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《测绘学报》

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低轨导航增强GNSS发展综述

张小红^1,2, 马福建^1,2     

1. 武汉大学测绘学院, 湖北 武汉 430079; 
2. 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室, 湖北 武汉 430079

收稿日期：2019-05-07；修回日期：2019-06-06

基金项目：国家杰出青年科学基金(41825009);武汉市应用基础前沿专项(2018010401011270)

第一作者简介：张小红(1975—)，男，教授，研究方向为GNSS精密定位及其应用. E-mail:[e-mail]

通信作者：张小红E-mail:[e-mail]

摘要：低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快的优势，能够与中高轨GNSS星座形成互补，对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有显著优势，已成为当前卫星导航领域的关注热点。本文首先简要介绍了现有的GNSS增强系统；总结了国内外低轨导航增强星座发展现状；针对低轨导航增强，对比分析了高中低轨导航星座的优缺点；重点讨论了低轨导航增强在联合定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等方面带来的机遇；分析指出了低轨导航增强的空间段、地面段和用户段所面临的挑战。

关键词：低轨导航增强    低轨星座    全球导航卫星系统    星基增强系统    导航定位    联合定轨    

Review of the development of LEO navigation-augmented GNSS

ZHANG Xiaohong^1,2, MA Fujian^1,2     

1. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
2. Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education, Wuhan 430079, China

Foundation support: The National Science Fundation for Distinguished Young Scholars (No. 41825009); The Wuhan Science and Technology Project (No. 2018010401011270)

First author: ZHANG Xiaohong (1975—), male, professor, majors in GNSS precise positioning and its applications. E-mail:[e-mail].

Corresponding author: ZHANG Xiaohong E-mail:[e-mail].

Abstract: Low Earth orbit (LEO) constellation has the advantages of stronger received signal and rapider change of spatial geometry, which can be complementary to the GNSS constellation of medium-or high-Earth orbit, and has significant advantages in augmenting the accuracy, integrity, continuity and availability of GNSS, and has become a hotspot in the field of current satellite navigation. Firstly, this paper briefly presents the existing GNSS augmentation systems and summarizes the developing actuality of LEO navigation augmentation constellations at home and abroad.In allusion to LEO navigation augmentation, the advantages and disadvantages of the low-, medium-and high-Earth orbits used for satellite navigation are compared and analyzed. Moreover, the opportunities that LEO navigation augmentation system brings in terms of the combined precise orbit determination (POD), rapid and precise positioning, space weather monitoring, and indoor positioning are emphatically discussed.The challenges that the space segment, ground segment and user segment will face are also analyzed and pointed out.

Key words: low Earth orbit (LEO) navigation augmentation    LEO constellation    GNSS    satellite-based augmentation system    navigation and positioning    combined precise orbit determination (POD)    

全球导航卫星系统(GNSS)是重要的时空信息基础设施，在国民经济建设与国防安全领域发挥着十分重要的作用^[1-2]，已广泛应用于导航、定位和授时的众多领域，其应用“仅受限于人们的想象力”。近年来，随着5G/6G、物联网、人工智能和无人驾驶等技术的发展，社会生产和生活对精准时空信息的需求达到了前所未有的高度，已从过去的粗略、事后、静态和区域，发展到现在的精准、实时、动态和全球^[3]。以无人驾驶汽车为例，不仅需要实时车道级的导航精度，更需要全路况的连续可用。但是，卫星导航系统自身还无法实现高精度的室内外无缝连续可用。首先，GNSS基本导航服务能提供的定位精度通常只有10 m左右，无法满足高精度用户的需求；其次，微弱的GNSS信号，不足以穿透物理遮蔽，无法在室内、森林和城市峡谷等信号遮蔽区域提供可靠连续的导航定位服务；此外，GNSS信号功率很低，容易受到干扰和欺骗，存在一定的安全隐患^[4-5]。如何提升卫星导航系统的服务性能，一直是卫星导航技术发展的驱动力之一。

1 GNSS增强系统

为了提高卫星导航定位的精度、可用性和完好性，在基本导航系统的基础上，提出并研发了多种卫星导航增强系统。按照增强方式可分为信息增强和信号增强两大类。

1.1 信息增强与信号增强

信息增强是指通过修正卫星导航定位系统的误差来提高导航定位精度和可靠性等的一种技术方式。信息增强不提供额外的距离观测量，只提供消除GNSS误差的修正信息和完好性信息。信息增强通常需要的是传输信道，能够把增强信息播发给用户。按照增强信息传输的平台方式，可以分为地基增强和星基增强。网络RTK、星基差分等技术是典型的信息增强系统。

