低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用思考

文｜藺陸洲 鄧平科

1.全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司

2.中國移動通信集團(tuán)有限公司研究院

時間與空間信息是智能化建設(shè)和信息系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）是提供時空信息的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會運行中發(fā)揮著核心作用。隨著導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用的擴(kuò)展，各類信息系統(tǒng)對時空信息的要求也不斷提升，需要提高定位和授時精度、縮短定位時間、改善惡劣環(huán)境下的服務(wù)質(zhì)量。在低軌巨型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座陸續(xù)開展建設(shè)、衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)持續(xù)提升的背景下，開展低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)成為了可能。在低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)面向?qū)Ш蕉ㄎ坏挠脩粜枨蠛蛻?yīng)用場景開展系統(tǒng)建設(shè)。在廣泛需求調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶特點和使用場景，實現(xiàn)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的功能收斂和技術(shù)指標(biāo)的確定，進(jìn)而完成系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和運行。

一、低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特點與建設(shè)思路

1.特點意義

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指運行軌道一般在距離地面500～2000km之間，由多個衛(wèi)星構(gòu)成的提供導(dǎo)航、定位和授時等服務(wù)的大型衛(wèi)星系統(tǒng)。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有距地近、信號優(yōu)、低時延、拓?fù)渥兓斓葍?yōu)點，而且衛(wèi)星數(shù)量一般在百顆以上，能夠較好實現(xiàn)對目標(biāo)的持續(xù)覆蓋。定位精度高、收斂時間快是低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要特點。

在現(xiàn)有基于中高軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、地基增強(qiáng)系統(tǒng)已建設(shè)運行的基礎(chǔ)上，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信號強(qiáng)度的提升和精度的提高，并縮短收斂時間，形成對現(xiàn)有基于中高軌星座的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充、增強(qiáng)與備份，同時具備獨立提供導(dǎo)航、定位、授時服務(wù)的潛力。從技術(shù)上看，在各類低軌巨型互聯(lián)網(wǎng)星座持續(xù)建設(shè)的背景下，衛(wèi)星的組批生產(chǎn)能力得到了保證，星座相對運動演化預(yù)報、星座自主導(dǎo)航與定軌、星座變構(gòu)路徑規(guī)劃、星座自組織協(xié)調(diào)控制、星座通信與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)突破。[1]同時，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在星座構(gòu)型、信號體制、導(dǎo)航增強(qiáng)、導(dǎo)航通信一體化、星間鏈路與自主運行等方面都有明顯提升。[2]這些技術(shù)的進(jìn)步都為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)提供了重要支持。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的這些特點和意義使其有望成為國家綜合PNT 體系的重要組成部分。

2.建設(shè)思路

應(yīng)用是衛(wèi)星導(dǎo)航的出發(fā)點和落腳點，在已經(jīng)完成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，需要利用軍民結(jié)合和商業(yè)航天的發(fā)展趨勢，開展我國低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。由于目前美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo 系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，均由國家財政資金支持建設(shè)，在近期由國家重復(fù)投資建設(shè)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在較大困難。而且隨著商業(yè)航天在全球范圍內(nèi)的蓬勃發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用場景以用戶需求為主導(dǎo)，按照商業(yè)航天模式建設(shè)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)成為系統(tǒng)發(fā)展的重要途徑。以商業(yè)航天的方式建設(shè)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，要求低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)思路應(yīng)當(dāng)從用戶需求和應(yīng)用場景出發(fā)，通過場景梳理和需求分析確定系統(tǒng)的功能，明確系統(tǒng)架構(gòu)、星座設(shè)計、信號體制等系統(tǒng)的性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上開展系統(tǒng)設(shè)計并完成建設(shè)。同時，作為商業(yè)航天系統(tǒng)，在系統(tǒng)建成投入運行后，需要依靠應(yīng)用獲得較好的收益，才能在資金上保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)思路如圖1 所示。

圖1 低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)思路

二、低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求

目前，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在地圖測繪、交通運輸、能源水利、定位通信等方面展現(xiàn)出強(qiáng)烈的應(yīng)用需求。對應(yīng)用需求的梳理是確定低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)與性能指標(biāo)的基礎(chǔ)。

