低軌導航增強GNSS發(fā)展綜述

張小紅，馬福建

1. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是重要的時空信息基礎設施，在國民經(jīng)濟建設與國防安全領域發(fā)揮著十分重要的作用[1-2]，已廣泛應用于導航、定位和授時的眾多領域，其應用“僅受限于人們的想象力”。近年來，隨著5G/6G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和無人駕駛等技術的發(fā)展，社會生產(chǎn)和生活對精準時空信息的需求達到了前所未有的高度，已從過去的粗略、事后、靜態(tài)和區(qū)域，發(fā)展到現(xiàn)在的精準、實時、動態(tài)和全球[3]。以無人駕駛汽車為例，不僅需要實時車道級的導航精度，更需要全路況的連續(xù)可用。但是，衛(wèi)星導航系統(tǒng)自身還無法實現(xiàn)高精度的室內(nèi)外無縫連續(xù)可用。首先，GNSS基本導航服務能提供的定位精度通常只有10 m左右，無法滿足高精度用戶的需求；其次，微弱的GNSS信號，不足以穿透物理遮蔽，無法在室內(nèi)、森林和城市峽谷等信號遮蔽區(qū)域提供可靠連續(xù)的導航定位服務；此外，GNSS信號功率很低，容易受到干擾和欺騙，存在一定的安全隱患[4-5]。如何提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務性能，一直是衛(wèi)星導航技術發(fā)展的驅(qū)動力之一。

1 GNSS增強系統(tǒng)

為了提高衛(wèi)星導航定位的精度、可用性和完好性，在基本導航系統(tǒng)的基礎上，提出并研發(fā)了多種衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)。按照增強方式可分為信息增強和信號增強兩大類。

1.1 信息增強與信號增強

信息增強是指通過修正衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的誤差來提高導航定位精度和可靠性等的一種技術方式。信息增強不提供額外的距離觀測量，只提供消除GNSS誤差的修正信息和完好性信息。信息增強通常需要的是傳輸信道，能夠把增強信息播發(fā)給用戶。按照增強信息傳輸?shù)钠脚_方式，可以分為地基增強和星基增強。網(wǎng)絡RTK、星基差分等技術是典型的信息增強系統(tǒng)。

信號增強是指通過除導航衛(wèi)星以外的平臺來發(fā)射導航信號，用戶同時可以接收導航衛(wèi)星系統(tǒng)本身的導航信號以及其他額外的導航信號，進而提高導航定位精度和可用性的方法。信號增強通常需要信號發(fā)射機來為用戶提供測量信息。信號增強系統(tǒng)提供觀測量，可以與GNSS聯(lián)合定位或者獨立定位。按照發(fā)射導航信號平臺的位置，信號增強也可以分為地基增強和星基增強。

信息增強可以改善GNSS定位性能，但是對于收不到GNSS信號的情況來講，如室內(nèi)或者遮擋環(huán)境下，信息增強就無能為力了。而信號增強能夠提供新的觀測量，對于GNSS無能為力的場景，如立交橋下、城市峽谷地帶等衛(wèi)星數(shù)目可能不夠的情況下，通過信號增強的方式來彌補，甚至對于室內(nèi)這種GNSS信號無法到達的領域，信號增強也能提供解決方案。

1.2 地基增強與星基增強

從20世紀90年代初開始，國際上先后提出了以信息增強為主、信號增強為輔的GNSS增強系統(tǒng)，具有代表性的是美國的WAAS[6]、歐洲的EGNOS[7]等星基增強系統(tǒng)，以LAAS[8]為代表的地基增強系統(tǒng)；還提出了單純信息增強的GNSS增強系統(tǒng)，主要包括利用移動通信播發(fā)增強信息的地基增強系統(tǒng)(如網(wǎng)絡RTK)和利用通信衛(wèi)星播發(fā)增強信息的星基增強系統(tǒng)(如StarFire[9]、OmniSTAR[10]等星基差分定位系統(tǒng))。在開闊環(huán)境下，RTK技術能滿足實時高精度應用需求，但是需要區(qū)域密集參考站網(wǎng)的支持，PPP技術雖然不依賴于密集的參考站，但其定位的首次初始化時間較長，且信號失鎖后的重新初始化時間與首次初始化時間幾乎一樣長[11]，還難以滿足實時性的要求。特別是在高樓和立交橋日益增加的城市環(huán)境下，大部分衛(wèi)星信號被遮擋，RTK和PPP均無法提供連續(xù)可用的導航定位服務。

