導(dǎo)航通信融合定義、方式與典型系統(tǒng)

倪少杰，黃新明，張鵬程

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

目前，國(guó)際上有四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)和兩大區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。這些系統(tǒng)正以前所未有的滲透力影響著各行各業(yè)，但隨著用戶需求的不斷發(fā)展和復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用拓展，衛(wèi)星導(dǎo)航面臨著巨大挑戰(zhàn)。衛(wèi)星導(dǎo)航在各種復(fù)雜環(huán)境下，已經(jīng)不能滿足用戶的個(gè)性化定位需求，為了適應(yīng)各種精度、完好性等需求，發(fā)展了衛(wèi)星導(dǎo)航及各類增強(qiáng)系統(tǒng)，但均不能滿足目標(biāo)在各類復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。

對(duì)于未來(lái)的空間信息系統(tǒng)，導(dǎo)航通信融合是發(fā)展的大趨勢(shì)，導(dǎo)航通信深度融合是智能時(shí)代設(shè)施升級(jí)的必然要求，未來(lái)應(yīng)實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信五位一體組網(wǎng)，共同打造空間信息網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)航與通信深度融合同時(shí)也是綜合定位導(dǎo)航授時(shí)(Positioning，Navigation and Timing，PNT)體系的關(guān)鍵支撐技術(shù)，作為空間信息網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)核心基礎(chǔ)技術(shù)，導(dǎo)航與通信可以提供時(shí)空基準(zhǔn)信息和連接通道。導(dǎo)航通信深度融合已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航和通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。導(dǎo)航通信融合是指通過(guò)信號(hào)、設(shè)備及功能等不同角度實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和通信技術(shù)的融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和通信系統(tǒng)間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和增強(qiáng)。

1)通信可以增強(qiáng)導(dǎo)航的性能，擴(kuò)大PNT覆蓋范圍，提高導(dǎo)航的精度、功率和提供輔助信息，同時(shí)可以作為系統(tǒng)備份，在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)被拒止后繼續(xù)提供PNT服務(wù)。

2)通信可以提升PNT服務(wù)的智能化，利用通信系統(tǒng)對(duì)PNT原始信息進(jìn)行收集，通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘提煉PNT信息統(tǒng)計(jì)規(guī)律，進(jìn)一步提升PNT服務(wù)的性能，包括加強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)感知、實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)縫隙感知、實(shí)施全程透明化指揮、構(gòu)建起全維預(yù)警體系；實(shí)現(xiàn)智能控制，實(shí)現(xiàn)武器裝備智能化控制和武器裝備物聯(lián)網(wǎng)管理；加強(qiáng)精確作戰(zhàn)保障，做到生命體征動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、物流體系高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航通信融合架構(gòu)與方式

1.1 導(dǎo)通融合架構(gòu)

通導(dǎo)融合體系旨在打通衛(wèi)星、導(dǎo)航之間的信息橋梁，利用天地互聯(lián)、統(tǒng)一基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)時(shí)空融合，利用數(shù)據(jù)挖掘、智能處理、協(xié)同傳輸，實(shí)現(xiàn)在任何地方、任何時(shí)候的信息獲取、高精度定位授時(shí)、多媒體通信服務(wù)以及通信、導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)之間的智能化集成應(yīng)用。

導(dǎo)通融合架構(gòu)主要有4個(gè)方面：以時(shí)空基準(zhǔn)融合為前提，以硬件平臺(tái)融合為基礎(chǔ)，以信息協(xié)議融合為核心，以傳輸波形融合為深度融合的關(guān)鍵，共同構(gòu)成導(dǎo)通融合架構(gòu)，如圖1所示。時(shí)空基準(zhǔn)是導(dǎo)航和通信系統(tǒng)融合的基礎(chǔ)，是構(gòu)建空天地水一體化信息網(wǎng)絡(luò)的前提。時(shí)空基準(zhǔn)融合通過(guò)打通導(dǎo)航通信遙感融合的時(shí)間戳，以衛(wèi)星導(dǎo)航為核心構(gòu)建，與通信系統(tǒng)完成時(shí)間同步與溯源，實(shí)現(xiàn)時(shí)空基準(zhǔn)融合。

