低軌導(dǎo)航增強(qiáng)，勾勒高精時(shí)空藍(lán)圖

+郭朝暉

未來(lái)汽車是什么樣的？

未來(lái)汽車是什么樣的？展開想象，智能、自動(dòng)、安全、舒適，這些字眼都是我們能夠直接想到的。是的，借助日益發(fā)展的傳感器技術(shù)與智能計(jì)算技術(shù)，汽車正在一條全新的道路上快速發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，自動(dòng)駕駛車輛將陸續(xù)上路，實(shí)現(xiàn)更高效、更智能的新型交通模式。

自動(dòng)駕駛車輛的核心要素之一就是高精度定位。借助于精確的位置結(jié)合高精度地圖，可實(shí)現(xiàn)車道級(jí)導(dǎo)航，進(jìn)而更好地服務(wù)于車輛變道、匝道行駛，更便捷地適配多種多樣的交通規(guī)則。

面向自動(dòng)駕駛的“原生”高精度服務(wù)

位置信息，作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛必不可少的要素，自然備受矚目。如何為汽車提供精確、可靠的位置信息，是直接影響自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素之一。

GNSS（Global Navigation Satellite System）即“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”，是目前應(yīng)用最廣泛的絕對(duì)定位技術(shù)。GNSS定位技術(shù)在汽車上最典型的應(yīng)用就是汽車導(dǎo)航。隨著高精度定位的普及和高精度地圖的發(fā)展，導(dǎo)航向車道級(jí)精度邁進(jìn)。如何提高傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航的全球瞬時(shí)高精度定位能力，是智能汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必須面對(duì)的問題。同時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車對(duì)高精度定位的可靠性、安全性、完好性提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，要求高精度定位的安全可評(píng)估，能夠給出具體的安全性指標(biāo)。

當(dāng)前的GNSS系統(tǒng)提供的定位性能普遍都在米級(jí)水平，一般處在5～10米左右。由于受到衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)等誤差源影響，僅僅靠GNSS已經(jīng)很難將定位精度進(jìn)一步提升。因此，需要引入導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，為用戶在GNSS的基礎(chǔ)上獲取分米、厘米，乃至毫米級(jí)的定位精度。

按實(shí)現(xiàn)方式不同，現(xiàn)有導(dǎo)航增強(qiáng)體制可分為地基增強(qiáng)系統(tǒng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)兩種。

地基增強(qiáng)系統(tǒng)建立了龐大的地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，采用差分體制，即認(rèn)為當(dāng)移動(dòng)接收站和基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站相距不遠(yuǎn)時(shí)，兩者相對(duì)于某一顆導(dǎo)航衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)誤差是一致的。通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或特種通信鏈路，將差分誤差發(fā)送至移動(dòng)接收站，實(shí)現(xiàn)定位精度的提升。

地基增強(qiáng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、分厘米級(jí)的定位精度，缺點(diǎn)是需要依賴通信鏈路來(lái)播發(fā)差分誤差信息，且需要建設(shè)較多基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站，投入成本較大，在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋等區(qū)域也無(wú)法覆蓋。

星基增強(qiáng)系統(tǒng)采用絕對(duì)定位體制，即地面基準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)將GNSS衛(wèi)星的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心處理得到衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)等誤差修正量，并通過地球同步軌道通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)接收站，移動(dòng)接收站通過PPP（Precise Point Positioning）精密單點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位精度的提升。

星基增強(qiáng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是除南北緯70°以上極地區(qū)域外，全球其他區(qū)域均可覆蓋，不受地理環(huán)境限制，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)、分厘米級(jí)的定位精度；缺點(diǎn)是由于GNSS衛(wèi)星軌道高度較高，短時(shí)間內(nèi)空間幾何結(jié)構(gòu)變化不大，移動(dòng)接收站要實(shí)現(xiàn)分厘米級(jí)的定位精度需要20至30分鐘左右的收斂時(shí)間。