信号增强是指通过除导航卫星以外的平台来发射导航信号，用户同时可以接收导航卫星系统本身的导航信号以及其他额外的导航信号，进而提高导航定位精度和可用性的方法。信号增强通常需要信号发射机来为用户提供测量信息。信号增强系统提供观测量，可以与GNSS联合定位或者独立定位。按照发射导航信号平台的位置，信号增强也可以分为地基增强和星基增强。

信息增强可以改善GNSS定位性能，但是对于收不到GNSS信号的情况来讲，如室内或者遮挡环境下，信息增强就无能为力了。而信号增强能够提供新的观测量，对于GNSS无能为力的场景，如立交桥下、城市峡谷地带等卫星数目可能不够的情况下，通过信号增强的方式来弥补，甚至对于室内这种GNSS信号无法到达的领域，信号增强也能提供解决方案。

1.2 地基增强与星基增强

从20世纪90年代初开始，国际上先后提出了以信息增强为主、信号增强为辅的GNSS增强系统，具有代表性的是美国的WAAS^[6]、欧洲的EGNOS^[7]等星基增强系统，以LAAS^[8]为代表的地基增强系统；还提出了单纯信息增强的GNSS增强系统，主要包括利用移动通信播发增强信息的地基增强系统(如网络RTK)和利用通信卫星播发增强信息的星基增强系统(如StarFire^[9]、OmniSTAR^[10]等星基差分定位系统)。在开阔环境下，RTK技术能满足实时高精度应用需求，但是需要区域密集参考站网的支持，PPP技术虽然不依赖于密集的参考站，但其定位的首次初始化时间较长，且信号失锁后的重新初始化时间与首次初始化时间几乎一样长^[11]，还难以满足实时性的要求。特别是在高楼和立交桥日益增加的城市环境下，大部分卫星信号被遮挡，RTK和PPP均无法提供连续可用的导航定位服务。

1.3 对现有GNSS增强系统的讨论

不管是信息增强还是信号增强，采用地基增强GNSS的系统的覆盖范围有限，无法提供全球无缝统一的高精度服务。传统的以信息增强为主、信号增强为辅的GNSS星基增强系统，除了日本的QZSS，均将GEO卫星作为增强信息播发平台，主要是利用其对地静止和覆盖面广的优势，服务区内用户可以始终接收该卫星的增强服务，但是GEO轨道资源非常有限、转发通信时延高，且仅能覆盖南北纬72°以下区域^[12]，而实际上两极地区对于SBAS服务有强烈的需求——北冰洋地区航海贸易随着全球变暖导致的夏季海冰消融而日渐繁荣^[13]，极地航线航程短节约燃油但对完好性要求高^[14]；QZSS目前由3颗高轨IGSO(偏心率约0.075)和1颗GEO卫星组成，通过将IGSO的远地点置于日本上空，可以保证该区域天顶附近始终可见1颗高倾角卫星，从而进行信息和信号增强，QZSS IGSO能够覆盖极区，为极地星基增强提供了解决方案之一^[15]。

但是，这些已经建立的星基增强系统因其能播发增强信号的卫星数量有限，信号增强的能力较为有限。特别是随着BDS、Galileo等全球系统，以及QZSS、IRNSS等区域卫星导航系统的建成，对多系统用户来说，传统以高轨卫星为信号播发载体建成的星基增强系统，其信号增强的贡献比较有限，在信号遮蔽区域和室内仍然无法提供连续可用的导航定位服务。为了克服GNSS的脆弱性和局限性，近年来，国内外学者提出通过建立低轨导航星座，利用低轨卫星播发导航信号来增强GNSS的低轨导航增强的构想^[16-19]。

2 低轨导航星座发展概况

1963年，美国海军研制的第1代卫星导航系统——子午卫星系统(Transit)就是采用低轨星座，由5—10颗运行在高度约1100 km圆形极轨道上的低轨卫星组成^[20]。相比于传统的地基无线电导航系统，Transit在定位精度方面有了明显改善^[21-22]，但无法实现瞬时单历元定位，一般需要10~16 min的完整观测，才能达到必要的几何图形条件。同时，受星座卫星数量少的影响，用户往往需要等待30~100 min，才能观测到第2次卫星入境^[20]。1967年，苏联也开始部署自己的军方导航通信系统(Parus/Tsikada)，在轨道类型、信号频率、定位方式等方面都类似于Transit^[23]。

直到1974年第1台星载原子钟的问世^[24]，以及伪随机噪声码扩频调制和多址接入技术的发展^[25]，美国和苏联相继建设GPS和GLONASS系统。为了尽快实现全球任意地区四重以上覆盖，综合考虑系统的建设和维护成本，GPS和GLONASS均采用中轨道星座，而没有采用低轨星座。