圖1 導(dǎo)通融合架構(gòu)Fig.1 Navigation and communication fusion architecture

1.2 導(dǎo)通融合方式

從導(dǎo)通融合的技術(shù)層面進(jìn)行劃分，分為波形融合、信息融合和硬件融合，如圖2所示，其中波形融合和信息融合也會(huì)同樣驅(qū)動(dòng)硬件融合，這里著重介紹信息融合和波形融合。

圖2 導(dǎo)通融合Fig.2 Navigation and communication fusion

(1)硬件融合

硬件融合是指在架構(gòu)層面將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)兩者進(jìn)行組合，是導(dǎo)通融合架構(gòu)的基礎(chǔ)。硬件融合的關(guān)鍵平臺(tái)是衛(wèi)星載荷，衛(wèi)星載荷集導(dǎo)航、通信、遙感等功能于一體，相互組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多維度信息的實(shí)時(shí)獲取與融合應(yīng)用。

硬件平臺(tái)融合的重要一環(huán)是多源融合終端與應(yīng)用終端相互通聯(lián)融合，是導(dǎo)航通信遙感融合應(yīng)用的基礎(chǔ)。

(2)信息融合

信息融合是指在協(xié)議層面將導(dǎo)航和通信進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，是導(dǎo)通融合架構(gòu)的核心。在未來(lái)的導(dǎo)航設(shè)備中，GNSS+慣導(dǎo)深組合會(huì)成為一個(gè)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)組合，通信系統(tǒng)的信息輔助會(huì)進(jìn)一步提升深組合的精度和靈敏度。

通信慣導(dǎo)輔助下的導(dǎo)航性能受輔助信息的精度等級(jí)與信號(hào)特性兩者的共同影響，如圖3所示，具體影響程度如表1和表2所示。

圖3 慣導(dǎo)與通信系統(tǒng)提供的輔助信息Fig.3 Auxiliary information provided by inertial navigation and communication systems

表1 通信輔助的信息精度等級(jí)

表2 慣性器件輔助的信息精度等級(jí)

捕獲靈敏度有約10dB左右的提升，跟蹤靈敏度最多有約15dB左右的提升，靈敏度分析結(jié)果如表3和表4所示。

表3 捕獲靈敏度

表4 跟蹤靈敏度

導(dǎo)通融合可以提升導(dǎo)航接收機(jī)的抗欺騙性能，利用通信與慣導(dǎo)提供的輔助信息可以與衛(wèi)導(dǎo)測(cè)量值進(jìn)行交叉驗(yàn)證，以提高接收機(jī)識(shí)別欺騙干擾的能力。通信與慣導(dǎo)提供的輔助信息不僅能提高衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的靈敏度和拒止欺騙信號(hào)干擾的能力，還能在深組合中提供可信的頻率輔助，有效防止接收機(jī)跟蹤到欺騙信號(hào)，從而提高接收機(jī)抗欺騙干擾的能力。針對(duì)不同的欺騙攻擊場(chǎng)景也有不同的抗欺騙方法，如表5所示。

表5 欺騙攻擊場(chǎng)景與抗欺騙方法

通過(guò)分析非飽和壓制干擾對(duì)接收機(jī)等效載噪比的影響并與接收機(jī)靈敏度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出干擾有效作用范圍，重點(diǎn)分析捕獲和跟蹤薄弱環(huán)節(jié)，判斷輔助信息對(duì)抗干擾能力的提升。

