基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统

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近年来，随着低轨通信星座的兴起，基于低轨通信星座的全球导航增强系统成为卫星导航增强领域的热点。“鸿雁”系统是中国航天科技集团有限公司推出的一个低轨移动通信及宽带互联网星座，该星座将融合导航增强功能，期望通过低轨导航增强，使得高性能导航服务从行业用户进入大众市场。

经充分挖掘“鸿雁”低轨星座在导航定位中的应用潜力，结合我国国家定位导航授时（PNT）体系建设需求，“鸿雁”系统将配置导航增强功能。作为“天基监测站”，通过在低轨“鸿雁”卫星上配置高精度GNSS 监测接收机，采用地面区域监测网+ 天基全球监测网的观测体制实现中高轨导航卫星与低轨通信卫星的联合精密定轨与钟差确定，解决我国海外建站的不足；作为“导航信息源”，通过播发精密轨道、精密钟差、完好性信息以及导航增强信号，实现动态分米级、静态厘米级的全球精密单点定位（GPPP），收敛时间从30min 左右缩短到1min 以内，同时提供类似“下一代铱星”系统的安全定位授时功能。可以看出，相比“下一代铱星”系统，“鸿雁”导航增强在“天基监测站”和“导航信息源”两个方面均有增量。

 一、系统方案

“鸿雁”全球导航增强系统由空间段、地面段及用户段组成。空间段主要包括GNSS 系统和“鸿雁”卫星星座；地面系统主要由监测站、中心处理站、信息传输与分发网络组成；用户段为联合接收导航卫星及“鸿雁”卫星进行定位的用户接收机。采用四大GNSS 系统双频监测，全球稀疏地面监测站，播发GPPP 增强信息和双频增强信号实现精度、完好性、可用性和定位实时性增强。

1、天地一体高精度GNSS 监测处理

基于地面区域稀疏监测站+ 天基全球监测站（低轨高精度GNSS 接收机），进行高中低地联合精密轨道与钟差确定，实时获取四大GNSS 系统及低轨星座的精密轨道钟差等参数。

2、实时高精度PNT、安全PNT

用户接收GNSS/LEO 信号实现全球动态分米级、静态厘米级的GPPP，收敛时间小于1min；独立接收LEO 星座信号实现导航备份，增强复杂地形环境和复杂电磁环境下的导航服务能力。

3、系统工作原理与流程如下：“鸿雁”卫星通过配置高精度GNSS 监测接收机，生成驯服到GNSS系统的时频基准信号（10MHz 和1PPS），卫星通信载荷基于该时频信号产生测量通信一体化信号向用户播发。同时，监测接收机观测数据通过星间链路下传到境内中心处理站，中心处理站利用地面监测站联合“鸿雁”卫星移动监测站观测数据生成精密星历，通过馈电链路和星间链路上传至卫星，然后通过用户通信链路广播。用户通过接收卫星通信链路播发的测量通信一体化信号实现精密星历的获取，实现全球精密单点定位。

▲ 基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统原理框图

二、主要的技术体制

1、高中低地联合精密定轨技术体制

传统的导航卫星精密定轨是利用全球布设的监测站对导航卫星进行伪距和载波相位测量，然后通过定轨处理实现导航卫星的精密定轨。我国由于国土疆域的限制及其他因素，难以实现全球建站。“鸿雁”系统在我国建设区域地面监测站，并通过在低轨卫星上配置高精度GNSS 监测接收机实现全球移动监测，从而构成了一个天地一体的监测网。低轨卫星将导航卫星测量数据通过星间链路和星地链路传回国内数据处理中心，联合地面区域监测站监测数据通过数据综合处理完成中高轨导航卫星和低轨卫星精密定轨。“鸿雁”卫星作为“天基监测站”可以有效填补我国海外站的不足，通过高中低地联合精密定轨实现实时精密星历获取。

采用BDS 星座（5GEO+3IGSO+27MEO） 与“鸿雁”星座相结合进行了仿真，分别对国内8 个站，国内8 个站联合3 颗LEO 卫星和国内8 个站联合10 颗LEO 卫星三种方案的精密定轨的结果进行比较。仅用8 个地面区域测站，GEO 卫星能够达到米级的定轨精度。当加入3 颗LEO 之后，GEO 卫星得到了极大的改善，特别是切向方向。其位置RMS 从262.98cm 降为3.55cm， 轨道精度提高了98.7%。当LEO 数量增加为10 颗时，GEO 卫星的轨道精度得到了进一步的提升。对于MEO 卫星，仅利用中国区域8 个测站的定轨精度为24.28cm，这是由于使用了中国区域测站。相比于仅用地面测站的结果，当分别加入3 颗、10 颗LEO 卫星之后，MEO 卫星的轨道精度均得到了大幅度的提升，分别提升了84.8%、92.1%。