1.地圖測繪

地圖測繪以測繪工程公司、地理信息公司、測繪院和地圖生產(chǎn)服務(wù)廠商等高校、企事業(yè)單位為用戶，對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在測繪裝備、測繪信息、地圖生產(chǎn)等方面提出了應(yīng)用要求。測繪衛(wèi)星能夠?qū)Φ匦蔚孛埠透黝愒O(shè)施進(jìn)行基礎(chǔ)測繪，可在實現(xiàn)精確定位的基礎(chǔ)上對地形圖、影像地圖、數(shù)字高程圖等地圖進(jìn)行繪制和修正。[3]地圖測繪業(yè)務(wù)需要利用高分辨率光學(xué)成像測繪和雷達(dá)干涉測繪技術(shù)，進(jìn)一步提高衛(wèi)星測繪的空間分辨率和時間分辨率。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要在國土測繪、交通運輸、城市規(guī)劃、資源普查、災(zāi)害監(jiān)測等部門的測繪工程應(yīng)用中，面向國土資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、林業(yè)調(diào)查、地圖測繪、海洋環(huán)境監(jiān)測、城市土地利用等場景，滿足全球框架基礎(chǔ)測繪、重點地區(qū)詳細(xì)測繪和突發(fā)事件應(yīng)急測繪的地圖測繪需求。例如，對軌道交通和重要公路的高架橋梁、隧道涵洞與保護(hù)帶進(jìn)行掃描，識別基坑、建筑、設(shè)施、滑坡、泥石流等形變監(jiān)測。在當(dāng)前的測繪工程應(yīng)用中，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用天地一體化信息系統(tǒng)的優(yōu)勢，在技術(shù)上實現(xiàn)導(dǎo)航定位與遙感技術(shù)的融合，進(jìn)一步降低測繪成本。

在測繪裝備方面，對當(dāng)前使用的水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、測距儀、全站儀、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、超站儀等現(xiàn)有大地測量儀器實現(xiàn)升級迭代，建立低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持下、以智能手機(jī)和便攜式智能移動設(shè)備為核心的新一代智能測繪裝備，以更低的成本實現(xiàn)現(xiàn)有測繪裝備的功能，進(jìn)一步降低測繪裝備的成本，構(gòu)建測繪的新業(yè)態(tài)。

在信息獲取方面，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要在不增加測繪成本的前提下，能夠支持現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)獲取包括高精度三維坐標(biāo)、三維地形圖、地貌圖等更加豐富的地理信息，具備一個地理實體對象與多種地理實體的數(shù)據(jù)采集與處理能力。特別是針對當(dāng)前自動駕駛對高精度地圖在高精度和更新頻率上的需求，建立在低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持下面向?qū)嶓w數(shù)據(jù)的快速表達(dá)與分發(fā)能力。

2.交通運輸

交通運輸以客運公司、物流公司、中國郵政、交通運輸管理部門為用戶單位，對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在物流運輸系統(tǒng)、無人機(jī)、航空器監(jiān)視等方面提出了應(yīng)用要求。在現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不能支持高精度機(jī)械控制和低小慢航空器管理的條件下，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高精度實時動態(tài)導(dǎo)航和動態(tài)監(jiān)測將會取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

在交通與物流方面，地面交通與物流配送的快速發(fā)展使得交郵融合成為了交通運輸智能化的重點領(lǐng)域。2021年全國快遞達(dá)1085 億件，收入超1 萬億元，極大改變了人們的生活方式。[4]特別是隨著無人化交通與物流系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，客運企業(yè)和物流企業(yè)為降本增效，均將發(fā)展聚焦于自動駕駛和無人化配送，以無人駕駛車輛為主的出行和無人機(jī)為主的配送將成為未來發(fā)展的重點。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對無人化系統(tǒng)在地圖測繪業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上可以提供時空信息支持，實現(xiàn)在較低費用下海量無人化交通運輸系統(tǒng)用戶的個性化高精度作用需求。

在監(jiān)控與管理方面，現(xiàn)有對交通運輸系統(tǒng)的監(jiān)控管理手段不足，例如在航空監(jiān)視方面，傳統(tǒng)航空器狀態(tài)監(jiān)視采用二次雷達(dá)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)的工作量大，且地基ADS-B 系統(tǒng)覆蓋還不完善。隨著無人交通運輸系統(tǒng)的增加，對重點區(qū)域的管理需要進(jìn)一步加強(qiáng)。以無人機(jī)為例，2021年我國無人機(jī)實時飛行約3.86億架次，無人機(jī)實名登記達(dá)83 萬架。中國區(qū)域的無人化交通運輸系統(tǒng)至少需要跟蹤監(jiān)視11000 個動態(tài)目標(biāo)，全球范圍內(nèi)至少為144000 個動態(tài)目標(biāo)。[5]利用低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以對低空空域、限高限速區(qū)域、禁入?yún)^(qū)域等重點地區(qū)的無人交通系統(tǒng)的運動狀態(tài)、路線進(jìn)行跟蹤、預(yù)警和監(jiān)視，記錄非法和違規(guī)的行為，輔助政府部門進(jìn)行管理。

3.能源水利

能源水利以水庫大壩、石化油氣、電網(wǎng)場站等能源公司和管理部門為用戶單位，對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在壩體形變、水位環(huán)境、輸油輸電管線與燃?xì)夤芾缺O(jiān)控方面提出了應(yīng)用要求。對現(xiàn)有的監(jiān)控手段進(jìn)行進(jìn)一步的升級，能夠滿足環(huán)境感知、資源調(diào)度指揮等業(yè)務(wù)對時空信息的需求，支持全天候、全天時、高精度、低成本的監(jiān)測與控制。