随着通信业务的发展，在20世纪末，出现了用于移动通信的低轨卫星星座，典型代表是美国的铱星(Iridium)和全球星(Globalstar)星座。第1代铱星系统于1998年5月建成，空间段由66颗低轨卫星均匀分布在6个近圆极轨道上，每个轨道11颗，高度780 km，倾角86.4°，顺行轨道面夹角31.6°，逆行轨道面夹角22°，顺行轨道面间相邻主星相位差16.4°(文献[26])。铱星运行速度7.5 km/s，轨道周期100 min，产生的多普勒频移量为±40 kHz。每颗卫星形成48个点波束。星间链路使用Ka频段与周边4颗卫星进行通信；地面上行和下行链路也使用Ka频段；卫星语音和数据信号发射使用L波段(1616~1 626.5 MHz)，采用符号率25 ksym/s的正交相移键控调制方式，信号帧长度90 ms，目前由Satelles公司取得唯一授权发射专用STL(satellite time and location)脉冲信号，既可以提供独立的导航、定位和授时(PNT)服务，也能对GNSS系统进行信号增强(http://www.satellesinc.com/wp-content/uploads/2016/06/Satelles-White-Paper-Final.pdf)。铱星采用恒温晶体振荡器(OCXO)产生通信信号和维持系统时，短期内性能很稳定，100 s后钟差和钟漂稳定性低于星载原子钟，铱星钟差稳定度一般优于10^-11，1000 s前后分别表现为闪变噪声和随机游走噪声，因而每天至少需要2次时频调整以获得时间同步^[27]。目前，铱星系统已于2019年1月11日完成了全部卫星的更新换代，“铱星二代”空间段由66颗主星和9颗备份星构成^[28]。

2015年以来，国际知名企业如美国的OneWeb^[29]、SpaceX^[30, 31]和Boeing^[32]，韩国的Samsung^[33]、中国的航天科技集团^[34]和航天科工集团^[35]等，先后宣布发射和部署各自的商用低轨星座，卫星数量由数十至上万颗不等，初衷是为了从太空提供全球范围内、无缝稳定的宽带互联网通信服务。低轨星座建设进入蓬勃发展时期，如表 1所示。文献[17]从整个系统的架构，包括星座几何图形条件、空间信号测距误差、星载原子钟性能和定轨方法等方面，全面探索其扩展成为导航增强星座的可能性，结果令人振奋。

表 1 部分已部署或提出的商用低轨星座汇总Tab. 1 Summary of some deployed or proposed commercial LEO constellations

星座	卫星数	高度/km	倾角/(°)	建成年份	国家	主要业务
Iridium[26]	66	780	86.4	1998	美国	语音+STL
Globalstar[36]	48	1400	52	2000	美国	语音
Iridium NEXT[28]	75	780	86.4	2019	美国	宽带+STL
OneWeb[29]	648	1200	88	2027	美国	宽带
1972	—
SpaceX Starlink[30-31]	1600	1150	53	2024	美国	宽带
1600	1110	53.8
400	1130	74
375	1275	81
450	1325	70
7518	340	—	—
Boeing[32]	1190	1200	45	—	美国	宽带
612	55
1155	88
LeoSat[37]	108	1400	—	2020	美国	宽带
Telesat[38]	72	1000	99.5	2022	加拿大	宽带
45	1248	37.4
Kepler Comunications[39]	140	—	—	2022	加拿大	物联网
Astrocast[40]	64	600	—	2021	瑞士	物联网
Yaliny[41]	135	600	—	—	俄罗斯	宽带
Astrome[42]	150	1400	—	2020	印度	宽带
Samsung[33]	4600	1400	—	—	韩国	宽带
Hongyan[34]	54	1100	—	2023	中国	宽带+导航增强
270	—	—	—
Hongyun[35]	156	1000	—	2022	中国	宽带+导航增强
CentiSpace[43]	120	700	—	2021	中国	宽带+导航增强

表选项

航天科技的“鸿雁”星座和航天科工的“虹云”工程等均将搭载导航增强有效载荷，既能为我国北斗导航卫星系统提供增强改正数和完好性信息，又能够自主地播发导航测距信号，增强PNT服务性能。

2018年3月，中国科学院光电研究院依托天仪研究院研制的卫星平台，开展了低轨卫星导航信号增强在轨试验，旨在验证通信与导航增强在信号层面深度融合新体制的功能和性能，探索基于低轨卫星导航信号增强的应用模式。试验卫星轨道高度537 km，导航增强信号采用时分多载波体制、S频段播发，信号发射功率33 dBmW，落地电平-129~-118.5 dBmW，卫星过境时长约10 min(http://www.beidou.gov.cn/yw/xydt/201803/t20180330_14297.html)。