可以看到，不管是地基增強(qiáng)系統(tǒng)還是星基增強(qiáng)系統(tǒng)，沒有一種方式能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)通用的無(wú)縫瞬時(shí)高精度定位，而低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)體制正可以彌補(bǔ)這一痛點(diǎn)。前述星基增強(qiáng)采用的PPP精密單點(diǎn)定位技術(shù)，由于中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地運(yùn)動(dòng)速度慢，短時(shí)間內(nèi)空間幾何分布變化不明顯，因而定位精度達(dá)到厘米級(jí)別需要較長(zhǎng)收斂時(shí)間。而低軌衛(wèi)星相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)速度快，其同時(shí)播發(fā)類似于GNSS的導(dǎo)航信號(hào)，并調(diào)制衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延時(shí)、對(duì)流層延時(shí)等誤差修正量，地面移動(dòng)接收站接收到低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)后，與北斗/GPS等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合解算，可將傳統(tǒng)PPP精密單點(diǎn)定位收斂至厘米級(jí)定位精度所需的時(shí)間減小至1分鐘以內(nèi)，極大提升該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。而且，由于低軌衛(wèi)星的全球覆蓋特性，采用低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)與北斗/GPS等系統(tǒng)組合，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)無(wú)縫瞬時(shí)的高精度定位服務(wù)。

地基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖

星基導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖

同時(shí)，商業(yè)航天為低軌衛(wèi)星系統(tǒng)帶來(lái)了新的活力，利用低軌導(dǎo)航衛(wèi)星的特性，可實(shí)現(xiàn)滿足自動(dòng)駕駛快速收斂的高信息承載量的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能夠覆蓋全球的低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的構(gòu)建理念

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)與信息雙增強(qiáng)。信號(hào)增強(qiáng)是指低軌衛(wèi)星將會(huì)對(duì)地面廣播測(cè)距信號(hào)，這相當(dāng)于增加了新的衛(wèi)星信號(hào)，低軌信號(hào)具有更好的抗干擾能力、更高的信息承載量，能夠有效的提升GNSS信號(hào)的環(huán)境適應(yīng)性。信息增強(qiáng)指的是測(cè)距信號(hào)中將會(huì)調(diào)制精密軌道、鐘差等高精度定位所需要的精密產(chǎn)品，滿足地面終端完成精密單點(diǎn)定位（PPP）的需要。借助于低軌衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，PPP收斂速度將提升至1分鐘以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高精度定位的快速初始化。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星需要與現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)空基準(zhǔn)的統(tǒng)一，以實(shí)現(xiàn)同一基準(zhǔn)下的高精度定位。通過低軌衛(wèi)星星載接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，建立低軌導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)統(tǒng)一的坐標(biāo)與時(shí)間框架，實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星與GNSS融合定位。

時(shí)空道宇低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)建成后，未來(lái)的汽車在全球范圍內(nèi)均可獲得準(zhǔn)確、可靠的高精度定位服務(wù)，未來(lái)出行體系的空、天、地服務(wù)也將受益于低軌導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)，提升服務(wù)體驗(yàn)與安全性。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)如何體現(xiàn)服務(wù)優(yōu)勢(shì)？

星載實(shí)時(shí)PPP不同向的定軌精度

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋全球，在全球任意角落均可接收到平均4顆衛(wèi)星的信號(hào)。低軌衛(wèi)星的信號(hào)承載了測(cè)距信號(hào)和增強(qiáng)信息，可支持低軌/GNSS快速收斂及厘米級(jí)定位，滿足自動(dòng)駕駛的車道級(jí)導(dǎo)航需求。同時(shí)，利用低軌衛(wèi)星在軌信號(hào)接收，可以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星完好性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為自動(dòng)駕駛用戶提供安全可靠的服務(wù)。

基于上述理念，浙江時(shí)空道宇科技有限公司提出了低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的規(guī)劃，首發(fā)雙星發(fā)射后，將開展全球首個(gè)商用低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)驗(yàn)證。未來(lái)星座投入使用后，將更好地服務(wù)于北斗衛(wèi)星的定軌定鐘，衛(wèi)星狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等重要應(yīng)用，成為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的有力補(bǔ)充；低軌/北斗融合的定位體系，能夠?yàn)橛脩籼峁└咧械蛙壭l(wèi)星信號(hào)，提供瞬時(shí)定位、瞬時(shí)收斂的高精度定位服務(wù)，大大提高GNSS定位系統(tǒng)的性能，為導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)注入新的活力。