1.3 對現(xiàn)有GNSS增強系統(tǒng)的討論

不管是信息增強還是信號增強，采用地基增強GNSS的系統(tǒng)的覆蓋范圍有限，無法提供全球無縫統(tǒng)一的高精度服務。傳統(tǒng)的以信息增強為主、信號增強為輔的GNSS星基增強系統(tǒng)，除了日本的QZSS，均將GEO衛(wèi)星作為增強信息播發(fā)平臺，主要是利用其對地靜止和覆蓋面廣的優(yōu)勢，服務區(qū)內(nèi)用戶可以始終接收該衛(wèi)星的增強服務，但是GEO軌道資源非常有限、轉(zhuǎn)發(fā)通信時延高，且僅能覆蓋南北緯72°以下區(qū)域[12]，而實際上兩極地區(qū)對于SBAS服務有強烈的需求——北冰洋地區(qū)航海貿(mào)易隨著全球變暖導致的夏季海冰消融而日漸繁榮[13]，極地航線航程短節(jié)約燃油但對完好性要求高[14]；QZSS目前由3顆高軌IGSO(偏心率約0.075)和1顆GEO衛(wèi)星組成，通過將IGSO的遠地點置于日本上空，可以保證該區(qū)域天頂附近始終可見1顆高傾角衛(wèi)星，從而進行信息和信號增強，QZSS IGSO能夠覆蓋極區(qū)，為極地星基增強提供了解決方案之一[15]。

但是，這些已經(jīng)建立的星基增強系統(tǒng)因其能播發(fā)增強信號的衛(wèi)星數(shù)量有限，信號增強的能力較為有限。特別是隨著BDS、Galileo等全球系統(tǒng)，以及QZSS、IRNSS等區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建成，對多系統(tǒng)用戶來說，傳統(tǒng)以高軌衛(wèi)星為信號播發(fā)載體建成的星基增強系統(tǒng)，其信號增強的貢獻比較有限，在信號遮蔽區(qū)域和室內(nèi)仍然無法提供連續(xù)可用的導航定位服務。為了克服GNSS的脆弱性和局限性，近年來，國內(nèi)外學者提出通過建立低軌導航星座，利用低軌衛(wèi)星播發(fā)導航信號來增強GNSS的低軌導航增強的構想[16-19]。

2 低軌導航星座發(fā)展概況

1963年，美國海軍研制的第1代衛(wèi)星導航系統(tǒng)——子午衛(wèi)星系統(tǒng)(Transit)就是采用低軌星座，由5—10顆運行在高度約1100 km圓形極軌道上的低軌衛(wèi)星組成[20]。相比于傳統(tǒng)的地基無線電導航系統(tǒng)，Transit在定位精度方面有了明顯改善[21-22]，但無法實現(xiàn)瞬時單歷元定位，一般需要10～16 min的完整觀測，才能達到必要的幾何圖形條件。同時，受星座衛(wèi)星數(shù)量少的影響，用戶往往需要等待30～100 min，才能觀測到第2次衛(wèi)星入境[20]。1967年，蘇聯(lián)也開始部署自己的軍方導航通信系統(tǒng)(Parus/Tsikada)，在軌道類型、信號頻率、定位方式等方面都類似于Transit[23]。

直到1974年第1臺星載原子鐘的問世[24]，以及偽隨機噪聲碼擴頻調(diào)制和多址接入技術的發(fā)展[25]，美國和蘇聯(lián)相繼建設GPS和GLONASS系統(tǒng)。為了盡快實現(xiàn)全球任意地區(qū)四重以上覆蓋，綜合考慮系統(tǒng)的建設和維護成本，GPS和GLONASS均采用中軌道星座，而沒有采用低軌星座。

隨著通信業(yè)務的發(fā)展，在20世紀末，出現(xiàn)了用于移動通信的低軌衛(wèi)星星座，典型代表是美國的銥星(Iridium)和全球星(Globalstar)星座。第1代銥星系統(tǒng)于1998年5月建成，空間段由66顆低軌衛(wèi)星均勻分布在6個近圓極軌道上，每個軌道11顆，高度780 km，傾角86.4°，順行軌道面夾角31.6°，逆行軌道面夾角22°，順行軌道面間相鄰主星相位差16.4°(文獻[26])。銥星運行速度7.5 km/s，軌道周期100 min，產(chǎn)生的多普勒頻移量為±40 kHz。每顆衛(wèi)星形成48個點波束。星間鏈路使用Ka頻段與周邊4顆衛(wèi)星進行通信；地面上行和下行鏈路也使用Ka頻段；衛(wèi)星語音和數(shù)據(jù)信號發(fā)射使用L波段(1616～1 626.5 MHz)，采用符號率25 ksym/s的正交相移鍵控調(diào)制方式，信號幀長度90 ms，目前由Satelles公司取得唯一授權發(fā)射專用STL(satellite time and location)脈沖信號，既可以提供獨立的導航、定位和授時(PNT)服務，也能對GNSS系統(tǒng)進行信號增強(http:∥www.satellesinc.com/wp-content/uploads/2016/06/Satelles-White-Paper-Final.pdf)。銥星采用恒溫晶體振蕩器(OCXO)產(chǎn)生通信信號和維持系統(tǒng)時，短期內(nèi)性能很穩(wěn)定，100 s后鐘差和鐘漂穩(wěn)定性低于星載原子鐘，銥星鐘差穩(wěn)定度一般優(yōu)于10-11，1000 s前后分別表現(xiàn)為閃變噪聲和隨機游走噪聲，因而每天至少需要2次時頻調(diào)整以獲得時間同步[27]。目前，銥星系統(tǒng)已于2019年1月11日完成了全部衛(wèi)星的更新?lián)Q代，“銥星二代”空間段由66顆主星和9顆備份星構成[28]。