2018年6月2日，武汉大学研制的“珞珈一号”科学实验卫星01星(Luojia-1A)成功发射，是我国开展低轨夜光遥感、导航增强卫星研究以及集成化空间信息系统建设的有益探索。“珞珈一号”01星位于高度645 km的太阳同步轨道，同样使用OCXO代替原子钟。初步导航性能显示，星历内符合精度为0.1 m，钟差稳定度为3×10^-10，伪距和载波测量精度分别为2.6 m和0.013 m，高仰角条件下优于1.5 m和1.7 mm，因而能够联合现有的GNSS增强实时导航服务^[44-45]。

2018年下半年，“鸿雁”星座、“虹云”工程和北京未来导航科技有限公司的“微厘空间”，均发射了各自的首颗验证卫星开展测试论证工作。预计2023年前后，全球将形成多个低轨星座增强Multi-GNSS的新局面。

3 低轨与中高轨卫星导航关键指标对比

根据轨道的偏心率不同，可将其划分为近圆轨道(偏心率＜0.14)和椭圆轨道(偏心率≥0.14)，GNSS卫星除了Galileo的FOC FM1和FOC FM2卫星错误入轨至椭圆轨道之外，其余均工作在近圆轨道上。根据卫星的运行高度不同，近圆轨道又可进一步细分为低轨、中轨和高轨。低轨道高度通常为300~2000 km，卫星运行速度7.7~6.9 km/s，运行周期90.4~127.1 min；中轨道高度通常为2000~35 700 km，运行周期约2~24 h，受范艾伦辐射带高能粒子辐射的影响^[46]，很少有航天器在该区域活动，但GNSS卫星却普遍位于20 000 km左右，运行速度3.9 km/s，运行周期约12 h；高轨是指高度在35 700 km以上的轨道，典型的高轨卫星是地球同步轨道卫星，如BDS GEO和IGSO。截至2018年11月30日，全球在轨卫星数量共计1957颗^[47]，包括1232颗LEO、126颗MEO、558颗地球同步轨道和41颗椭圆轨道卫星，如图 1所示。

图 1 空间辐射电离总剂量及在轨卫星数量分布Fig. 1 Distributions of the total ionizing dose of space radiation and operational satellites on orbit

图选项

与中高轨卫星相比，低轨卫星具有距离地面近、运行速度快、受到的摄动影响大这3大特点。

3.1 低轨星座优势

首先，轨道越低，克服重力势能做功到达指定高度所需的发射速度和能量越小，需要的燃料越少，运载火箭易于小型化。此外，轻型化的低轨小卫星批量制造成本低，易于携带，可采用一箭多星技术减少发射次数。2017年1月14日，SpaceX就采用一箭十星的方式将“铱星二代”(Iridium NEXT)首批10颗低轨卫星送入太空(http://www.gpsworld.com/spacex-launches-first-batch-of-iridium-next-satellites/)，大大降低了卫星发射成本。由于信号传播距离短，自由空间损耗更少，高度780 km的铱星地面接收信号强度比GPS高约30 dB(1000倍)^[48]，有助于改善信号受遮蔽环境下的定位效果，提升抗干扰、防欺骗性能；有利于高速卫星通信、宽带互联网接入和数据传输；有利于对地观测技术的发展，可以获取高分辨率遥感影像、大气监测信息等。

其次，低轨卫星运行速度快，多普勒频移现象明显，有利于提高测速的精度和基于多普勒观测值的载波相位周跳探测效果，多普勒信息也可用于定位，如Transit；通常低轨卫星在测站上方的可见时长仅10~20 min，如图 2所示，相同时间内低轨卫星划过的天空轨迹更长，几何图形变化快，使得定位过程中历元间观测方程的相关性减弱^[49]，参数的可估性大大增强，有望从根本上解决载波相位模糊度参数收敛和固定慢的问题，进而实现快速精密定位；短时间内反射信号不再是静态的，与直达信号更易分离，多路径降相关时间短，对信号相关峰和正交性影响减小，抗多路径效果好。

图 2 GPS和低轨卫星在12 min内划过的天空轨迹对比Fig. 2 Comparison of 12-min sky plots between GPS and LEO satellites

图选项

最后，低轨卫星轨道低，对重力场敏感度高，有利于反演更高阶数的地球重力场模型。

3.2 低轨星座劣势

由于卫星轨道低，单星地面覆盖范围小。图 3显示高度1100 km的“鸿雁”低轨星座单颗卫星覆盖面积只有BDS GEO卫星的1/10，因此，在截止高度角10°的情况下，经计算至少需要54颗卫星才能保证全球单重以上覆盖^[50]，低纬度地区仅可见1颗卫星，若要满足连续四重覆盖的定位要求，则需要近200颗卫星，并且“鸿雁”卫星的天底距58°远大于BDS GEO的9°，为保证覆盖区的信号增益，应采用多波束天线^[51]。接收机信号捕获要求高，增加了接收机的负担，捕获过程中多普勒搜索范围更大，捕获速度降低^[52]。低轨卫星精密定轨与预报难度大。图 4给出了不同高度轨道摄动力的加速度量级^[53]。可以看出，低轨所受到的大气阻力、地球非球形引力和广义相对论作用均明显高于中高轨，需要选用更精细的力模型参数和处理策略进行精密定轨才能达到厘米级的定轨精度^[54]，预报轨道根数的拟合时长需要20 min甚至更短，拟合参数更多^[55-56]；由于低轨道的空气阻力大，卫星速度会逐渐降低，轨道高度也会降低，需要频繁启动进行轨道维持，但携带的燃料却是有限的，低轨卫星寿命短。

