田 潤，崔志穎，張爽娜，王 盾

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

0 引言

從1994年世界上第一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)——GPS(Global Positioning System)建成并提供服務(wù)開始，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在26年間已經(jīng)融入社會生活的各個方面，其提供的全覆蓋、全天候、全時段導(dǎo)航服務(wù)，在國家建設(shè)、安全和經(jīng)濟等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。包括北斗三號在內(nèi)的全球四大導(dǎo)航系統(tǒng),在常規(guī)服務(wù)下能夠提供優(yōu)于10m的定位精度，滿足了大眾應(yīng)用的導(dǎo)航定位需求。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴展和用戶需求的不斷提升，在自動駕駛、國土勘測、軍事國防等領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航信號的脆弱性逐漸顯露[1-2]。首先，GNSS采用擴頻體制，導(dǎo)航電文速率較低，難以滿足高精度產(chǎn)品改正數(shù)據(jù)的播發(fā)要求，限制了系統(tǒng)服務(wù)精度的提升；其次，GNSS信號落地功率低，僅為-160dBW左右，穿透力較弱，在山區(qū)、峽谷、室內(nèi)等復(fù)雜地形環(huán)境下，難以提供廣域無縫的高性能位置服務(wù)；此外，衛(wèi)星導(dǎo)航民用信號頻點、結(jié)構(gòu)公開，易受欺騙和干擾，在復(fù)雜電磁對抗環(huán)境下的服務(wù)性能有待提升。綜上，GNSS在特殊領(lǐng)域應(yīng)用和復(fù)雜環(huán)境下存在可用性不足的問題，其服務(wù)精確性、可靠性和抗干擾性能都亟待增強。

近年來，低軌衛(wèi)星憑借其軌道和信號的獨特優(yōu)勢以及廣泛的應(yīng)用潛力，逐步受到導(dǎo)航增強領(lǐng)域的關(guān)注和青睞，并有望成為下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。低軌衛(wèi)星既可以增強衛(wèi)星導(dǎo)航信號，作為GNSS的有效提升與補充；也可以通過通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)融合，播發(fā)獨立測距信號，形成備份的定位導(dǎo)航能力。目前，低軌衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和實踐方興未艾，世界主要航天國家都積極開展了大型低軌通信星座的開發(fā)與部署。截至2020年11月4日，全球在軌衛(wèi)星共有6368顆，處于工作狀態(tài)的衛(wèi)星共有3408顆，其中僅低軌衛(wèi)星就超過2000顆，并呈現(xiàn)逐年快速增長的趨勢。

圖1 全球在軌衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星軌道高度分布圖Fig.1 Global satellite orbit and height distribution

基于上述背景，對低軌通信衛(wèi)星導(dǎo)航增強技術(shù)的研究顯得極為重要。美國下一代銥星(Iridium NEXT)系統(tǒng)于2019年建設(shè)完成，其提供的新型低軌衛(wèi)星授時與定位(Satellite Time and Location，STL)服務(wù)已成為GPS的有效補充和備份；歐洲Galileo技術(shù)團隊也在積極推進開普勒(Kepler)系統(tǒng)研究，由4～6顆低軌衛(wèi)星對中高軌衛(wèi)星進行監(jiān)測和高精度測量，從而大幅提高Galileo系統(tǒng)的定軌精度[3]。與此同時，在國內(nèi)大型央企、研究院所和民營企業(yè)的推動下，國網(wǎng)星座、天地一體化網(wǎng)絡(luò)、微厘空間等低軌星座同樣已開展規(guī)劃建設(shè)和在軌試驗。本文著眼于當(dāng)前低軌衛(wèi)星最新發(fā)展態(tài)勢，從導(dǎo)航精度增強及低軌衛(wèi)星信號增強等方面對衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)提升和系統(tǒng)備份開展技術(shù)和能力分析，并針對衛(wèi)星導(dǎo)航增強體系未來的發(fā)展機遇及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)做出了展望，為我國下一代低軌衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)提供了一定的參考和借鑒。