2015年以來，國際知名企業(yè)如美國的OneWeb[29]、SpaceX[30,31]和Boeing[32]，韓國的Samsung[33]、中國的航天科技集團[34]和航天科工集團[35]等，先后宣布發(fā)射和部署各自的商用低軌星座，衛(wèi)星數(shù)量由數(shù)十至上萬顆不等，初衷是為了從太空提供全球范圍內(nèi)、無縫穩(wěn)定的寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信服務。低軌星座建設進入蓬勃發(fā)展時期，如表1所示。文獻[17]從整個系統(tǒng)的架構，包括星座幾何圖形條件、空間信號測距誤差、星載原子鐘性能和定軌方法等方面，全面探索其擴展成為導航增強星座的可能性，結果令人振奮。

航天科技的“鴻雁”星座和航天科工的“虹云”工程等均將搭載導航增強有效載荷，既能為我國北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)提供增強改正數(shù)和完好性信息，又能夠自主地播發(fā)導航測距信號，增強PNT服務性能。

2018年3月，中國科學院光電研究院依托天儀研究院研制的衛(wèi)星平臺，開展了低軌衛(wèi)星導航信號增強在軌試驗，旨在驗證通信與導航增強在信號層面深度融合新體制的功能和性能，探索基于低軌衛(wèi)星導航信號增強的應用模式。試驗衛(wèi)星軌道高度537 km，導航增強信號采用時分多載波體制、S頻段播發(fā)，信號發(fā)射功率33 dBmW，落地電平-129～-118.5 dBmW，衛(wèi)星過境時長約10 min(http:∥www.beidou.gov.cn/yw/xydt/201803/t20180330_14297.html)。

2018年6月2日，武漢大學研制的“珞珈一號”科學實驗衛(wèi)星01星(Luojia-1A)成功發(fā)射，是我國開展低軌夜光遙感、導航增強衛(wèi)星研究以及集成化空間信息系統(tǒng)建設的有益探索。“珞珈一號”01星位于高度645 km的太陽同步軌道，同樣使用OCXO代替原子鐘。初步導航性能顯示，星歷內(nèi)符合精度為0.1 m，鐘差穩(wěn)定度為3×10-10，偽距和載波測量精度分別為2.6 m和0.013 m，高仰角條件下優(yōu)于1.5 m和1.7 mm，因而能夠聯(lián)合現(xiàn)有的GNSS增強實時導航服務[44-45]。

2018年下半年，“鴻雁”星座、“虹云”工程和北京未來導航科技有限公司的“微厘空間”，均發(fā)射了各自的首顆驗證衛(wèi)星開展測試論證工作。預計2023年前后，全球?qū)⑿纬啥鄠€低軌星座增強Multi-GNSS的新局面。

表1 部分已部署或提出的商用低軌星座匯總

3 低軌與中高軌衛(wèi)星導航關鍵指標對比

根據(jù)軌道的偏心率不同，可將其劃分為近圓軌道(偏心率<0.14)和橢圓軌道(偏心率≥0.14)，GNSS衛(wèi)星除了Galileo的FOC FM1和FOC FM2衛(wèi)星錯誤入軌至橢圓軌道之外，其余均工作在近圓軌道上。根據(jù)衛(wèi)星的運行高度不同，近圓軌道又可進一步細分為低軌、中軌和高軌。低軌道高度通常為300～2000 km，衛(wèi)星運行速度7.7～6.9 km/s，運行周期90.4～127.1 min；中軌道高度通常為2000～35 700 km，運行周期約2～24 h，受范艾倫輻射帶高能粒子輻射的影響[46]，很少有航天器在該區(qū)域活動，但GNSS衛(wèi)星卻普遍位于20 000 km左右，運行速度3.9 km/s，運行周期約12 h；高軌是指高度在35 700 km以上的軌道，典型的高軌衛(wèi)星是地球同步軌道衛(wèi)星，如BDS GEO和IGSO。截至2018年11月30日，全球在軌衛(wèi)星數(shù)量共計1957顆[47]，包括1232顆LEO、126顆MEO、558顆地球同步軌道和41顆橢圓軌道衛(wèi)星，如圖1所示。

圖1 空間輻射電離總劑量及在軌衛(wèi)星數(shù)量分布Fig.1 Distributions of the total ionizing dose of space radiation and operational satellites on orbit

與中高軌衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星具有距離地面近、運行速度快、受到的攝動影響大這3大特點。

3.1 低軌星座優(yōu)勢

首先，軌道越低，克服重力勢能做功到達指定高度所需的發(fā)射速度和能量越小，需要的燃料越少，運載火箭易于小型化。此外，輕型化的低軌小衛(wèi)星批量制造成本低，易于攜帶，可采用一箭多星技術減少發(fā)射次數(shù)。2017年1月14日，SpaceX就采用一箭十星的方式將“銥星二代”(Iridium NEXT)首批10顆低軌衛(wèi)星送入太空(http:∥www.gpsworld.com/spacex-launches-first-batch-of-iridium-next-satellites/)，大大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本。由于信號傳播距離短，自由空間損耗更少，高度780 km的銥星地面接收信號強度比GPS高約30 dB(1000倍)[48]，有助于改善信號受遮蔽環(huán)境下的定位效果，提升抗干擾、防欺騙性能；有利于高速衛(wèi)星通信、寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸；有利于對地觀測技術的發(fā)展，可以獲取高分辨率遙感影像、大氣監(jiān)測信息等。