2、GNSS/LEO 联合PPP 技术体制

基于载波相位的PPP 技术是目前全球范围内开展精密定位的主要技术手段，导航卫星由于轨道高，几何图形变化慢，在建立精密定位法方程时相邻历元方程之间的相关性太强，在进行定位参数估计时需要较长的时间估计各类误差之后才能进行载波相位模糊度的固定，从而实现精密定位。低轨卫星具有轨道低、运动快的特点，卫星几何图形变化快，短时间历元间方程的相关性较导航卫星弱。因此，低轨卫星联合导航卫星进行PPP 有利于定位误差参数的估计，从而可以加速精密定位的快速收敛。“鸿雁”系统为缩短PPP 收敛时间将播发双频导航增强信号，300 颗星左右收敛时间将优于1min（收敛偏差10cm），当收敛偏差降低时，收敛时间也将大幅缩短。

三、关键技术

低轨导航增强系统相比当前的SBAS 系统是一种全新的技术体制，是在低轨通信星座蓬勃发展的历史机遇背景下提出的。因此，除了导航增强技术相关的关键技术，如何与低轨通信星座融合将是系统成功运行的关键所在。主要的关键技术如下：

1、区域监测站条件下的低轨卫星与中高轨导航卫星联合定轨

考虑我国地基监测站无法全球均匀布设的现实条件，需要在低轨卫星上配置监测接收机，并联合地面区域监测站实现天地一体联合监测，用于GNSS 卫星和低轨卫星的精密轨道与钟差确定。需要设计并选择合理分布的区域地面跟踪站网，综合考虑计算负荷、低轨星座的构型等要求，优化参与联合定轨的低轨卫星。融合区域地面跟踪网和星基跟踪站等多源观测数据，弥补地面跟踪站的不足，改善整个跟踪网的图形结构，实现不同轨道高度卫星群精密轨道的快速确定以满足实时应用的需求，从而丰富并发展导航卫星与低轨卫星精密联合定轨的理论与方法，生成厘米级实时精密轨道与钟差改正数。

2、低轨星座增强北斗/GNSS实时精密单点定位技术

由于低轨卫星观测弧段短、运行速度快、大气阻力影响大，导致地面站所接收到的低轨卫星观测数据中周跳较多、粗差影响大。因此，探究适用于低轨卫星数据预处理与质量控制方法是实现稳健可靠的精密定位服务的关键和首要环节，旨在为后续高精度数据处理提供“干净”的观测资料。多源异构星座的融合，既带来了成倍增长的观测值，也产生了各种各样的偏差，如码间、频间、系统间等偏差。在确定了低轨增强北斗/GNSS 精密定位数学模型后，就需要对观测模型中各偏差参数的可估条件进行分析。在多种星座融合的条件下，进一步分析低轨卫星和导航卫星观测值中的各类偏差的时域与空域特性，帮助确定精密定位中这些偏差的随机模型，如是采用常数估计，还是采用白噪声、随机游走等估计，以及这些偏差估计时约束的松紧程度，这些均影响精密定位的估计结果。联合低轨卫星增强GNSS 精密定位时，处理高维及低轨卫星高动态、短弧段条件下的模糊度快速解算问题是待突破的难点。最终，需论证和评估低轨星座增强北斗/GNSS 实时精密单点定位性能。

3、卫星导航与卫星移动通信深度融合关键技术

频率资源是低轨通信星座最核心的资源，移动通信下行采用L 频段播发，导航增强应充分与移动通信频段兼容以降低成本及风险，因此卫星导航与卫星移动通信深度融合成为系统建设的关键。移动通信卫星一般采用多波束天线对地形成多个蜂窝小区，并采用频率多色复用技术提升用户容量，因此需突破基于多波束天线的通导信号一体化设计，充分利用通信频率资源和功率资源，在L 频段上实现通信和导航信号一体播发。

4、小型化、轻量化、低功耗和低成本导航增强载荷技术

低轨通信卫星平台小，质量、功耗和成本均需要精细控制，因此在进行载荷设计时要面向低体积质量功耗（SWaP）进行设计，“鸿雁”卫星在进行导航增强载荷设计时，采用高精度载荷硬件架构技术+ 片上系统芯片技术+ 可重构软件系统技术，实现高精度时空基准、载荷小型化低功耗，降低成本，采用软件定义载荷技术，实现在轨维护和升级扩展。

四、展望

当前，低轨通信星座的蓬勃发展为卫星导航增强带来了新的历史机遇，低轨卫星具有空衰小、几何变化快的优势，与当前中高轨GNSS 卫星可形成互补。基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统有望解决当前增强系统在全球覆盖、低落地功率和PPP 收敛时间过长的问题，服务于未来以电网、银行、证券、军事等高价值安全用户，以及以自动驾驶为代表的实时精密定位用户，随着智能手机、移动设备等处理能力日益增长，最终有望走进千家万户，实现大众应用。

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作者：蒙艳松 边朗 王瑛 严涛 雷文英 何穆 李星星

来源：《国际太空》2018年第10期（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 胡方霞   审核 / 刘峰 胡方霞

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)