1 低軌星座最新發(fā)展態(tài)勢

在經(jīng)歷了20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初的發(fā)展低谷后，隨著當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等導(dǎo)航應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，低軌衛(wèi)星憑借其優(yōu)良的信號特性及應(yīng)用潛力迎來了一個嶄新的發(fā)展高潮。結(jié)合全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域正在進行的一場深刻的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與系統(tǒng)變革，促進低軌衛(wèi)星導(dǎo)航模式的創(chuàng)新拓展，開啟了低軌衛(wèi)星發(fā)展新時代。國內(nèi)外相關(guān)組織及機構(gòu)相繼開展了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)工作，本文對于現(xiàn)階段國內(nèi)外低軌衛(wèi)星的最新發(fā)展動態(tài)進行了調(diào)研和總結(jié)，如表1和表2所示。

目前，美國在低軌衛(wèi)星領(lǐng)域完成搶灘登陸，已經(jīng)率先部署了數(shù)千顆低軌衛(wèi)星。其中，傳統(tǒng)低軌星座Iridium、Orbcomm和Globalstar已實現(xiàn)在軌運營，其中最具代表性的為Iridium NEXT星座(圖2(a))提供的STL服務(wù)，可以為地球任意位置的用戶提供次級精度的定位、導(dǎo)航和授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)服務(wù)，已經(jīng)被美國國防部納入到國家戰(zhàn)略PNT體系中，在GPS受到影響和干擾的情況下提供備份導(dǎo)航。新興低軌星座以SpaceX商業(yè)運載公司的星鏈計劃(Starlink)(圖2(b))進展最為迅速，截至2020年11月25日，SpaceX已完成16批共計近1000顆星鏈衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，預(yù)計在2021年3月之前實現(xiàn)第一階段的550km軌道衛(wèi)星部署(72個軌道面，每個軌道面22顆衛(wèi)星)，并開始提供全球服務(wù)。由此可見，美國整個低軌衛(wèi)星系統(tǒng)指標(biāo)及規(guī)劃都較為明晰，后繼衛(wèi)星星座建設(shè)正朝著多功能綜合、全球物聯(lián)網(wǎng)方向有條不紊地發(fā)展，低軌衛(wèi)星在導(dǎo)航領(lǐng)域的部署及升級指日可待。

表1 國外低軌星座一覽

表2 國內(nèi)低軌星座一覽

由于我國商業(yè)航天發(fā)展進程晚于美國，國內(nèi)低軌衛(wèi)星星座建設(shè)大多還處于試驗星或規(guī)劃論證階段[4-5]。盡管如此，傳統(tǒng)航天系統(tǒng)及商業(yè)航天領(lǐng)域正在積極開展自主研發(fā)衛(wèi)星星群布局工作，具有代表性的包括國網(wǎng)融合星、鴻雁星座(航天科技)(圖3)、虹云星座(航天科工)、微厘空間(未來導(dǎo)航)和珞珈一號(武漢大學(xué))(圖4)[6]等，這些星座均計劃從事導(dǎo)航增強備份業(yè)務(wù)，輔助提升GNSS星座在復(fù)雜環(huán)境下的可用性及可靠性。

圖3 鴻雁星座首發(fā)星Fig.3 The first satellite of HongYan system

圖4 珞珈一號科學(xué)實驗衛(wèi)星Fig.4 Luojia-1 scientific experiment satellite

珞珈一號和鴻雁星座通過已發(fā)射的試驗衛(wèi)星獲得大量實測數(shù)據(jù)，并對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強性能提升情況進行了評估，試驗結(jié)果如圖5所示。其中珞珈一號通過搭載專用的導(dǎo)航增強載荷播發(fā)增強信號，在星上信號收發(fā)隔離、星上高精度時間維持、載荷小型化、低功耗設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)方面均取得了突破。