其次，低軌衛(wèi)星運行速度快，多普勒頻移現(xiàn)象明顯，有利于提高測速的精度和基于多普勒觀測值的載波相位周跳探測效果，多普勒信息也可用于定位，如Transit；通常低軌衛(wèi)星在測站上方的可見時長僅10～20 min，如圖2所示，相同時間內(nèi)低軌衛(wèi)星劃過的天空軌跡更長，幾何圖形變化快，使得定位過程中歷元間觀測方程的相關性減弱[49]，參數(shù)的可估性大大增強，有望從根本上解決載波相位模糊度參數(shù)收斂和固定慢的問題，進而實現(xiàn)快速精密定位；短時間內(nèi)反射信號不再是靜態(tài)的，與直達信號更易分離，多路徑降相關時間短，對信號相關峰和正交性影響減小，抗多路徑效果好。

圖2 GPS和低軌衛(wèi)星在12 min內(nèi)劃過的天空軌跡對比Fig.2 Comparison of 12-min sky plots between GPS and LEO satellites

最后，低軌衛(wèi)星軌道低，對重力場敏感度高，有利于反演更高階數(shù)的地球重力場模型。

3.2 低軌星座劣勢

由于衛(wèi)星軌道低，單星地面覆蓋范圍小。圖3顯示高度1100 km的“鴻雁”低軌星座單顆衛(wèi)星覆蓋面積只有BDS GEO衛(wèi)星的1/10，因此，在截止高度角10°的情況下，經(jīng)計算至少需要54顆衛(wèi)星才能保證全球單重以上覆蓋[50]，低緯度地區(qū)僅可見1顆衛(wèi)星，若要滿足連續(xù)四重覆蓋的定位要求，則需要近200顆衛(wèi)星，并且“鴻雁”衛(wèi)星的天底距58°遠大于BDS GEO的9°，為保證覆蓋區(qū)的信號增益，應采用多波束天線[51]。接收機信號捕獲要求高，增加了接收機的負擔，捕獲過程中多普勒搜索范圍更大，捕獲速度降低[52]。低軌衛(wèi)星精密定軌與預報難度大。圖4給出了不同高度軌道攝動力的加速度量級[53]?？梢钥闯?，低軌所受到的大氣阻力、地球非球形引力和廣義相對論作用均明顯高于中高軌，需要選用更精細的力模型參數(shù)和處理策略進行精密定軌才能達到厘米級的定軌精度[54]，預報軌道根數(shù)的擬合時長需要20 min甚至更短，擬合參數(shù)更多[55-56]；由于低軌道的空氣阻力大，衛(wèi)星速度會逐漸降低，軌道高度也會降低，需要頻繁啟動進行軌道維持，但攜帶的燃料卻是有限的，低軌衛(wèi)星壽命短。

圖3 “鴻雁”星座增強北斗三代Fig.3 Sketch of the Hongyan constellation-augmented BDS-3

圖4 軌道攝動隨高度的變化[53]Fig.4 Orbital perturbations vary with altitude[53]

4 低軌導航增強帶來的機遇

與GPS、GLONASS、BDS、Galileo等中高軌導航衛(wèi)星相比，低軌導航信號將給聯(lián)合定軌、快速精密定位、空間天氣監(jiān)測、室內(nèi)定位等方面帶來好處。

4.1 聯(lián)合定軌

傳統(tǒng)的GNSS衛(wèi)星精密定軌是利用全球均勻分布的大量地面監(jiān)測站，對導航衛(wèi)星進行偽距和載波相位測量，再結合精確的軌道動力學模型和誤差改正模型進行數(shù)據(jù)處理，確定GNSS衛(wèi)星的精密軌道。然而，我國BDS監(jiān)測站建設受地緣因素影響較大，難以實現(xiàn)全球均勻布站[57]。搭載星載GNSS接收機的低軌衛(wèi)星可以作為“星基監(jiān)測站”，參與高中低軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌，能彌補地面站的不足，極大增強GNSS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)的圖形強度，使軌道和力模型參數(shù)估計得更準確，實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測站條件下的導航衛(wèi)星精密定軌。