图 3 “鸿雁”星座增强北斗三代Fig. 3 Sketch of the Hongyan constellation-augmented BDS-3

图选项

图 4 轨道摄动随高度的变化^[53]Fig. 4 Orbital perturbations vary with altitude^[53]

图选项

4 低轨导航增强带来的机遇

与GPS、GLONASS、BDS、Galileo等中高轨导航卫星相比，低轨导航信号将给联合定轨、快速精密定位、空间天气监测、室内定位等方面带来好处。

4.1 联合定轨

传统的GNSS卫星精密定轨是利用全球均匀分布的大量地面监测站，对导航卫星进行伪距和载波相位测量，再结合精确的轨道动力学模型和误差改正模型进行数据处理，确定GNSS卫星的精密轨道。然而，我国BDS监测站建设受地缘因素影响较大，难以实现全球均匀布站^[57]。搭载星载GNSS接收机的低轨卫星可以作为“星基监测站”，参与高中低轨卫星联合定轨，能弥补地面站的不足，极大增强GNSS卫星跟踪网的图形强度，使轨道和力模型参数估计得更准确，实现区域监测站条件下的导航卫星精密定轨。

2004年，文献[58]最早提出采用全球分布的40个地面站与3颗低轨卫星(CHAMP、GRACE- A/B)联合定轨，GPS卫星轨道精度由传统定轨方法的7 cm提高为联合定轨的3.7 cm。文献[59]在PANDA软件基础上，开展了类似的研究工作，采用全球分布的21个地面站与3颗低轨卫星联合定轨，相比于仅使用43个地面站的常规定轨，GPS轨道精度提升40%。文献[34, 57, 60]基于仿真研究表明，在区域监测站条件下，联合定轨也能显著改善BDS尤其是BDS GEO卫星的定轨精度。文献[61]基于仿真分析，提出了适用于大型低轨星座与GNSS星座联合定轨的最佳方案，即首先优选部分低轨卫星，综合使用星载GNSS数据、低轨卫星和GNSS卫星导航数据联合定轨，确定参与联合定轨的卫星的精密轨道和钟差，再使用常规方法确定剩下的低轨卫星轨道和钟差，结果如图 5和图 6所示。该方案可以在保证计算效率的前提下，获得理想的定轨和估钟精度，空间信号测距误差达到厘米级，能满足实时精密定位服务的要求。可以预见，未来整个空间信息网路建成以后，如图 7所示，各类星地链路、星间链路将会带来更多的观测数据和更强的几何图形条件，进一步提升联合定轨的性能。

图 5 BDS+GPS+LEO星座联合定轨在切向、法向和经向分量上的轨道误差^[61]Fig. 5 Orbit errors in along, cross, and radial components for BDS+GPS+LEO combined precise orbit determination^[61]

图选项

图 6 BDS+GPS+LEO星座联合定轨的估钟误差^[61]Fig. 6 Clock errors for BDS+GPS+LEO combined POD^[61]

图选项

图 7 低轨导航和星间链路增强的高中低轨卫星联合定轨Fig. 7 Combined POD for high, medium, and low Earth orbit satellites augmented with LEO navigation and inter-satellite link data

图选项

4.2 快速精密定位

模糊度参数的快速解算是实现快速精密定位的关键。1998年，文献[16]首次提出利用全球星(Globalstar)辅助GPS整周模糊度解算，设计了Globalstar/GPS双系统接收机，并采用蒙特卡罗模拟测试其性能。结果表明，低轨卫星几何图形的快速变化，有助于模糊度的快速解算，1 km和5 km的基线分别能够在120 s和240 s内，实现厘米级的快速差分定位。文献[62]基于仿真数据，从基线精度、模糊度精度与相关性、模糊度精度因子和固定成功率等方面，全面评估铱星增强短基线GPS RTK对模糊度解算效果的提升。文献[49]采用类似方法，研究了铱星增强BDS的效果。文献[63]仿真分析了不同卫星数量规模的低轨星座增强中长基线GPS RTK定位性能。结果表明，低轨卫星数量充足的情况下，长基线RTK模糊度首次固定时间平均由12 min缩短至2 min，固定成功率由76%提升至96%。