(a)珞珈一號01星實收信號載噪比

(b)珞珈一號01星授時精度

(c)鴻雁北斗混合星座GDOP分布圖5 國內(nèi)低軌衛(wèi)星在軌實測結(jié)果Fig.5 In-orbit measurement results of domestic LEO satellites

用戶終端根據(jù)低軌導(dǎo)航增強信號特性對接收處理流程進行了優(yōu)化，提升了低軌衛(wèi)星的捕獲靈敏度和跟蹤精度，并可同時捕獲和跟蹤GPS、北斗導(dǎo)航信號以及珞珈一號導(dǎo)航增強信號[7-8]。根據(jù)實測結(jié)果，珞珈一號單星授時獲得的地面時鐘與直接利用GPS信號獲得的地面時鐘的差異保持在10～30ns量級。

鴻雁星座的首發(fā)星于2018年12月底發(fā)射升空并開展導(dǎo)航增強相關(guān)試驗[9]，基于鴻雁首發(fā)星的導(dǎo)航增強系統(tǒng)能夠為用戶提供信息增強與信號增強服務(wù)。其中，信息增強服務(wù)通過廣播的形式播發(fā)軌道和鐘差改正信息，實現(xiàn)了動態(tài)分米級和靜態(tài)厘米級的全球精密單點定位(Global Precise Point Positioning，GPPP)服務(wù)，用戶位置解算收斂時間從30min左右縮短到1min以內(nèi)。同時，信號增強服務(wù)利用鴻雁低軌衛(wèi)星作為導(dǎo)航信號源，播發(fā)類似于GNSS 衛(wèi)星的測距信號，用戶同時接收GNSS信號與低地球軌道(Low Earth Orbit，LEO)信號進行聯(lián)合定位解算。根據(jù)實測結(jié)果，鴻雁與北斗混合星座在1天內(nèi)的平均幾何精度因子(Geometric Dilution of Precision，GDOP)相對于單北斗星座下降了9.9%，能夠有效提升導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性和定位精度。

國內(nèi)低軌衛(wèi)星在完成少量實驗星驗證的同時，后續(xù)大量發(fā)射任務(wù)正在緊鑼密鼓的部署中[10]。鑒于此，現(xiàn)階段基于低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)的研究分析顯現(xiàn)出尤為重要的實用價值和應(yīng)用意義，我國有望借助后發(fā)優(yōu)勢，充分挖掘低軌導(dǎo)航系統(tǒng)背后的空間資源和戰(zhàn)略價值，把握低軌系統(tǒng)新增量，實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的超越。

2 低軌導(dǎo)航增強服務(wù)模式分析

衛(wèi)星導(dǎo)航增強技術(shù)最早于20世紀(jì)90年代為應(yīng)對美國GPS選擇可用性(Selective Availability，SA)政策而產(chǎn)生。學(xué)者們提出了一種測站間差分處理的技術(shù)，通過消除測站間公共測量誤差將GPS的C/A測距碼恢復(fù)到系統(tǒng)設(shè)計精度[11-13]。進入21世紀(jì)，隨著SA政策的取消，導(dǎo)航增強技術(shù)的內(nèi)涵也得到了進一步擴展，泛指用于提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)能力的各種技術(shù)方案。

隨著以Starlink計劃為代表的低軌星座成為全球爭奪空間戰(zhàn)略資源的新戰(zhàn)場，衛(wèi)星導(dǎo)航增強的發(fā)展方向同樣向低軌領(lǐng)域逐漸傾斜，正成為下一代衛(wèi)星導(dǎo)航新的增長點和賦能點?，F(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)的服務(wù)模式如圖6所示，主要分為信息型增強系統(tǒng)和信號型增強系統(tǒng)兩大類。

圖6 衛(wèi)星導(dǎo)航增強服務(wù)模式Fig.6 Service mode of satellite navigation augmentation

