space公司提出規(guī)劃，擬構(gòu)建300顆低軌衛(wèi)星的星座，提供具有更強(qiáng)信號(hào)功率、更強(qiáng)信號(hào)安全以及快速收斂的厘米級(jí)定位服務(wù)，簡(jiǎn)稱Pulsar PNT服務(wù)。2017年，北京未來(lái)導(dǎo)航科技有限公司公布了其微厘空間一號(hào)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座設(shè)計(jì)，用于增強(qiáng)北斗定位精度、提升完好性并強(qiáng)化信號(hào)功率。2019年，吉利科技旗下浙江時(shí)空道宇公司公布規(guī)劃，面向自動(dòng)駕駛等應(yīng)用場(chǎng)景，擬構(gòu)建由168顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成的低軌星座，用于提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位服務(wù)。表2所示為具體低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座情況。

表2 低軌導(dǎo)航增強(qiáng)星座情況

從低軌導(dǎo)航發(fā)展歷程來(lái)看，最早的子午儀、蟬系統(tǒng)等用于向戰(zhàn)略潛艇提供導(dǎo)航服務(wù)。銥星系統(tǒng)主要用于軍事用戶以及關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，提供GPS的備份導(dǎo)航服務(wù)?，F(xiàn)階段發(fā)展新一代低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求牽引主要是提供備份導(dǎo)航，并增強(qiáng)GNSS性能。表3所示為低軌導(dǎo)航發(fā)展的3個(gè)階段。

表3 低軌導(dǎo)航發(fā)展的3個(gè)階段

1.2 低軌導(dǎo)航系統(tǒng)所應(yīng)提供的增量能力

面向低軌導(dǎo)航系統(tǒng)的下一步發(fā)展，低軌導(dǎo)航可按技術(shù)體制和用途進(jìn)行分類。

按照技術(shù)體制分為：低軌獨(dú)立導(dǎo)航和低軌導(dǎo)航增強(qiáng)。低軌獨(dú)立導(dǎo)航是低軌衛(wèi)星播發(fā)類GNSS信號(hào)，提供獨(dú)立導(dǎo)航服務(wù)，能夠作為備份定位導(dǎo)航與授時(shí)(Positioning， Navigation， and Timing，PNT)技術(shù)手段之一。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)是利用低軌星座提升現(xiàn)有中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完好性以及天基監(jiān)測(cè)的能力。

按照用途分為：民用和軍用。從民用角度來(lái)看，需求主要包括米級(jí)導(dǎo)航、分米以及厘米級(jí)導(dǎo)航。目前來(lái)看，GNSS已經(jīng)能夠達(dá)到穩(wěn)定的米級(jí)導(dǎo)航能力，對(duì)低軌導(dǎo)航系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在高精度分米以及厘米級(jí)導(dǎo)航，因此米級(jí)的低軌獨(dú)立導(dǎo)航對(duì)民用的吸引力相對(duì)不大。從軍用角度來(lái)看，重點(diǎn)需要解決復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航定位問(wèn)題，低軌獨(dú)立導(dǎo)航能夠以較低的載荷代價(jià)提供更高的落地功率，從而直接響應(yīng)軍用用戶的抗干擾需求；相比之下，軍用用戶對(duì)厘米級(jí)高精度服務(wù)的需求相對(duì)較弱。

1.3 低軌獨(dú)立導(dǎo)航與當(dāng)前中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航的能力對(duì)比分析

本節(jié)討論低軌獨(dú)立導(dǎo)航與GNSS性能，主要從4個(gè)方面進(jìn)行分析：

1)信號(hào)落地功率

在賦球波束條件下，信號(hào)落地功率與衛(wèi)星信號(hào)到用戶距離直接相關(guān)。以銥星(Iridium)衛(wèi)星為例，在5°仰角可視時(shí)，其距離用戶約為2800km；在天頂正上方時(shí)，其距離用戶約780km。相比之下，GPS衛(wèi)星距離用戶從20000km到25000km。如圖1所示，衛(wèi)星空間衰減與距離平方成正比，銥星的落地功率大約比GPS衛(wèi)星高30dB。從實(shí)際接收載噪比來(lái)看，GPS為45dBHz，而Iridium可以達(dá)到80～45dBHz。