在能源水利領(lǐng)域，我國輸電線路、油氣管廊和水庫大壩的數(shù)量眾多、分布范圍廣大，需要在現(xiàn)有使用無人機(jī)巡線的基礎(chǔ)上，應(yīng)用成本更低的狀態(tài)感知手段。截至2021年底，全國電網(wǎng)35 千伏及以上輸電線路桿路長度為18.82 億米，35 千伏及以上輸電線路回路長度21.56 億米，220 千伏及以上輸電線路回路長度84 萬千米，電網(wǎng)規(guī)模位居世界第一。[6]同時，截至2021年底，我國油氣管道總里程達(dá)到16.5 萬千米，其中天然氣管道里程全球排名第四。[7]截至2021年底，全國已經(jīng)建成了水庫水壩9.8 萬座，總庫容8983 億立方米，修建各類河流堤防43 萬千米，且80%為改革開放前修筑，經(jīng)過多年運行，其中絕大部分處于病害高發(fā)危狀態(tài)，需要進(jìn)行密切監(jiān)控。[8]低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以使用高精度定位匹配光學(xué)遙感監(jiān)測線網(wǎng)和管廊周邊的環(huán)境變化和施工建設(shè)狀況，監(jiān)測水體的水質(zhì)、氮磷含量或水華等變化情況；使用微波遙感監(jiān)測水庫和大壩形變狀況和水位變化情況。同時使用InSAR 技術(shù)監(jiān)測地面沉降狀況。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在能源水利領(lǐng)域的應(yīng)用可以為企業(yè)和管理部門提供成本更低的解決方案。

4.通信導(dǎo)航

定位通信以游輪與海輪、特定區(qū)域通信為用戶單位，對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在定位通信一體化方面提出了應(yīng)用要求。需要系統(tǒng)在信號、信道、接收處理、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理等多個方面支持通導(dǎo)一體化應(yīng)用。[9]

在海洋定位通信方面，針對海運公司的遠(yuǎn)洋貨輪和游輪，在現(xiàn)有海事衛(wèi)星和定位終端應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提供成本更低的通信導(dǎo)航一體化服務(wù)。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要在實現(xiàn)高精度定位增強(qiáng)和位置報告的基礎(chǔ)上，提供雙向通信服務(wù)，能夠支持船上個人的低速網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)，船載CPE 高速通信服務(wù)，還能夠支持集裝箱、關(guān)鍵設(shè)施建工等船載物品的低速通信。

在特點區(qū)域定位通信方面，針對新疆、西藏等西部地區(qū)地廣人稀、建設(shè)地面通信系統(tǒng)成本高昂的問題，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在實現(xiàn)高精度定位增強(qiáng)和位置報告的基礎(chǔ)上，能夠支持此類特定區(qū)域內(nèi)個人、單兵電臺車載CPE 等特種設(shè)備的低速與高速通信，提供應(yīng)急與安全服務(wù)專線服務(wù)。

三、低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)架與性能指標(biāo)

以商業(yè)航天的方式建設(shè)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，需要根據(jù)其在地圖測繪、交通運輸、能源水利、通信定位方面的應(yīng)用場景，對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的架構(gòu)功能、性能指標(biāo)開展研究設(shè)計。作為綜合性的空天地一體化信息系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要提供靈活的通信、敏捷的測繪以及可信的導(dǎo)航增強(qiáng)，通過天空地鏈路連接成一個一體化的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而滿足高覆蓋率、高定位精度、高數(shù)據(jù)傳輸率的綜合任務(wù)要求。

1.系統(tǒng)構(gòu)架

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要實現(xiàn)導(dǎo)航、通信與遙感的技術(shù)融合，以“一星多用，多星組網(wǎng)，星地協(xié)同，智能處理，組網(wǎng)傳輸，按需服務(wù)”為核心理念。[10]可以采用SDN/NFV/ISL 的技術(shù)，基于軟件定義衛(wèi)星、星間鏈路及虛擬化技術(shù)構(gòu)建在軌功能靈活可重構(gòu)的云衛(wèi)星星座。通過星間與星地鏈路實現(xiàn)在軌衛(wèi)星的靈活配置，實現(xiàn)軟件功能與任務(wù)的再定義，最大程度地利用衛(wèi)星的能力。在SDN 的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（NFV）實現(xiàn)功能與硬件的分離。