2004年，文獻[58]最早提出采用全球分布的40個地面站與3顆低軌衛(wèi)星(CHAMP、GRACE-A/B)聯(lián)合定軌， GPS衛(wèi)星軌道精度由傳統(tǒng)定軌方法的7 cm提高為聯(lián)合定軌的3.7 cm。文獻[59]在PANDA軟件基礎上，開展了類似的研究工作，采用全球分布的21個地面站與3顆低軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌，相比于僅使用43個地面站的常規(guī)定軌，GPS軌道精度提升40%。文獻[34,57,60]基于仿真研究表明，在區(qū)域監(jiān)測站條件下，聯(lián)合定軌也能顯著改善BDS尤其是BDS GEO衛(wèi)星的定軌精度。文獻[61]基于仿真分析，提出了適用于大型低軌星座與GNSS星座聯(lián)合定軌的最佳方案，即首先優(yōu)選部分低軌衛(wèi)星，綜合使用星載GNSS數(shù)據(jù)、低軌衛(wèi)星和GNSS衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)聯(lián)合定軌，確定參與聯(lián)合定軌的衛(wèi)星的精密軌道和鐘差，再使用常規(guī)方法確定剩下的低軌衛(wèi)星軌道和鐘差，結果如圖5和圖6所示。該方案可以在保證計算效率的前提下，獲得理想的定軌和估鐘精度，空間信號測距誤差達到厘米級，能滿足實時精密定位服務的要求?？梢灶A見，未來整個空間信息網(wǎng)路建成以后，如圖7所示，各類星地鏈路、星間鏈路將會帶來更多的觀測數(shù)據(jù)和更強的幾何圖形條件，進一步提升聯(lián)合定軌的性能。

圖5 BDS+GPS+LEO星座聯(lián)合定軌在切向、法向和經(jīng)向分量上的軌道誤差[61]Fig.5 Orbit errors in along, cross, and radial components for BDS+GPS+LEO combined precise orbit determination[61]

圖6 BDS+GPS+LEO星座聯(lián)合定軌的估鐘誤差[61]Fig.6 Clock errors for BDS+GPS+LEO combined POD[61]

圖7 低軌導航和星間鏈路增強的高中低軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌Fig.7 Combined POD for high, medium, and low Earth orbit satellites augmented with LEO navigation and inter-satellite link data

4.2 快速精密定位

模糊度參數(shù)的快速解算是實現(xiàn)快速精密定位的關鍵。1998年，文獻[16]首次提出利用全球星(Globalstar)輔助GPS整周模糊度解算，設計了Globalstar/GPS雙系統(tǒng)接收機，并采用蒙特卡羅模擬測試其性能。結果表明，低軌衛(wèi)星幾何圖形的快速變化，有助于模糊度的快速解算，1 km和5 km的基線分別能夠在120 s和240 s內(nèi)，實現(xiàn)厘米級的快速差分定位。文獻[62]基于仿真數(shù)據(jù)，從基線精度、模糊度精度與相關性、模糊度精度因子和固定成功率等方面，全面評估銥星增強短基線GPS RTK對模糊度解算效果的提升。文獻[49]采用類似方法，研究了銥星增強BDS的效果。文獻[63]仿真分析了不同衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模的低軌星座增強中長基線GPS RTK定位性能。結果表明，低軌衛(wèi)星數(shù)量充足的情況下，長基線RTK模糊度首次固定時間平均由12 min縮短至2 min，固定成功率由76%提升至96%。

為了分析低軌導航增強星座對PPP的貢獻，2015年，文獻[64]最早仿真比較單GPS、GPS+GLONASS、GPS+LEO PPP的定位精度和收斂時間。結果表明，采用GPS+LEO和GPS+GLONASS組合PPP收斂時間分別縮短51.31%和3.93%，說明低軌衛(wèi)星對PPP收斂速度提升貢獻更大。文獻[18—19,65]基于更精細仿真的觀測值，評估不同低軌星座增強BDS或Multi-GNSS PPP浮點解收斂性能。結果表明，PPP收斂時間可由單系統(tǒng)的30 min顯著縮短至數(shù)分鐘甚至1 min以內(nèi)，且收斂速度增強效果主要取決于可見低軌衛(wèi)星數(shù)，如圖8所示。通過加入包含60、96、192和288顆星的低軌星座增強Multi-GNSS PPP，中緯度NNOR站上分別可見2.4、3.1、6.3和9.5顆低軌衛(wèi)星，收斂時間由12.5 min縮短至6.2 min、3.9 min、2.8 min和1.9 min[19]。在此基礎上，文獻[66]進一步探究了低軌星座增強Multi-GNSS PPP三頻固定解的性能?？傮w而言，在不依賴區(qū)域密集地面參考站增強的條件下，基于低軌全球?qū)Ш叫亲鰪奊NSS，有望從根本上解決PPP初始化時間長的難題，真正發(fā)揮PPP技術的優(yōu)越性[67]。

4.3 空間天氣監(jiān)測

高中低軌導航星座聯(lián)合，為大氣監(jiān)測提供了新的技術手段。其優(yōu)勢在于：更多的可用衛(wèi)星，可以提取出數(shù)量更多的傾斜路徑延遲；短時間內(nèi)能夠提供更多有效的觀測數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)快速的大氣建模；單位時間內(nèi)低軌衛(wèi)星劃過的軌跡長，高度角和方位角變化大，使得有效監(jiān)測范圍擴大，如圖9所示。初步模擬結果表明，LEO星群新的電離層觀測可為電離層建模提供極為豐富的觀測資料數(shù)據(jù)，特別是可以有效填補70%的海洋上空沒有地基GNSS電離層觀測的資料空白；有助于提取和監(jiān)測對流層梯度、電離層梯度、電離層閃爍等快變參數(shù)；BDS GEO衛(wèi)星具有獨特的靜地特性，有利于特定地區(qū)長時間的大氣監(jiān)測[68]；不同高度衛(wèi)星星座組合，有助于研究電離層的垂直分層結構；低軌星座星載GNSS數(shù)據(jù)，可用于提取等離子體層的電子含量[69]。