圖1 衛(wèi)星空間衰減與接收載噪比[32]Fig.1 Signal spatial attenuation and signal reception carrier-to-noise ratio

2)覆蓋性

從用戶角度來(lái)看，用戶需要觀測(cè)不少于4顆衛(wèi)星才能定位，實(shí)際用戶觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量往往需要6顆以上。由于低軌衛(wèi)星覆蓋區(qū)域較小，需要更多低軌衛(wèi)星數(shù)量。如圖2所示，以192顆極軌衛(wèi)星為例，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量平均為6.2顆，而SpaceX可見(jiàn)星平均數(shù)量將超過(guò)100顆。從成本角度來(lái)看，按照單顆低軌衛(wèi)星制造與發(fā)射成本為100萬(wàn)美元計(jì)算，192顆衛(wèi)星不到2億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于GPS衛(wèi)星單顆5億美元的代價(jià)。

圖2 低軌衛(wèi)星覆蓋性[32]Fig.2 Coverage of LEO satellites

3)精度因子(Dilution of Precision，DOP)

DOP值代表了幾何構(gòu)型，DOP值越小說(shuō)明衛(wèi)星幾何構(gòu)型越好，相同測(cè)距誤差情況下定位精度越好。相同覆蓋重?cái)?shù)下，低軌導(dǎo)航系統(tǒng)具有和現(xiàn)有中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)類似的DOP值分布；但低軌衛(wèi)星具有低成本優(yōu)勢(shì)，低軌星座衛(wèi)星數(shù)量可以更多，其DOP值相對(duì)于GNSS星座具有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)2016年斯坦福大學(xué)仿真結(jié)果，現(xiàn)有GNSS的DOP值在1～3之間，而SpaceX等巨型星座的DOP普遍在1以內(nèi)，如圖3所示。

圖3 不同星座DOP值[32]Fig.3 DOPs of different constellations

4)定位精度

用戶定位精度=用戶DOP值×用戶測(cè)距誤差(Signal-in-Space User Range Error，SIS URE)。

目前，GPS的SIS URE為0.82m，假定低軌衛(wèi)星SIS URE模型與GPS類似，其SIS URE為3.3m。由于低軌星座的DOP值小于GNSS星座，GNSS定位精度與LEO定位精度相當(dāng)。

綜上所述，在所需衛(wèi)星數(shù)量方面，低軌衛(wèi)星數(shù)量雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于GNSS衛(wèi)星，但從成本來(lái)看，低軌衛(wèi)星制造成本將低于GNSS衛(wèi)星。在定位精度方面，現(xiàn)有GNSS定位精度水平與低軌獨(dú)立定位精度相當(dāng)，但是低軌信號(hào)與GNSS信號(hào)在信號(hào)頻點(diǎn)、信號(hào)格式等方面存在兼容互操作問(wèn)題，現(xiàn)有用戶接收機(jī)需要重新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，針對(duì)民用海量用戶代價(jià)太大。因此，低軌獨(dú)立導(dǎo)航對(duì)于普通大眾用戶用處不大。在用戶落地功率方面，低軌導(dǎo)航系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于軍用、重大基礎(chǔ)設(shè)施保障而言，具有特殊的吸引力。

1.4 低軌增強(qiáng)GNSS高精度服務(wù)能力分析

低軌衛(wèi)星軌道高度大約在800～1400km之間，處于北斗衛(wèi)星(22000km)的下方，可以作為天基監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)GNSS信號(hào)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提升GNSS實(shí)時(shí)定軌/定鐘能力。此外，采用低軌與中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航組合工作的方式，由低軌衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航測(cè)距信號(hào)，并廣播高精度電文信息，可形成新質(zhì)的高精度定位能力。

傳統(tǒng)PPP中，由于GNSS衛(wèi)星軌道高、星座幾何構(gòu)型變化較慢，相鄰歷元間觀測(cè)方程之間的相關(guān)性太強(qiáng)，因此在定位過(guò)程中需要經(jīng)歷相對(duì)較長(zhǎng)的收斂時(shí)間(十幾分鐘至幾十分鐘)，將載波相位模糊度收斂為整數(shù)以獲取厘米級(jí)的高精度定位結(jié)果。低軌衛(wèi)星星座的幾何構(gòu)型變化快(比中高軌星座快40倍左右)，有利于縮短PPP的收斂時(shí)間，研究表明，GNSS/LEO聯(lián)合高精度定位收斂時(shí)間可縮短至1min。