为了分析低轨导航增强星座对PPP的贡献，2015年，文献[64]最早仿真比较单GPS、GPS+GLONASS、GPS+LEO PPP的定位精度和收敛时间。结果表明，采用GPS+LEO和GPS+GLONASS组合PPP收敛时间分别缩短51.31%和3.93%，说明低轨卫星对PPP收敛速度提升贡献更大。文献[18—19, 65]基于更精细仿真的观测值，评估不同低轨星座增强BDS或Multi-GNSS PPP浮点解收敛性能。结果表明，PPP收敛时间可由单系统的30 min显著缩短至数分钟甚至1 min以内，且收敛速度增强效果主要取决于可见低轨卫星数，如图 8所示。通过加入包含60、96、192和288颗星的低轨星座增强Multi-GNSS PPP，中纬度NNOR站上分别可见2.4、3.1、6.3和9.5颗低轨卫星，收敛时间由12.5 min缩短至6.2 min、3.9 min、2.8 min和1.9 min^[19]。在此基础上，文献[66]进一步探究了低轨星座增强Multi-GNSS PPP三频固定解的性能。总体而言，在不依赖区域密集地面参考站增强的条件下，基于低轨全球导航星座增强GNSS，有望从根本上解决PPP初始化时间长的难题，真正发挥PPP技术的优越性^[67]。

图 8 不同卫星数量规模的低轨星座增强Multi-GNSS PPP^[19]Fig. 8 Different satellite numbers of LEO constellation-augmented Multi-GNSS PPP^[19]

图选项

4.3 空间天气监测

高中低轨导航星座联合，为大气监测提供了新的技术手段。其优势在于：更多的可用卫星，可以提取出数量更多的倾斜路径延迟；短时间内能够提供更多有效的观测数据，有利于实现快速的大气建模；单位时间内低轨卫星划过的轨迹长，高度角和方位角变化大，使得有效监测范围扩大，如图 9所示。初步模拟结果表明，LEO星群新的电离层观测可为电离层建模提供极为丰富的观测资料数据，特别是可以有效填补70%的海洋上空没有地基GNSS电离层观测的资料空白；有助于提取和监测对流层梯度、电离层梯度、电离层闪烁等快变参数；BDS GEO卫星具有独特的静地特性，有利于特定地区长时间的大气监测^[68]；不同高度卫星星座组合，有助于研究电离层的垂直分层结构；低轨星座星载GNSS数据，可用于提取等离子体层的电子含量^[69]。

图 9 Multi-GNSS与192颗星的低轨星座在1 h内产生的地基电离层穿刺点分布对比Fig. 9 Comparison of the distributions of 1 h ground-based ionospheric pierce points between the multi-GNSS and 192 satellites LEO constellation

图选项

4.4 室内定位

低轨卫星距离地球表面近，地面接收信号强度高，有利于改善信号受遮蔽环境下的定位性能。2016年，Satelles公司对某高层建筑物STL室内服务性能进行了测试，选用独立温控晶体振荡器(TCXO)作为接收机钟，如图 10和图 11所示。结果表明，对于GPS，只有在最顶层(13楼)靠窗处才能接收到1—2颗卫星的信号，其余层则接收不到信号；而对于铱星，其信号强度高，能够穿透多层钢筋混凝土材料的阻隔，即使在第2层也能获得35~55dB-Hz的载噪比，相当于GPS在野外开阔环境下的信号功率水平，STL室内定位精度为20 m、授时精度为亚μs级^[70]。2018年，STL最新测试结果表明，若采用差分数据并选用精度更高的OCXO作为接收机钟，室内授时精度可提升至160 ns(http://www.gpsworld.com/ satelles-shows-improved-pnt-accuracy-from-leo-con-stellation/)。在野外开阔地带，STL定位精度不如GNSS高，但由于其采用专用的加密信号，抗干扰、防欺骗能力更强，能够增强GNSS的完好性^[71-72]。

图 10 铱星STL测试场景^[70]Fig. 10 Test scenario of Iridium based STL^[70]

图选项

图 11 铱星STL室内试验30 d的授时结果^[70]Fig. 11 Iridium-based STL timekeeping results based on data froma 30 day indoor trial^[70]

图选项

综上，低轨导航增强采用了低轨道，增强信息播发时延小、传输数据量大；增强信号功率强，抗干扰、防欺骗性能好，能够增强室内等遮蔽区域服务性能；增强信号也能显著加快精密定位模糊度收敛，为联合定轨和空间天气监测等提供更多的有效数据源。在覆盖性方面，虽然低轨卫星单星覆盖面小，但多颗卫星构成的星座，能够将提供包括两极地区在内的全球性信息和信号增强。低轨星座具有地面接收信号强、几何图形变化快的优势，能够与中高轨GNSS星座形成互补，有望实现对导航系统精度、完好性、连续性和可用性的全面增强。