4.4 室內(nèi)定位

低軌衛(wèi)星距離地球表面近，地面接收信號強度高，有利于改善信號受遮蔽環(huán)境下的定位性能。2016年，Satelles公司對某高層建筑物STL室內(nèi)服務性能進行了測試，選用獨立溫控晶體振蕩器(TCXO)作為接收機鐘，如圖10和圖11所示。結果表明，對于GPS，只有在最頂層(13樓)靠窗處才能接收到1—2顆衛(wèi)星的信號，其余層則接收不到信號；而對于銥星，其信號強度高，能夠穿透多層鋼筋混凝土材料的阻隔，即使在第2層也能獲得35～55dB-Hz的載噪比，相當于GPS在野外開闊環(huán)境下的信號功率水平，STL室內(nèi)定位精度為20 m、授時精度為亞μs級[70]。2018年，STL最新測試結果表明，若采用差分數(shù)據(jù)并選用精度更高的OCXO作為接收機鐘，室內(nèi)授時精度可提升至160 ns(http:∥www.gpsworld.com/satelles-shows-improved-pnt-accuracy-from-leo-con-stellation/)。在野外開闊地帶，STL定位精度不如GNSS高，但由于其采用專用的加密信號，抗干擾、防欺騙能力更強，能夠增強GNSS的完好性[71-72]。

綜上，低軌導航增強采用了低軌道，增強信息播發(fā)時延小、傳輸數(shù)據(jù)量大；增強信號功率強，抗干擾、防欺騙性能好，能夠增強室內(nèi)等遮蔽區(qū)域服務性能；增強信號也能顯著加快精密定位模糊度收斂，為聯(lián)合定軌和空間天氣監(jiān)測等提供更多的有效數(shù)據(jù)源。在覆蓋性方面，雖然低軌衛(wèi)星單星覆蓋面小，但多顆衛(wèi)星構成的星座，能夠?qū)⑻峁┌▋蓸O地區(qū)在內(nèi)的全球性信息和信號增強。低軌星座具有地面接收信號強、幾何圖形變化快的優(yōu)勢，能夠與中高軌GNSS星座形成互補，有望實現(xiàn)對導航系統(tǒng)精度、完好性、連續(xù)性和可用性的全面增強。

5 低軌導航增強關鍵技術

低軌全球?qū)Ш皆鰪娤到y(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成?？臻g段由數(shù)十至上百顆搭載導航增強有效載荷的低軌衛(wèi)星構成，主要任務是向各類用戶播發(fā)導航信號、高中低軌導航衛(wèi)星增強信息等，具備轉(zhuǎn)發(fā)星和導航星功能；地面段包括地面運控系統(tǒng)和地面監(jiān)測站，共同完成在軌衛(wèi)星的運行管理和控制；用戶段包括各類型用戶終端、模塊、芯片及配套設備。低軌導航增強從現(xiàn)在的概念階段到未來實際運行的業(yè)務系統(tǒng)，在空間段、地面段和用戶段均需要突破一系列的關鍵技術。

5.1 空間段

星座構型的設計與優(yōu)化，是空間段建設必須解決的首要問題，直接決定了增強系統(tǒng)的成本、覆蓋性能、幾何圖形強度和服務能力，應當在盡可能節(jié)約成本的前提下，利用具有相似類型和功能的多顆低軌衛(wèi)星，分布在相似或互補的軌道上，共享控制，協(xié)同完成導航增強任務。

低軌衛(wèi)星數(shù)目眾多，容易產(chǎn)生多址干擾，而且由于多頻GNSS普遍采用L波段，導致該頻段上信號日趨擁擠，信號干擾問題日益嚴峻。因此，需要設計具有一定抗干擾性能的新信號體制，開發(fā)新的導航頻段(如S頻段、C頻段)，研究適用低軌導航增強信號的擴頻碼優(yōu)化、信號調(diào)制、捕獲跟蹤、信道編碼和多路復用等技術。

圖8 不同衛(wèi)星數(shù)量規(guī)模的低軌星座增強Multi-GNSS PPP[19]Fig.8 Different satellite numbers of LEO constellation-augmented Multi-GNSS PPP[19]

圖9 Multi-GNSS與192顆星的低軌星座在1 h內(nèi)產(chǎn)生的地基電離層穿刺點分布對比Fig.9 Comparison of the distributions of 1 h ground-based ionospheric pierce points between the multi-GNSS and 192 satellites LEO constellation

圖10 銥星STL測試場景[70]Fig.10 Test scenario of Iridium based STL[70]