低軌衛(wèi)星高度低于GNSS衛(wèi)星，利用低軌衛(wèi)星對(duì)GNSS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)全球監(jiān)測(cè)覆蓋。利用低軌衛(wèi)星作為天基監(jiān)測(cè)站，一方面能夠大大減少地面站依賴，另一方面有望提高定軌精度。歐洲開(kāi)普勒計(jì)劃采用6顆LEO實(shí)現(xiàn)對(duì)中軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星天基監(jiān)測(cè)，通過(guò)星間激光鏈路、高精度光鐘以及地面觀測(cè)的技術(shù)手段，對(duì)高中低軌衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合定軌，期望能夠達(dá)到厘米級(jí)定軌精度。

除了低軌增強(qiáng)系統(tǒng)以外，面向高精度導(dǎo)航的增強(qiáng)系統(tǒng)包括局域增強(qiáng)系統(tǒng)和星基廣域高精度增強(qiáng)系統(tǒng)。其中局域增強(qiáng)系統(tǒng)采用RTK(Real-Time Kinematic)或者網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)體制，星基廣域高精度增強(qiáng)系統(tǒng)采用技術(shù)體制為PPP以及PPP-RTK方法。

RTK技術(shù)采用雙頻載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，能夠?qū)崿F(xiàn)秒級(jí)瞬時(shí)厘米級(jí)的定位精度。RTK水平精度能夠達(dá)到1cm+1×10(RMS)，垂直定位精度能夠達(dá)到2cm+1×10(RMS)，高精度收斂時(shí)間一般是秒級(jí)，RTK建站密度一般在20～50km。

PPP技術(shù)采用雙頻偽距和載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星播發(fā)的精密GNSS衛(wèi)星軌道、鐘差產(chǎn)品，通過(guò)模型改正以及參數(shù)估計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)高精度定位。實(shí)時(shí)PPP定位精度水平10cm(RMS)，垂直20cm(RMS)，收斂時(shí)間一般需要20～30min。武漢大學(xué)趙齊樂(lè)團(tuán)隊(duì)基于BDS/GPS/Galileo組合PPP定位，模糊度固定解的收斂時(shí)間約為1.37min。

PPP-RTK技術(shù)融合PPP和RTK兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用局域網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)精化求解相位偏差、大氣延遲等參數(shù)，重新生成各類改正信息并單獨(dú)播發(fā)給用戶。PPP-RTK定位精度與PPP相當(dāng)，但是解決了非差模糊度的快速固定難題，使得收斂時(shí)間大大加快，目前的收斂時(shí)間能夠達(dá)到1min。

相對(duì)于現(xiàn)有增強(qiáng)方式，低軌增強(qiáng)定位精度與PPP、PPP-RTK相當(dāng)，具有全球覆蓋能力，收斂時(shí)間能夠達(dá)到1min。與RTK和PPP-RTK相比，低軌增強(qiáng)能夠全球覆蓋，但是所需衛(wèi)星數(shù)量也較多，至少是雙重覆蓋，微厘空間一號(hào)設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座數(shù)量為150顆。

總之，低軌增強(qiáng)至少需要24個(gè)地面站，但需要150顆衛(wèi)星才能達(dá)到厘米級(jí)定位的分鐘級(jí)收斂，相比趙齊樂(lè)團(tuán)隊(duì)采用PPP方法實(shí)現(xiàn)的1.37min厘米級(jí)收斂，其優(yōu)勢(shì)并不是特別明顯。低軌增強(qiáng)與PPP、RTK、PPP-RTK對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 LEO增強(qiáng)、PPP、RTK、PPP-RTK對(duì)比