5 低轨导航增强关键技术

低轨全球导航增强系统由空间段、地面段和用户段3部分组成。空间段由数十至上百颗搭载导航增强有效载荷的低轨卫星构成，主要任务是向各类用户播发导航信号、高中低轨导航卫星增强信息等，具备转发星和导航星功能；地面段包括地面运控系统和地面监测站，共同完成在轨卫星的运行管理和控制；用户段包括各类型用户终端、模块、芯片及配套设备。低轨导航增强从现在的概念阶段到未来实际运行的业务系统，在空间段、地面段和用户段均需要突破一系列的关键技术。

5.1 空间段

星座构型的设计与优化，是空间段建设必须解决的首要问题，直接决定了增强系统的成本、覆盖性能、几何图形强度和服务能力，应当在尽可能节约成本的前提下，利用具有相似类型和功能的多颗低轨卫星，分布在相似或互补的轨道上，共享控制，协同完成导航增强任务。

低轨卫星数目众多，容易产生多址干扰，而且由于多频GNSS普遍采用L波段，导致该频段上信号日趋拥挤，信号干扰问题日益严峻。因此，需要设计具有一定抗干扰性能的新信号体制，开发新的导航频段(如S频段、C频段)，研究适用低轨导航增强信号的扩频码优化、信号调制、捕获跟踪、信道编码和多路复用等技术。

如何最大限度地发挥低轨星座自身优势，实现导航与通信的融合也是关键。目前已经可以利用移动通信网络来播发GNSS增强信息。可以认为，卫星导航与移动通信已经实现了部分融合。由于低轨导航增强今后主要将依托于互联网星座进行推广，未来一定会进一步加强导航和通信在信息层面甚至信号层面的深度融合，通过导航增强信号与移动通信信号的联合设计，将导航信号的所有功率全部分配给导频分量，有利于接收机的跟踪、捕获和测距，而电文数据则可以通过低轨互联网通信来快速播发^[73]。

在卫星有效载荷的配置方面，应依托低轨互联网星座平台，优选部分卫星实现一星多用，通过搭载不同有效载荷，同时开展导航增强、遥感、卫星重力、卫星测高、掩星探测、星基GNSS-R等科学研究。由于低轨区域的空间电离辐射较小，因而可以使用商用现成品(COTS)器件和芯片级原子钟(CSAC)以降低成本。

近地空间环境碎片监测也是必须关注的问题。2009年2月10日，铱星33号曾与一颗俄罗斯报废卫星相撞形成无数太空碎片^[74]，因此，如何避免近地空间数以千计的卫星之间发生碰撞以及卫星与空间碎片间的碰撞极其关键，需要精确监测卫星周围的环境，及时机动规避风险，同时依赖国际合作，共同遵守《外层空间条约》^[75-76]。

5.2 地面段

地面运控部分同样面临着一些挑战。由于低轨道卫星特殊的动力学特征，在星历和钟差参数的拟合时长、更新频度、参数个数等方面，与传统的中高轨GNSS卫星均有所差异；低轨导航增强卫星还需要额外播发增强改正数和完好性信息，与基本导航数据相比，增强改正数有效时间短、时效性强，分为快变改正参数和慢变改正参数，必须分析增强信息的参数特性，拟合参数精度指标与播发时延的关系，得出各增强参数的实时性要求。低轨导航电文信息及其编排模式、快变和慢变电文参数等信息需要根据预留的信息位重新定义设计，主要取决于系统播发能力和参数播发的实时性需求两者间的协调关系。

低轨卫星运行速度快、过境时间短、信息传输时间相应缩短、地面覆盖小，在电文上注时需要更多的地面注入站或依靠星间链路通信进行电文信息传递。若采用星间通信，应与中高轨卫星共同构成混合星座，那么低轨卫星与中高轨卫星间通信方式的最优选择是有待论证和解决的问题。

地面段一项重要任务是建立与维持低轨导航增强星座的时空基准。GNSS与低轨增强数据的融合处理，需要在高精度、统一的时空框架下完成。对于时间系统，需要给出低轨导航增强系统时定义，并进行系统时间的建立与维持、系统内部时间同步、系统时间溯源及时差预报工作；对于坐标系统，需要给出低轨导航增强系统坐标系定义、实现、更新、维护，及其与其他坐标系转换的方法。而时空基准的统一，离不开GNSS和低轨星座精密定轨估钟。