低軌導(dǎo)航信息增強服務(wù)通過地面監(jiān)測站計算高精度產(chǎn)品誤差改正數(shù)或完好性信息，并將這些數(shù)據(jù)播發(fā)給用戶，由用戶接收后輔助提升定位精度或服務(wù)完好性。該類服務(wù)模式中導(dǎo)航定位仍然依賴于現(xiàn)有的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號，僅通過低軌衛(wèi)星通信鏈路播發(fā)增強信息，即系統(tǒng)僅提供輔助和補充能力，無法脫離GNSS單獨提供服務(wù)。

根據(jù)播發(fā)增強信息的不同，信息增強服務(wù)又可分為完好性增強和精度增強兩種類型[14]：1)完好性增強服務(wù)：主要面向民用航空行業(yè)，低軌衛(wèi)星播發(fā)完好性驗證信息用于提供更高的導(dǎo)航完好性，也在一定程度上提升了導(dǎo)航定位的精度；2)精度增強服務(wù)：主要播發(fā)實時的精密軌道鐘差產(chǎn)品，以及載波相位小數(shù)偏差、區(qū)域電離層和對流層增強等信息，用于提供精密定位服務(wù)。

低軌導(dǎo)航信號增強服務(wù)中，利用非導(dǎo)航低軌衛(wèi)星產(chǎn)生測距信號進行獨立定位或與現(xiàn)有GNSS 信號進行協(xié)同聯(lián)合定位，提高導(dǎo)航信號的接收功率并改善可見衛(wèi)星的星座構(gòu)型，從而提升衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的可用性、可靠性和連續(xù)性[15-16]。值得一提的是，借助偽距/多普勒聯(lián)合定位算法，低軌導(dǎo)航信號增強服務(wù)能夠為用戶提供位置解算能力，即能夠脫離GNSS單獨提供定位服務(wù)，實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)備份能力。典型代表為美國Iridium NEXT系統(tǒng)提供的STL服務(wù)。

2.1 低軌導(dǎo)航精度增強

低軌導(dǎo)航增強服務(wù)中最主要，同時得到最廣泛的類型為低軌導(dǎo)航精度增強，其利用低軌衛(wèi)星空間多樣性為用戶提供快速收斂的高精度服務(wù)。對于定位性能輔助提升的主要機理體現(xiàn)在，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測距信號中，載波相位的測距精度比偽距高幾個量級。高精度的定位服務(wù)通常利用載波相位測量來實現(xiàn)，而相位模糊度固定是其中的關(guān)鍵。由于中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道較高，衛(wèi)星運行速度慢，往往需要很多個歷元的觀測數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)載波相位模糊度的固定。解決這一問題最簡單的方法就是利用高動態(tài)的空間多樣性產(chǎn)生偏移觀測量。低軌衛(wèi)星軌道低，運動速度快，能夠產(chǎn)生較大的空間變化，使得定位過程中歷元間觀測方程的相關(guān)性減弱，參數(shù)的可估性大大增強，從根本上解決了載波相位模糊度參數(shù)收斂和固定慢的問題，進而實現(xiàn)快速精密定位。

基于低軌衛(wèi)星的導(dǎo)航精度增強系統(tǒng)示意圖如圖7所示。低軌衛(wèi)星播發(fā)雙頻精密測距信號，用戶終端同時接收GNSS和LEO信號，聯(lián)合PPP實現(xiàn)了快速精密單點定位。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水平精度優(yōu)于10cm，高程精度優(yōu)于20cm，且能夠輔助GNSS精密單點定位收斂時間從20～30min降到1min以內(nèi)。

圖7 低軌導(dǎo)航精度增強系統(tǒng)Fig.7 Low-orbit navigation accuracy augmentation system

雖然低軌導(dǎo)航精度增強服務(wù)通過星基廣播信道實現(xiàn)了大范圍的信息播發(fā)，不依賴于地面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)且覆蓋范圍更廣，但低軌導(dǎo)航精度增強的精密單點定位解算仍需要一定時間的收斂過程，難以達到實時高精度。因此，對部分重點服務(wù)地區(qū)可采用加密站進行區(qū)域增強的方式進行補充，確?？焖倬芊?wù)的實時性和可靠性，服務(wù)性能如表3所示。