1.5 關(guān)于低軌導(dǎo)航星座的建設(shè)方式分析

低軌導(dǎo)航建設(shè)方式分為低軌導(dǎo)航專用星座和低軌通信星座建設(shè)兩種。

低軌導(dǎo)航專用星座采用專用導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)以及軌道設(shè)計(jì)，播發(fā)類似GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。低軌通信星座采用低軌通信衛(wèi)星搭載導(dǎo)航載荷，播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)。兩種星座實(shí)現(xiàn)方式的技術(shù)體制差別不大，低軌導(dǎo)航專用星座技術(shù)相對(duì)成熟，低軌通信星座可用頻點(diǎn)資源更加豐富(L、Ka、Ku、V等)，對(duì)于軍用備份導(dǎo)航有強(qiáng)烈需求；面臨的困難是與通信業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)資源，一方面需要考慮低軌衛(wèi)星信號(hào)設(shè)計(jì)，能夠兼顧高精度測(cè)距以及大容量通信需求，另一方面衛(wèi)星功率資源有限，涉及導(dǎo)航信號(hào)與通信信號(hào)協(xié)調(diào)發(fā)射功率資源。

雖然涉及信號(hào)體制設(shè)計(jì)和通信功能在資源協(xié)調(diào)方面的特殊困難，考慮到面向復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾導(dǎo)航的需求，基于通信星座建設(shè)低軌導(dǎo)航系統(tǒng)存在特殊優(yōu)勢(shì)，一是在頻率選擇方面，除了可以選擇L頻率，還可以選擇Ka、Ku、V等通信頻率；二是通信信號(hào)落地功率高于現(xiàn)有L頻段導(dǎo)航信號(hào)。因此，基于通信星座建設(shè)方式值得優(yōu)先考慮。

2 技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 時(shí)空基準(zhǔn)

時(shí)空基準(zhǔn)設(shè)計(jì)是整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，涉及時(shí)間基準(zhǔn)建立與維持、低軌衛(wèi)星定軌與預(yù)報(bào)等。從時(shí)空基準(zhǔn)建立的基本思路來(lái)看，一種是依賴GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)，將低軌星座的時(shí)空基準(zhǔn)通過(guò)中高軌導(dǎo)航信號(hào)直接溯源至既有中高軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)空基準(zhǔn)；另一種是不依賴GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)在地面設(shè)置時(shí)空基準(zhǔn)錨點(diǎn)，并依靠低軌星座內(nèi)部微波或激光鏈路，將時(shí)空基準(zhǔn)直接溯源至地面。目前討論的熱點(diǎn)是依賴GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)建立時(shí)空基準(zhǔn)。

1)依賴GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)建立時(shí)空基準(zhǔn)

? 時(shí)間基準(zhǔn)建立與維持

GNSS時(shí)間基準(zhǔn)依賴于星載原子鐘，但是星載原子鐘的功耗、尺寸、質(zhì)量和成本難以適用于低軌衛(wèi)星。低軌衛(wèi)星目前只能采用芯片原子鐘，但是芯片原子鐘時(shí)鐘穩(wěn)定度與GNSS星載原子鐘相差2個(gè)量級(jí)，因此低軌導(dǎo)航時(shí)間基準(zhǔn)建立和維持與星載原子鐘存在巨大差距。從高精度導(dǎo)航增強(qiáng)角度來(lái)看，時(shí)間基準(zhǔn)建立與維持將是低軌系統(tǒng)需要解決的難題之一。表5所示為GNSS原子鐘與Symmetricom公司SA.45芯片鐘特性。

表5 GPS衛(wèi)星原子鐘和芯片鐘性能對(duì)比

? 空間基準(zhǔn)建立與維持

為了保障高精度定位服務(wù)，低軌增強(qiáng)建設(shè)方需構(gòu)建高精度空間基準(zhǔn)，即具備低軌衛(wèi)星高精度實(shí)時(shí)定軌的能力。傳統(tǒng)的低軌衛(wèi)星定軌主要采用兩步法定軌方式，首先利用全球觀測(cè)站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)GNSS衛(wèi)星實(shí)時(shí)精密定軌，然后基于GNSS實(shí)時(shí)精密定軌產(chǎn)品與LEO衛(wèi)星星載GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)LEO精密定軌。