在陣列抗干擾能力為90dB的情況下，隨著輔助性能的提升，干擾有效作用范圍大幅縮減至常規(guī)武器可打擊范圍內(nèi)，結(jié)果如表6和表7所示。

表6 捕獲階段干擾有效范圍

表7 跟蹤階段干擾有效范圍

(3)波形融合

波形融合是指在物理信號(hào)層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和通信的深度融合，是導(dǎo)通融合架構(gòu)的延伸。在系統(tǒng)頻點(diǎn)和帶寬選定后，波形融合需要考慮的是針對(duì)導(dǎo)航和通信的具體需求進(jìn)行時(shí)間、頻率帶寬以及功率的分配，可以有三種模式，如圖4所示。

圖4 三種波形融合方式的信號(hào)圖Fig.4 Signal diagram of three waveform fusion methods

1)時(shí)分導(dǎo)航信號(hào)：周期播發(fā)短突發(fā)導(dǎo)航信號(hào)；

2)頻分導(dǎo)航信號(hào)：設(shè)定獨(dú)立導(dǎo)航信號(hào)播發(fā)帶寬；

3)寬帶功率控制導(dǎo)航信號(hào)：在通信信號(hào)上疊加高帶寬低功率導(dǎo)航信號(hào)。

三種波形融合方式是在頻率帶寬一定的條件下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航性能和通信性能的平衡，但相較于完全獨(dú)立的導(dǎo)航信號(hào)，在性能上存在相應(yīng)的折中，需深度結(jié)合需求進(jìn)行相應(yīng)選擇，如表8所示。

表8 三種波形融合方式性能

2 典型導(dǎo)通融合系統(tǒng)

2.1 5G室內(nèi)定位

針對(duì)室內(nèi)應(yīng)用的主要場(chǎng)景，對(duì)于定位的需求在于高精度(厘米級(jí))、低成本、低功耗以及云端信息收集。

厘米級(jí)的室內(nèi)定位主要依靠超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)、視覺(jué)和慣性器件共同實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 室內(nèi)厘米級(jí)定位的無(wú)線電解決方案Fig.5 Radio solution for indoor centimeter-level positioning

基站通過(guò)UWB信號(hào)和定位標(biāo)簽進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的定位功能；待定位的人員、資產(chǎn)上需佩戴室內(nèi)定位標(biāo)簽。標(biāo)簽發(fā)射UWB信號(hào)，與基站相互通信，使標(biāo)簽自身被定位；定位引擎運(yùn)行定位算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)位置；定位引擎計(jì)算出的標(biāo)簽坐標(biāo)可在顯示終端上呈現(xiàn)。

UWB定位技術(shù)一直在快速發(fā)展，蘋(píng)果公司欲把UWB技術(shù)集成到手機(jī)芯片中，UWB會(huì)成為類似于WIFI類的基本定位設(shè)施，其技術(shù)指標(biāo)如表9所示。

表9 UWB的技術(shù)指標(biāo)

5G基站布設(shè)密度大，基站時(shí)間同步精度為1.3μs，但從定位信號(hào)頻段和時(shí)隙的設(shè)計(jì)上，其能夠達(dá)到的定位精度低于UWB信號(hào)體制，需要重新審視將5G作為室內(nèi)定位的主流解決手段的觀點(diǎn)，深化5G在典型應(yīng)用場(chǎng)景下的定位性能和成本等分析，同時(shí)還要關(guān)注未來(lái)智能應(yīng)用的使用模式，智能車(chē)道+智能車(chē)、智能場(chǎng)景配置、視覺(jué)+慣導(dǎo)的發(fā)展。

2.2 導(dǎo)航與低軌衛(wèi)星系統(tǒng)

北斗+低軌衛(wèi)星的導(dǎo)通融合功能有如下分類：

(1)基于低軌衛(wèi)星的BeiDou增強(qiáng)系統(tǒng)

導(dǎo)航增強(qiáng)信息播發(fā)，構(gòu)建廣域高性能導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)。

(2)基于低軌衛(wèi)星的BeiDou備份系統(tǒng)