表3 低軌導(dǎo)航精度增強服務(wù)性能

2.2 低軌導(dǎo)航信號增強

低軌導(dǎo)航信號增強借助衛(wèi)星平臺播發(fā)偽碼測距信號，解決了城市峽谷、樹林、室內(nèi)等陰影遮擋環(huán)境以及電磁干擾場景下的定位問題，有效擴展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。

相較于傳統(tǒng)的GNSS，低軌信號增強充分利用了低軌衛(wèi)星的抗干擾性能，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，低軌衛(wèi)星的軌道較低，與GNSS衛(wèi)星相同功率的信號在空間傳遞過程中的自由損耗較低，信號落地功率能夠提升30dB以上；其次，LEO通信衛(wèi)星本身具有較強的功率譜密度，其傳輸?shù)膶?dǎo)航增強及測距信號具備一定的抗干擾能力；最后，利用低軌衛(wèi)星進行高精度、高穩(wěn)定度的時間傳遞，縮小了終端時間不確定度，延長了相干積分時間，更容易實現(xiàn)導(dǎo)航信號的捕獲與跟蹤。

由于低軌衛(wèi)星覆蓋范圍較小，傳統(tǒng)低軌星座難以滿足全球大部分區(qū)域四重以上的覆蓋，因此低軌信號增強通常采用多普勒和偽距觀測信息聯(lián)合進行定位解算。其中多普勒觀測方程可以表示為

(1)

通過多普勒測量，某時刻與衛(wèi)星運動方向成θi(衛(wèi)星和用戶接收機連線與衛(wèi)星速度方向的夾角)的所有坐標(biāo)點組成了一個以衛(wèi)星位置為頂點、圓錐角為θi的圓錐面，該錐面稱為多普勒等頻圓錐面。

類似地，衛(wèi)星信號的偽距觀測方程可以表示為

(2)

基于偽距定位方程可以獲得以衛(wèi)星為中心的球面，將單星多歷元測量或多星測量得到的球面和錐面方程聯(lián)立求解方程組，即可解算出用戶真實位置，定位原理示意圖如圖8所示。

圖8 偽距多普勒聯(lián)合定位示意圖Fig.8 Diagram of joint positioning by pseudo range and Doppler

3 銥星STL服務(wù)與信號性能分析

下一代銥星系統(tǒng)為當(dāng)前唯一投入運營并提供成熟定位與授時服務(wù)的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，其提供的STL服務(wù)是導(dǎo)航信號增強領(lǐng)域的一項重要突破，已成為低軌導(dǎo)航定位的技術(shù)標(biāo)桿。本節(jié)對銥星STL信號體制及服務(wù)性能進行了深入研究，并借助實收信號采集開展了相應(yīng)試驗分析。

3.1 銥星STL信號體制

銥星STL信號在衛(wèi)星通信體制內(nèi)，利用部分時頻資源，在不改變時頻單元劃分和信號物理層設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加了信號測距功能，播發(fā)低軌衛(wèi)星星歷，通過無線資源管理調(diào)度滿足不同PNT性能要求，實現(xiàn)了用戶終端的定位、導(dǎo)航與授時。

銥星信號頻率范圍為1616～1626.5MHz之間，總帶寬為10.5MHz，其中STL信號占用后0.5MHz (1626～1626.5MHz)的單工信道播發(fā)。單工信道又劃分為12個子信道，每個信道頻寬為41.667kHz，包括31.50kHz的工作帶寬和10.17kHz的保護間隔。系統(tǒng)采用頻分多址(Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA)/時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)混合用戶多址方式，每顆衛(wèi)星上的48個點波束，按照相鄰12個波束使用一組頻率的方式對總可用頻帶進行空分頻率復(fù)用(Space Division Multiple Access，SDMA)。銥星信號的混合多址結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 銥星系統(tǒng)混合多址結(jié)構(gòu)Fig.9 Hybrid multiple access structure of Iridium system