由于低軌導(dǎo)航衛(wèi)星具備GNSS信號(hào)監(jiān)測(cè)能力，針對(duì)低軌衛(wèi)星/GNSS衛(wèi)星一步法定軌成為研究熱點(diǎn)。一步法定軌基于GNSS地面觀測(cè)數(shù)據(jù)、GNSS-LEO觀測(cè)數(shù)據(jù)、LEO-地面觀測(cè)數(shù)據(jù)以及LEO-LEO星間鏈路數(shù)據(jù)聯(lián)合解算，實(shí)時(shí)完成GNSS高精度定軌和LEO高精度定軌。相對(duì)于兩步法定軌，一步法定軌具有更高的定軌精度，但是需要具備觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸以及更大的數(shù)據(jù)處理能力。

除此之外，部分學(xué)者還提出了基于LEO星載GNSS接收機(jī)的PPP技術(shù)實(shí)現(xiàn)LEO衛(wèi)星高精度定位方法。試驗(yàn)采用Fugro的精密產(chǎn)品，其中GPS軌道精度為3～4cm(RMS)，GPS時(shí)鐘精度為0.1ns(RMS)，LEO定位精度實(shí)現(xiàn)6.8cm(RMS)。相對(duì)比定軌方法，星載PPP定位方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是依賴實(shí)時(shí)GNSS精密產(chǎn)品。

針對(duì)一步法定軌、兩步法定軌以及星載PPP定位方法的選擇將是下一步空間基準(zhǔn)建立與維持需要研究的內(nèi)容。

2)不依賴GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)建立時(shí)空基準(zhǔn)

這方面既有的公開(kāi)研究成果相對(duì)較少，類比中高軌GNSS，低軌星座時(shí)空基準(zhǔn)需要星間鏈路以及大量地面站網(wǎng)，目前尚無(wú)成熟完整的解決方案，這也是未來(lái)需要研究的方向之一。

2.2 星座設(shè)計(jì)

星座設(shè)計(jì)與低軌增強(qiáng)應(yīng)用需求密切相關(guān)，也與低軌導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)方式(專用低軌和導(dǎo)通融合系統(tǒng))密切相關(guān)，需要從頂層設(shè)計(jì)開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃與布局，其主要的設(shè)計(jì)牽引包括信號(hào)覆蓋性和星座構(gòu)型兩方面。

1)信號(hào)覆蓋性

針對(duì)低軌獨(dú)立導(dǎo)航需求，需要保障全球至少4重LEO覆蓋。針對(duì)低軌增強(qiáng)GNSS需求，需要保障全球至少2重LEO覆蓋。

2)星座構(gòu)型

常用的星座包括極軌道星座和Walker星座，其中通信星座一般采用極軌道星座，導(dǎo)航星座一般采用Walker星座。極軌道是指衛(wèi)星在地球兩極南北向運(yùn)行的軌道，即軌道傾角為90°。幾個(gè)具有相同衛(wèi)星數(shù)、相同軌道高度和特定空間相位關(guān)系的極軌道平面構(gòu)成了一個(gè)極軌道星座。極軌星座具有覆蓋均勻特點(diǎn)。Walker星座由幾個(gè)相同高度和傾角的圓軌道組成。每個(gè)軌道平面的升交點(diǎn)赤徑在赤道面內(nèi)均勻分布，所有衛(wèi)星在軌道面上均布，Walker星座能提供穩(wěn)定的全球或區(qū)域覆蓋。Walker星座具有中低緯度覆蓋特點(diǎn)。

現(xiàn)有低軌增強(qiáng)星座主要采用極軌與Walker星座相結(jié)合的設(shè)計(jì)，兼具全球覆蓋和重點(diǎn)區(qū)域覆蓋的特點(diǎn)。針對(duì)極軌與傾斜軌道的混合星座設(shè)計(jì)，從覆蓋性、星間鏈路、軌道環(huán)境、實(shí)現(xiàn)代價(jià)等方面，如何合理且高效地保障全球均勻以及重點(diǎn)服務(wù)區(qū)域的導(dǎo)航/導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)，還需進(jìn)一步研究。