低軌衛(wèi)星平臺(tái)增發(fā)導(dǎo)航信號(hào)，提升導(dǎo)航系統(tǒng)遮擋、拒止環(huán)境下的生存能力；

構(gòu)建多軌道衛(wèi)星聯(lián)合平臺(tái)，提升導(dǎo)航系統(tǒng)的自主運(yùn)行能力。

(3)基于低軌衛(wèi)星的PNT信息驗(yàn)證

如圖6所示，可以利用低軌衛(wèi)星通信功能，結(jié)合多種信息源形成PNT信息驗(yàn)證能力，提高抗欺騙性能。

圖6 低軌導(dǎo)通融合系統(tǒng)+GNSSFig.6 Low orbit navigation and communication fusion system plus GNSS

通過(guò)導(dǎo)航與低軌衛(wèi)星一體化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的通信，可以覆蓋海洋和人員稀少地區(qū)；可以增強(qiáng)導(dǎo)航信號(hào)，提升導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾欺騙能力；可以支持快速地整周解模糊，實(shí)現(xiàn)高精度定位；可以降低整體系統(tǒng)建設(shè)成本，提高頻譜利用率。

導(dǎo)航與低軌衛(wèi)星一體化建設(shè)也面臨著許多問(wèn)題，兩者所需的覆蓋性不同，通信僅需單覆蓋，導(dǎo)航需多重覆蓋，對(duì)衛(wèi)星數(shù)量以及天線的設(shè)計(jì)要求也不同；在頻譜設(shè)計(jì)上，通信設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高通信容量，導(dǎo)航信號(hào)需要提高測(cè)量精度，而一體化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是頻率資源、時(shí)間資源以及功率資源的分配；通信系統(tǒng)對(duì)低軌衛(wèi)星的時(shí)間頻率同步要求不高，但導(dǎo)航服務(wù)要求低軌衛(wèi)星具備精確的時(shí)鐘；導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用廣播信號(hào)，從而服務(wù)更多用戶，而通信系統(tǒng)需要進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

3 結(jié)論

衛(wèi)星移動(dòng)通信和衛(wèi)星導(dǎo)航融合已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家大多建立了大容量、系列化和小型化終端的衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，為其國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供通信保障。終端具備衛(wèi)星通信、地面通信、衛(wèi)星導(dǎo)航等一體化功能(即天地一體、通導(dǎo)一體)，可同時(shí)提供通信服務(wù)和位置服務(wù)。

目前，我國(guó)正推進(jìn)空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，當(dāng)前面臨的問(wèn)題是我國(guó)現(xiàn)有的導(dǎo)航、通信衛(wèi)星系統(tǒng)各成體系、軍民孤立、信息分離、服務(wù)滯后。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星具有短報(bào)文通信能力，但不具備寬帶數(shù)據(jù)傳輸能力；通信衛(wèi)星尚無(wú)自主的業(yè)務(wù)化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)航等天基信息的傳輸保障能力受限；且在服務(wù)模式方面主要面向?qū)I(yè)用戶，尚未服務(wù)大眾。

因此，隨著衛(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展，導(dǎo)航與通信深度融合技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)通融合是一個(gè)多應(yīng)用場(chǎng)景、多需求、多系統(tǒng)的復(fù)雜問(wèn)題，無(wú)法用一套方案解決導(dǎo)通融合，需要對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行梳理，結(jié)合典型應(yīng)用場(chǎng)景和需求，明確具體系統(tǒng)的改造方案和發(fā)展圖景，主要體現(xiàn)在：

1)如何一星多用、多星組網(wǎng)、天地互連、多網(wǎng)融合，讓系統(tǒng)聯(lián)通起來(lái)，實(shí)現(xiàn)天地一體化的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全球陸、海、空、天無(wú)縫通信與導(dǎo)航。

2)統(tǒng)一基準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)表征、數(shù)據(jù)挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空與信息融合；需要研究星地協(xié)同、組網(wǎng)傳輸、智能處理、按需服務(wù)，讓服務(wù)暢通。

3)通信與導(dǎo)航信號(hào)一體化設(shè)計(jì)，信號(hào)層的深度融合，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的統(tǒng)一處理和應(yīng)用的深度融合。