为了获取所有低轨卫星实时精密轨道，地面主控站可以采用多种定轨策略，包括区域监测站条件下GNSS与低轨星座联合精密定轨及轨道预报、仅使用全球跟踪站网而不依赖于GNSS的低轨星座定轨、星间链路定轨等，由于卫星数量多、计算量大，单站观测弧段短，且在局部区域存在卫星出入境不稳定、不连续的情况，因此，需要分析论证不同观测弧长对定轨精度的影响，同时开发高效率的分布式、并行处理算法。定轨和轨道预报中最难模型化的是太阳光压模型，该模型主要受卫星平台和卫星姿态等因素的影响，需要针对不同型号低轨卫星求取相应的光压反射系数，研究以太阳光压反射系数为主的动力学模型参数变化特性，建立与卫星姿态及太阳位置相关的高精度数学模型，提升精密定轨和中长期预报精度。

在星地时间维持和同步方面，由于高性能星载原子钟的功耗、尺寸、重量和成本等因素的影响，导致其不适用于低轨卫星低成本需求，一般使用CASC或OCXO作为替代进行时间维持，为了保证其高精度和时频稳定性，需要实时或近实时解算低轨卫星钟差，采用钟差驯服的方式维持低轨卫星时间基准，对低轨卫星上载荷的计算能力提出了挑战；或者部分卫星搭载高性能原子钟，其余卫星通过星间、星地通信实现时间同步。

地面控制部分还要负责低轨导航增强星座管理和卫星控制工作。具体包括：制定长期和中期的任务计划，确保信号的全球覆盖和连续性；卫星总体星座的维持；按计划补充足够的卫星；处理意外事件和失效卫星，将它们对服务的影响降到最小；监视和控制每颗卫星各方面的状态，保证卫星和有效荷载的正常运行以及在意外事件发生时对一些突发性事件处理；计划并执行轨道调度、平台维持等；支持在轨软件维护^[77]。

5.3 用户段

低轨导航增强对地面用户软硬件设备和数据处理方式提出了新的要求。

在低轨卫星高动态条件下，接收机信号捕获更加困难，多普勒搜索范围更大，捕获速度降低。短时间内站星连线方向的距离变化大，使得接收信号强度变化大，导致伪距噪声变化不均匀，影响码观测值精度，接收机射频前端也要改变，同时，站星连线方向加速度也会变化更大，引起载波频率和码相位的大幅变化，容易产生信号失锁，更大的多普勒预测不确定性和更短的相干积分时间要求，给信号的高精度稳定跟踪带来挑战^[78]。低轨卫星数量多，且观测弧段短、卫星切换频繁，需要提升接收机的通道数量、存储容量、微处理器计算能力等，优化天线单元和接收单元。针对低轨导航可能采用S或C频段增强信号，需要设计L+S或L+C一体化天线，相应的射频、模数转换、基带信号处理、捕获、跟踪、解调等方式均需要做出调整。

在数据处理方面，应设计开发更加严苛的质量控制算法，以诊断卫星轨道和卫星钟差产品的异常等。信号失锁和频繁的卫星切换可能会产生更多的周跳，而低轨卫星运行速度快，历元间电离层变化大，传统周跳探测算法如电离层残差法将不再适用，需要研究更有效的算法。高中低轨卫星融合定位数学模型需要进一步精化，因为新的导航增强信号将引入更多与系统、轨道类型、码类型和频率等有关的偏差项，需要对各类偏差的时域和空域特性进行仔细分析和建模，在后续的数据处理中予以改正或估计。此外，多源异构星座观测值的合理定权，也是需要关注的问题。

6 结论与展望

总之，低轨星座具有地面接收信号强度高、几何图形变化快等优势，能够在全球范围内对GNSS形成信息增强和信号增强，全面提升卫星导航系统的精度、完好性、连续性和可用性，为高中低联合精密定轨、快速精密定位、空间天气监测和室内定位等实际应用和科学研究带来新的发展机遇，有望解决当前增强系统在全球覆盖、低落地功率和广域精密定位初始化时间长、可靠性偏低等方面的问题，服务于未来以电网、银行、证券、军事等高价值安全用户，以及以自动驾驶、无人机为代表的实时精密定位用户。随着5G/6G技术的发展，空、天、地、海泛在移动通信网络的建立，智能手机等移动终端处理能力的提升，低轨导航增强最终有望走进千家万户，实现大众应用。低轨导航增强也将是我国综合PNT体系的重要组成部分。当然，也如前文所述，低轨导航增强在空间段、地面段和用户段也还存在许多关键技术有待突破和研究。

为了满足智能时代人们对于精准时空信息的需求，在星基与地基增强一体化^[3]、“通导”或“通导遥”一体化的基础上^[79]，突破卫星导航与惯性、激光雷达、视觉等多源传感器的自适应融合导航的关键性技术^[4, 5]，也是导航领域的发展方向。

【引文格式】张小红, 马福建. 低轨导航增强GNSS发展综述. 测绘学报，2019，48(9)：1073-1087. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20190176

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