2.星座與衛(wèi)星設(shè)計

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在星座設(shè)計方面采用混合星座，實現(xiàn)通信、導(dǎo)航、遙感一體化應(yīng)用。星座優(yōu)先選擇500 ～800km 的LEO 軌道支持通信、導(dǎo)航、遙感一體化功能的實現(xiàn)。同時可在8000 ～10000km 的MEO 軌道補(bǔ)充部署8 ～12 顆中軌衛(wèi)星。一期建設(shè)可在780km 的LEO 軌道部署80 顆衛(wèi)星，實現(xiàn)中國境內(nèi)區(qū)域4 ～10 重的覆蓋。在衛(wèi)星平臺方面，綜合應(yīng)用100 ～400kg 的通用衛(wèi)星平臺，通過靈活使用多波束天線、主被動激光反射器、激光與微波混合星間鏈路等載荷與技術(shù)，實現(xiàn)高精度定位、高時間分辨率與高空間分辨率的對地觀測、高通量低時延的通信、海量低功耗的物聯(lián)網(wǎng)通信等功能。

3.地面系統(tǒng)

低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面支持系統(tǒng)使用網(wǎng)狀通信，實現(xiàn)系統(tǒng)測控與運管的一體化，通過建設(shè)1 個時空大數(shù)據(jù)智能云中心和3 ～4 個測控/運控一體化站，兼顧地面接收與數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)集約化的衛(wèi)星在軌維護(hù)，同時根據(jù)用戶需求和任務(wù)需要，面向地圖測繪、交通運輸、能源水利用戶建設(shè)多個地面用戶數(shù)據(jù)中心提供專用服務(wù)。

4.性能指標(biāo)

1）在導(dǎo)航定位方面，系統(tǒng)可利用星載微波+主被動激光載荷進(jìn)行定位，利用衛(wèi)星播發(fā)星歷進(jìn)行初始對準(zhǔn)和快速定位，利用雙向通信進(jìn)行野外數(shù)據(jù)的快速傳輸。具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，并可將激光雙向主被動星地測量用于地面設(shè)備定位，其技術(shù)指標(biāo)要求為：廣播星歷精度優(yōu)于1m，廣播星歷更新頻率優(yōu)于1h，廣播星歷生命周期優(yōu)于4h，星載激光載荷尺寸優(yōu)于500mm。

2）在通信方面，系統(tǒng)需支持手機(jī)通信的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，具備手機(jī)直連能力，并支持基本的話音、短消息、中低速數(shù)據(jù)通信等基本功能。其技術(shù)指標(biāo)要求為：衛(wèi)星上行通信速率優(yōu)于100kbit/s，接收靈敏度優(yōu)于-140dBm；衛(wèi)星下行通信速率優(yōu)于1000kbit/s，天線口面發(fā)射功率優(yōu)于41dBW。在高速通信方面，支持人員、車輛和輪船的應(yīng)用，考慮人、車、船的狀態(tài)監(jiān)控方面位置與狀態(tài)報告頻率優(yōu)于1秒，星座系統(tǒng)在中國區(qū)域可支持1800 萬輛無人車、無人船和無人機(jī)及80 萬～100 萬人的高速通信。在低速通信與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，位置與狀態(tài)報告頻率優(yōu)于300 秒，星座系統(tǒng)在全球區(qū)域可支持1.2 億個低速終端，單星在應(yīng)急通信方面支持2000 用戶的并發(fā)概率，星座系統(tǒng)在中國區(qū)域可支持1 千萬人的應(yīng)急通信服務(wù)。

3）在遙感方面，能夠支持對業(yè)務(wù)對象的亞米級快速數(shù)據(jù)采集，高時敏性的動態(tài)調(diào)度，可以考慮部署小型化SAR 載荷。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為，空間分辨率0.5m@5km×5km；2m@20km；10m@100km。時間分辨率為30 分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)快速處理與分發(fā)@星間鏈路支持。星上存儲容量優(yōu)于10TB。對天面星間鏈路可采用Ka 波段星間鏈路，速率優(yōu)于20Mbit/s@15000km，激光星間通信速率為10Gbit/s@5000km。具備星云網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)解析能力。

四、結(jié)束語

隨著導(dǎo)航定位、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和巨型星座建設(shè)工程實踐的推進(jìn)，在一個星座中同時具備通信、導(dǎo)航、遙感等多功能的趨勢越來越明顯，以商業(yè)航天的方式建設(shè)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠在較短的時間內(nèi)以更加高效的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的快速建設(shè)與服務(wù)的提供。在低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)中，必須克服系統(tǒng)功能單一、衛(wèi)星成本高、應(yīng)用效益低等問題，根據(jù)應(yīng)用場景的需求確定系統(tǒng)的功能架構(gòu)與性能指標(biāo)，開展系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)和運營，以行業(yè)應(yīng)用為牽引，逐步擴(kuò)展到大眾應(yīng)用。在此思路下開展低軌衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，將成為我國綜合PNT體系的重要組成部分，具有廣闊的發(fā)展空間。