現(xiàn)階段的低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)，以北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，也具備獨(dú)立運(yùn)行能力，以納秒級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)和厘米級(jí)空間基準(zhǔn)，提供物與物精準(zhǔn)互聯(lián)的高精時(shí)空服務(wù)。這其中的關(guān)鍵技術(shù)，就體現(xiàn)在低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷中。

時(shí)空道宇低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷設(shè)計(jì)思路

功能先進(jìn)性

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是低軌衛(wèi)星除了提供導(dǎo)航增強(qiáng)信息外，還需提供類似于GNSS的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信息和信號(hào)雙增強(qiáng)。

星載實(shí)時(shí)PPP

低軌/GNSS組合PPP利用低軌衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)特性，在低軌衛(wèi)星加入定位解算后能夠有效減小初始化收斂時(shí)間，而低軌衛(wèi)星的精密星歷來(lái)源于星載實(shí)時(shí)PPP技術(shù)。低軌衛(wèi)星星載接收機(jī)利用地面定時(shí)注入的GNSS軌道/鐘差改正、GNSS偽碼/相位偏差等增強(qiáng)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密定位定軌功能。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，星載實(shí)時(shí)PPP在不同方向均能取得優(yōu)于2cm的定位精度。星載實(shí)時(shí)PPP提升了低軌衛(wèi)星精密定軌的實(shí)時(shí)性，使得低軌衛(wèi)星作為信號(hào)增強(qiáng)源，加入到低軌/GNSS組合PPP成為現(xiàn)實(shí)。

發(fā)射天線賦形

由于低軌衛(wèi)星星下點(diǎn)和邊緣處距離相差較大，為確保低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)落地電平的均衡性，星上發(fā)射天線應(yīng)采用對(duì)地賦形，設(shè)計(jì)成馬鞍形狀。此種設(shè)計(jì)與北斗/GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航天線采用類似的原理，但低軌衛(wèi)星發(fā)射天線中心與邊緣的增益相差要求更嚴(yán)格。

低軌衛(wèi)星在不同區(qū)域單粒子翻轉(zhuǎn)概率

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)將賦能未來(lái)出行，為時(shí)空道宇天地一體化高精時(shí)空信息系統(tǒng)，創(chuàng)造無(wú)限可能。

適合低軌導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星的馬鞍形賦形天線方向圖

功能軟件化

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)載荷連續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性要求極高，為了應(yīng)對(duì)空間復(fù)雜的環(huán)境，導(dǎo)航增強(qiáng)載荷采用了多種抗單粒子翻轉(zhuǎn)措施，包括三模冗余、定時(shí)刷新、檢錯(cuò)糾錯(cuò)等。以往一些衛(wèi)星往往采用增加單機(jī)厚度、使用抗輻照芯片等硬性的措施來(lái)防空間輻射，不僅增加了成本，效果也不甚理想。而導(dǎo)航增強(qiáng)載荷采用的軟件化預(yù)防措施，能夠?qū)崿F(xiàn)以柔克剛的效果。

另一方面，導(dǎo)航增強(qiáng)載荷軟件實(shí)現(xiàn)全部可重構(gòu)化，具備在軌可升級(jí)功能。由于隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，或者是溫度梯度的變化，載荷元器件會(huì)出現(xiàn)性能變化。而導(dǎo)航增強(qiáng)載荷時(shí)延、相位差等參數(shù)對(duì)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)功能的實(shí)現(xiàn)尤為重要，因此需要根據(jù)在軌衛(wèi)星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行周期性的調(diào)整。即，通過軟件重構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)載荷的持續(xù)最優(yōu)性能。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)北斗/GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球無(wú)縫瞬時(shí)厘米級(jí)高精度定位服務(wù)的必由之路，而低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷又是該技術(shù)的核心。未來(lái)，低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)完成后，除了賦能地面出行需要的高精度定位服務(wù)外，也將助力低空出行領(lǐng)域的高精度電子化發(fā)展。