如何最大限度地發(fā)揮低軌星座自身優(yōu)勢，實現(xiàn)導航與通信的融合也是關鍵。目前已經(jīng)可以利用移動通信網(wǎng)絡來播發(fā)GNSS增強信息?？梢哉J為，衛(wèi)星導航與移動通信已經(jīng)實現(xiàn)了部分融合。由于低軌導航增強今后主要將依托于互聯(lián)網(wǎng)星座進行推廣，未來一定會進一步加強導航和通信在信息層面甚至信號層面的深度融合，通過導航增強信號與移動通信信號的聯(lián)合設計，將導航信號的所有功率全部分配給導頻分量，有利于接收機的跟蹤、捕獲和測距，而電文數(shù)據(jù)則可以通過低軌互聯(lián)網(wǎng)通信來快速播發(fā)[73]。

在衛(wèi)星有效載荷的配置方面，應依托低軌互聯(lián)網(wǎng)星座平臺，優(yōu)選部分衛(wèi)星實現(xiàn)一星多用，通過搭載不同有效載荷，同時開展導航增強、遙感、衛(wèi)星重力、衛(wèi)星測高、掩星探測、星基GNSS-R等科學研究。由于低軌區(qū)域的空間電離輻射較小，因而可以使用商用現(xiàn)成品(COTS)器件和芯片級原子鐘(CSAC)以降低成本。

近地空間環(huán)境碎片監(jiān)測也是必須關注的問題。2009年2月10日，銥星33號曾與一顆俄羅斯報廢衛(wèi)星相撞形成無數(shù)太空碎片[74]，因此，如何避免近地空間數(shù)以千計的衛(wèi)星之間發(fā)生碰撞以及衛(wèi)星與空間碎片間的碰撞極其關鍵，需要精確監(jiān)測衛(wèi)星周圍的環(huán)境，及時機動規(guī)避風險，同時依賴國際合作，共同遵守《外層空間條約》[75-76]。

5.2 地面段

地面運控部分同樣面臨著一些挑戰(zhàn)。由于低軌道衛(wèi)星特殊的動力學特征，在星歷和鐘差參數(shù)的擬合時長、更新頻度、參數(shù)個數(shù)等方面，與傳統(tǒng)的中高軌GNSS衛(wèi)星均有所差異；低軌導航增強衛(wèi)星還需要額外播發(fā)增強改正數(shù)和完好性信息，與基本導航數(shù)據(jù)相比，增強改正數(shù)有效時間短、時效性強，分為快變改正參數(shù)和慢變改正參數(shù)，必須分析增強信息的參數(shù)特性，擬合參數(shù)精度指標與播發(fā)時延的關系，得出各增強參數(shù)的實時性要求。低軌導航電文信息及其編排模式、快變和慢變電文參數(shù)等信息需要根據(jù)預留的信息位重新定義設計，主要取決于系統(tǒng)播發(fā)能力和參數(shù)播發(fā)的實時性需求兩者間的協(xié)調(diào)關系。

低軌衛(wèi)星運行速度快、過境時間短、信息傳輸時間相應縮短、地面覆蓋小，在電文上注時需要更多的地面注入站或依靠星間鏈路通信進行電文信息傳遞。若采用星間通信，應與中高軌衛(wèi)星共同構成混合星座，那么低軌衛(wèi)星與中高軌衛(wèi)星間通信方式的最優(yōu)選擇是有待論證和解決的問題。

地面段一項重要任務是建立與維持低軌導航增強星座的時空基準。GNSS與低軌增強數(shù)據(jù)的融合處理，需要在高精度、統(tǒng)一的時空框架下完成。對于時間系統(tǒng)，需要給出低軌導航增強系統(tǒng)時定義，并進行系統(tǒng)時間的建立與維持、系統(tǒng)內(nèi)部時間同步、系統(tǒng)時間溯源及時差預報工作；對于坐標系統(tǒng)，需要給出低軌導航增強系統(tǒng)坐標系定義、實現(xiàn)、更新、維護，及其與其他坐標系轉(zhuǎn)換的方法。而時空基準的統(tǒng)一，離不開GNSS和低軌星座精密定軌估鐘。

為了獲取所有低軌衛(wèi)星實時精密軌道，地面主控站可以采用多種定軌策略，包括區(qū)域監(jiān)測站條件下GNSS與低軌星座聯(lián)合精密定軌及軌道預報、僅使用全球跟蹤站網(wǎng)而不依賴于GNSS的低軌星座定軌、星間鏈路定軌等，由于衛(wèi)星數(shù)量多、計算量大，單站觀測弧段短，且在局部區(qū)域存在衛(wèi)星出入境不穩(wěn)定、不連續(xù)的情況，因此，需要分析論證不同觀測弧長對定軌精度的影響，同時開發(fā)高效率的分布式、并行處理算法。定軌和軌道預報中最難模型化的是太陽光壓模型，該模型主要受衛(wèi)星平臺和衛(wèi)星姿態(tài)等因素的影響，需要針對不同型號低軌衛(wèi)星求取相應的光壓反射系數(shù)，研究以太陽光壓反射系數(shù)為主的動力學模型參數(shù)變化特性，建立與衛(wèi)星姿態(tài)及太陽位置相關的高精度數(shù)學模型，提升精密定軌和中長期預報精度。