2.3 信號(hào)體制

低軌導(dǎo)航信號(hào)體制設(shè)計(jì)是低軌導(dǎo)航核心之一，涉及信號(hào)頻點(diǎn)/帶寬、發(fā)播機(jī)制、調(diào)制格式、功率配置以及電文設(shè)計(jì)等要素，而其設(shè)計(jì)主要考慮：一是低軌導(dǎo)航增強(qiáng)層面，需要關(guān)注與現(xiàn)有導(dǎo)航信號(hào)的兼容性與互操作性；二是低軌導(dǎo)航通信融合層面，重點(diǎn)關(guān)注與衛(wèi)星通信信號(hào)一體化設(shè)計(jì)與應(yīng)用問(wèn)題。

? 低軌增強(qiáng)信號(hào)體制

在信號(hào)頻點(diǎn)選擇方面，首要考慮的是低軌增強(qiáng)信號(hào)與GNSS信號(hào)頻點(diǎn)兼容。國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)在L頻段劃分了1164～1215MHz、1215～1260MHz、1260～1300MHz和1559～1610MHz共137MHz導(dǎo)航信號(hào)頻率，在L頻段劃分了1518～1525MHz共7MHz通信信號(hào)頻率。低軌導(dǎo)航信號(hào)頻率將從上述頻率擁擠的L頻率中選擇，并滿足相關(guān)ITU規(guī)定。

在信號(hào)調(diào)制方式方面，首先需要與現(xiàn)有信號(hào)體制相兼容，同時(shí)也需要提升民用導(dǎo)航公開(kāi)服務(wù)的抗欺騙能力。銥星采用信號(hào)加密方式，滿足授權(quán)用戶服務(wù)，同時(shí)采用數(shù)字波束認(rèn)證機(jī)制提升抗欺騙能力。Xona采用信號(hào)加密與電文認(rèn)證相結(jié)合的方式，保障用戶服務(wù)安全性。

從低軌高精度增強(qiáng)角度出發(fā)，需要設(shè)計(jì)廣播電文能夠表征低軌衛(wèi)星高精度軌道和鐘差。低軌衛(wèi)星軌道主要與攝動(dòng)力相關(guān)，與中高軌衛(wèi)星所受攝動(dòng)力相比，低軌衛(wèi)星受到大氣阻力影響，其受到攝動(dòng)力更為復(fù)雜?，F(xiàn)有北斗廣播星歷參數(shù)無(wú)法表征低軌衛(wèi)星軌道，因此低軌衛(wèi)星廣播電文設(shè)計(jì)也成為難點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[49]針對(duì)低軌衛(wèi)星的短期動(dòng)力學(xué)特性，提出了一組針對(duì)LEO的軌道狀態(tài)22參數(shù)廣播星歷，以滿足用戶低軌高精度軌道計(jì)算需求。

? 低軌導(dǎo)航通信融合信號(hào)體制

從低軌導(dǎo)航通信融合需求出發(fā)，可選擇衛(wèi)星通信的頻率資源，包括L、C、Ku以及Ka等。其中Ka頻段的優(yōu)點(diǎn)是可用帶寬大(200MHz以上)，可采用點(diǎn)波束播發(fā)，抗干擾能力強(qiáng)；缺點(diǎn)包括傳播損耗大，同等傳播距離比L頻段高20dB以上，且易受天氣影響，雨衰大。以30dBW典型等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP)為例，在不考慮雨衰時(shí)，軌道高度1000km，落地功率在-159dBW左右，與傳統(tǒng)L導(dǎo)航信號(hào)相當(dāng)。

在信號(hào)調(diào)制方式方面，則需要考慮導(dǎo)航信號(hào)與通信信號(hào)一體化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)低軌互聯(lián)網(wǎng)星座采用了類似于銥星STL信號(hào)設(shè)計(jì)，導(dǎo)航增強(qiáng)幀通過(guò)使用通信信號(hào)的部分時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)與Ka通信信號(hào)的兼容性。

2.4 監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)

現(xiàn)有監(jiān)測(cè)評(píng)估主要是面向GNSS，隨著低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)和發(fā)展，監(jiān)測(cè)評(píng)估將拓展到低軌導(dǎo)航增強(qiáng)。但是由于LEO單星覆蓋性較小，現(xiàn)有地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如何實(shí)現(xiàn)低軌導(dǎo)航監(jiān)測(cè)評(píng)估將是技術(shù)挑戰(zhàn)之一。從監(jiān)測(cè)站網(wǎng)設(shè)計(jì)來(lái)看，一方面可以增強(qiáng)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站數(shù)量；另一方面探索低軌衛(wèi)星監(jiān)測(cè)方式，即采用類似現(xiàn)有漏GNSS技術(shù)，通過(guò)接收地球?qū)γ娴穆㎜EO信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LEO信號(hào)監(jiān)測(cè)。