TDMA結(jié)構(gòu)中的基本單元為時隙，多個時隙組成一個TDMA幀。用戶通信鏈路幀結(jié)構(gòu)設(shè)計為每幀總時隙時長為90ms，整個時隙平均傳輸2250個符號，符號速率為25ks/s，數(shù)據(jù)速率為50kbit/s。每幀包括1個下行單工時隙和8個雙工時隙(4個上行時隙和4個下行時隙)，時隙與時隙之間包含保護時間間隔。其中STL信號為含必要導(dǎo)航定位信息的突發(fā)信號(STL Burst)，通過前20.32ms的單工時隙播發(fā)，具體信號結(jié)構(gòu)如圖10所示。

(a)銥星STL突發(fā)信號結(jié)構(gòu)

(b)銥星TDMA幀結(jié)構(gòu)圖10 銥星STL突發(fā)信號及TDMA幀結(jié)構(gòu)Fig.10 STL burst and TDMA frame structure of Iridium system

STL突發(fā)信號由3個部分組成，分別為前導(dǎo)波(Preamble)、唯一字(Unique Word)和導(dǎo)航電文信息(Data)[17-20]。導(dǎo)航電文信息首先采用差分四相相對相移鍵控(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying，DQPSK)調(diào)制，數(shù)據(jù)率為5kbit/s，然后將經(jīng)二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調(diào)制后的唯一字放置在電文信息前。唯一字與數(shù)據(jù)信息組合之后，采用根升余弦濾波器進行脈沖整形，最后將2.6ms前導(dǎo)波放置在符號信息前，用于突發(fā)信號的檢測與快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)頻率測量。導(dǎo)頻通道和數(shù)據(jù)通道都經(jīng)過特定編碼，以保證接收機能夠有效恢復(fù)弱信號，提高了系統(tǒng)導(dǎo)航定位性能。突發(fā)信號中QPSK數(shù)據(jù)被調(diào)制在截短的偽隨機序列內(nèi)[21]，可以降低有效的信息傳輸速率，與序列相關(guān)運算關(guān)聯(lián)的處理增益也增強了STL信號穿透建筑物和其他障礙物的能力。

圖11 銥星系統(tǒng)用戶鏈路信號結(jié)構(gòu)Fig.11 Iridium system user link signal structure

由于采用波束輪詢機制，STL信號大約每1.4s播發(fā)一次。假設(shè)具備粗略的時間先驗信息，接收機能通過處理單個burst完成精確的授時。如果接收機能夠在0.6s內(nèi)處理一個burst，那么用戶可以在2s內(nèi)獲取精確的時間和信號頻率信息。

3.2 STL服務(wù)性能

Satelles公司白皮書對STL的定義為：當(dāng)GNSS表現(xiàn)不佳時，提供一個廣泛可用的定位信號；當(dāng)GNSS運行良好時，提供難以欺騙的時間和位置解決方案，從而驗證GNSS定位結(jié)果[22-23]。銥星STL服務(wù)已經(jīng)具備作為GNSS備份系統(tǒng)的能力，可以實現(xiàn)GNSS拒止條件下的導(dǎo)航定位服務(wù)，具體體現(xiàn)在如下幾個方面[24-29]：

1)全球覆蓋能力。銥星系統(tǒng)由66顆低軌衛(wèi)星組成，能夠覆蓋包括極地在內(nèi)的全球區(qū)域，實現(xiàn)了真正意義上的全球覆蓋。

2)抗干擾能力。銥星軌道高度為780km，信號傳播衰減小，STL落地信號具有39dB的功率余量(衰減39dB仍可提供服務(wù))，可以穿透建筑物遮擋，并能夠提供室內(nèi)定位授時服務(wù)，室內(nèi)定位精度如圖12所示。