在星地時間維持和同步方面，由于高性能星載原子鐘的功耗、尺寸、重量和成本等因素的影響，導致其不適用于低軌衛(wèi)星低成本需求，一般使用CASC或OCXO作為替代進行時間維持，為了保證其高精度和時頻穩(wěn)定性，需要實時或近實時解算低軌衛(wèi)星鐘差，采用鐘差馴服的方式維持低軌衛(wèi)星時間基準，對低軌衛(wèi)星上載荷的計算能力提出了挑戰(zhàn)；或者部分衛(wèi)星搭載高性能原子鐘，其余衛(wèi)星通過星間、星地通信實現(xiàn)時間同步。

地面控制部分還要負責低軌導航增強星座管理和衛(wèi)星控制工作。具體包括：制定長期和中期的任務計劃，確保信號的全球覆蓋和連續(xù)性；衛(wèi)星總體星座的維持；按計劃補充足夠的衛(wèi)星；處理意外事件和失效衛(wèi)星，將它們對服務的影響降到最??；監(jiān)視和控制每顆衛(wèi)星各方面的狀態(tài)，保證衛(wèi)星和有效荷載的正常運行以及在意外事件發(fā)生時對一些突發(fā)性事件處理；計劃并執(zhí)行軌道調(diào)度、平臺維持等；支持在軌軟件維護[77]。

5.3 用戶段

低軌導航增強對地面用戶軟硬件設備和數(shù)據(jù)處理方式提出了新的要求。

在低軌衛(wèi)星高動態(tài)條件下，接收機信號捕獲更加困難，多普勒搜索范圍更大，捕獲速度降低。短時間內(nèi)站星連線方向的距離變化大，使得接收信號強度變化大，導致偽距噪聲變化不均勻，影響碼觀測值精度，接收機射頻前端也要改變，同時，站星連線方向加速度也會變化更大，引起載波頻率和碼相位的大幅變化，容易產(chǎn)生信號失鎖，更大的多普勒預測不確定性和更短的相干積分時間要求，給信號的高精度穩(wěn)定跟蹤帶來挑戰(zhàn)[78]。低軌衛(wèi)星數(shù)量多，且觀測弧段短、衛(wèi)星切換頻繁，需要提升接收機的通道數(shù)量、存儲容量、微處理器計算能力等，優(yōu)化天線單元和接收單元。針對低軌導航可能采用S或C頻段增強信號，需要設計L+S或L+C一體化天線，相應的射頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換、基帶信號處理、捕獲、跟蹤、解調(diào)等方式均需要做出調(diào)整。

在數(shù)據(jù)處理方面，應設計開發(fā)更加嚴苛的質(zhì)量控制算法，以診斷衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的異常等。信號失鎖和頻繁的衛(wèi)星切換可能會產(chǎn)生更多的周跳，而低軌衛(wèi)星運行速度快，歷元間電離層變化大，傳統(tǒng)周跳探測算法如電離層殘差法將不再適用，需要研究更有效的算法。高中低軌衛(wèi)星融合定位數(shù)學模型需要進一步精化，因為新的導航增強信號將引入更多與系統(tǒng)、軌道類型、碼類型和頻率等有關的偏差項，需要對各類偏差的時域和空域特性進行仔細分析和建模，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中予以改正或估計。此外，多源異構星座觀測值的合理定權，也是需要關注的問題。

6 結論與展望

總之，低軌星座具有地面接收信號強度高、幾何圖形變化快等優(yōu)勢，能夠在全球范圍內(nèi)對GNSS形成信息增強和信號增強，全面提升衛(wèi)星導航系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性，為高中低聯(lián)合精密定軌、快速精密定位、空間天氣監(jiān)測和室內(nèi)定位等實際應用和科學研究帶來新的發(fā)展機遇，有望解決當前增強系統(tǒng)在全球覆蓋、低落地功率和廣域精密定位初始化時間長、可靠性偏低等方面的問題，服務于未來以電網(wǎng)、銀行、證券、軍事等高價值安全用戶，以及以自動駕駛、無人機為代表的實時精密定位用戶。隨著5G/6G技術的發(fā)展，空、天、地、海泛在移動通信網(wǎng)絡的建立，智能手機等移動終端處理能力的提升，低軌導航增強最終有望走進千家萬戶，實現(xiàn)大眾應用。低軌導航增強也將是我國綜合PNT體系的重要組成部分。當然，也如前文所述，低軌導航增強在空間段、地面段和用戶段也還存在許多關鍵技術有待突破和研究。

為了滿足智能時代人們對于精準時空信息的需求，在星基與地基增強一體化[3]、“通導”或“通導遙”一體化的基礎上[79]，突破衛(wèi)星導航與慣性、激光雷達、視覺等多源傳感器的自適應融合導航的關鍵性技術[4,5]，也是導航領域的發(fā)展方向。