低軌導(dǎo)航監(jiān)測(cè)評(píng)估的使命是完成第三方監(jiān)測(cè)與性能評(píng)估，為導(dǎo)航用戶提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、可信、穩(wěn)定的系統(tǒng)效能監(jiān)測(cè)信息，例如：定軌精度、完好性、防欺騙等效能監(jiān)測(cè)，以支撐系統(tǒng)預(yù)警與用戶決策?，F(xiàn)階段針對(duì)低軌導(dǎo)航的監(jiān)測(cè)尚屬空白，這也是未來(lái)需要研究的重點(diǎn)之一。

3 結(jié)論與展望

本文針對(duì)基于低軌衛(wèi)星星座的導(dǎo)航技術(shù)開(kāi)展討論，分析了低軌導(dǎo)航潛在的應(yīng)用方向和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要意見(jiàn)如下：

1)低軌導(dǎo)航有兩類可供選擇的應(yīng)用方向，一是建設(shè)獨(dú)立的低軌導(dǎo)航系統(tǒng)，滿足復(fù)雜電磁環(huán)境下的米級(jí)精度抗干擾導(dǎo)航定位需求；二是建設(shè)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，與中高軌GNSS聯(lián)合工作，縮短PPP厘米級(jí)定位的收斂時(shí)間，相比建立獨(dú)立低軌導(dǎo)航系統(tǒng)而言，其所需的星座規(guī)模相對(duì)較小。

2)利用較少數(shù)量的低軌衛(wèi)星，開(kāi)展對(duì)現(xiàn)有中高軌GNSS衛(wèi)星信號(hào)的天基監(jiān)測(cè)和高精度定軌，可有效降低中高軌GNSS的地面建站壓力，并提升定軌精度，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3)相比于建立低軌導(dǎo)航專用星座，基于通信星座建立低軌導(dǎo)航系統(tǒng)，在信號(hào)頻點(diǎn)選擇(對(duì)應(yīng)于抗干擾)、星座建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本等方面具有特定優(yōu)勢(shì)。

4)相比現(xiàn)有的厘米級(jí)高精度導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)具有全球覆蓋以及收斂時(shí)間相對(duì)較短的優(yōu)勢(shì)，但在通信網(wǎng)絡(luò)和地面站覆蓋較為密集的區(qū)域，其與既有的RTK、PPP-RTK技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)并不明顯；在通信網(wǎng)絡(luò)和地面站不覆蓋區(qū)域有一定的優(yōu)勢(shì)，但高精度定位收斂時(shí)間縮短的程度相對(duì)有限?？紤]實(shí)際的應(yīng)用效能，其必將與RTK、PPP技術(shù)以及正在快速迭代發(fā)展的PPP-RTK技術(shù)形成激烈競(jìng)爭(zhēng)，在考慮綜合成本代價(jià)的情況下，孰優(yōu)孰劣還有待進(jìn)一步觀察。

5)低軌導(dǎo)航系統(tǒng)走向應(yīng)用尚存在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括時(shí)空基準(zhǔn)、星座設(shè)計(jì)、信號(hào)體制以及低軌信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估。特別是低軌信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估，由于低軌導(dǎo)航監(jiān)測(cè)評(píng)估客觀上需要遠(yuǎn)大于中高軌GNSS的布站密度，從而帶來(lái)巨大建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本，需要深入研究。低軌衛(wèi)星間的相互信號(hào)監(jiān)測(cè)可能是解決該問(wèn)題的有效方式。

總之，低軌導(dǎo)航既是一個(gè)老名詞，也是當(dāng)前歷史條件下的新生事物。在低軌衛(wèi)星系統(tǒng)走向全面建設(shè)的歷史性關(guān)頭，認(rèn)真思考低軌導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的應(yīng)用前景，識(shí)別并攻克相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)，具有重要意義。