圖12 STL室內(nèi)定位精度Fig.12 STL indoor positioning accuracy

3)定位授時能力。STL服務(wù)通過全球銥星地面監(jiān)測站(Teleports)獲取高精度世界協(xié)調(diào)時間(Universal Time Coordinated，UTC)，并向銥星星座提供高精度的時間基準(zhǔn)。目前，STL能夠提供50m定位精度，如圖13所示，相對于UTC的授時精度能夠達到200ns。此外，Satelles公司采用全球25個地面站對GPS時間進行比較和相互校驗，能夠自動檢測GPS故障，從而提供可靠的備份授時服務(wù)。

圖13 STL授時精度Fig.13 Timing accuracy of STL

4)抗欺騙能力，安全性高。STL系統(tǒng)采用專用加密信號，PNT數(shù)據(jù)包都經(jīng)過加密,只有付費用戶才能解密使用，具有抗欺騙能力[11]，其基于位置數(shù)據(jù)的波束加密示意圖如圖14所示。

圖14 銥星信號波束加密示意圖Fig.14 Schematic diagram of Iridium signal beam encryption

5)終端低功耗。STL信號可由基于系統(tǒng)級芯片(System on Chip, SOC)的集成導(dǎo)航芯片產(chǎn)品接收處理，滿足應(yīng)用終端低成本低功耗的要求。用戶接收模塊如圖15所示。

圖15 STL用戶接收模塊CSR SiRFstarV-XPFig.15 STL user receiving module CSR SiRFstarV-XP

3.3 STL信號性能分析

為了進一步深入研究銥星STL信號體制及其導(dǎo)航定位性能，本文對銥星信號進行現(xiàn)場采集，并依據(jù)采集信號利用偽距多普勒聯(lián)合定位算法開展了低軌導(dǎo)航定位試驗分析。信號采集現(xiàn)場與數(shù)據(jù)接收分析場景示意圖如圖16所示。

圖16 銥星信號分析數(shù)據(jù)接收場景與設(shè)備示意圖Fig.16 Diagram of Iridium protocol analysis and the equipment

基于現(xiàn)場采集信號分析銥星終端主叫建立、清除和被叫過程中的信令交互，并整理終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)信令交互流程。在此基礎(chǔ)上采用頻域檢測+時域復(fù)核的算法。隨著FFT突發(fā)信號長度的增加，F(xiàn)FT輸出信號的特征譜線，根據(jù)判決門限即可進行信號檢測，同時根據(jù)特征譜線的相對位置完成載波頻率估計；此外，對捕獲到的burst信號進行環(huán)路跟蹤，從時域得到STL突發(fā)信號。利用信號時頻域特性分析，得到時頻域結(jié)果如圖17所示。

(a)唯一字(Unique word)解調(diào)結(jié)果

(b)STL突發(fā)信號時頻域分析圖圖17 銥星STL突發(fā)時頻分析結(jié)果Fig.17 Time frequency analysis of Iridium STL burst

借助現(xiàn)場實收采集到的銥星STL突發(fā)信號，本文對開闊環(huán)境下靜止用戶終端定位性能進行了試驗評估。試驗數(shù)據(jù)采集地點選取地面接收站實際位置，即北京市門頭溝地區(qū)，低軌衛(wèi)星軌道傾角86.4°，軌道高度780km，圖18展示了試驗測試場景配置，其中“*”為測站位置，曲線1～6為按時間排序的測站收到衛(wèi)星過境時的六軌現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。假設(shè)用戶先驗位置誤差為10km，利用現(xiàn)場采集信號數(shù)據(jù)開展試驗，結(jié)果如表4和圖19所示，利用偽距/多普勒聯(lián)合解算能夠在600個歷元內(nèi)收斂定位精度達到優(yōu)于100m的水平。

圖18 銥星 STL服務(wù)信號采集試驗場景Fig.18 STL signal acquisition test scenario

表4 衛(wèi)星過境數(shù)據(jù)

圖19 STL采集信號定位試驗結(jié)果Fig.19 STL positioning test results

4 低軌導(dǎo)航增強面臨的機遇與挑戰(zhàn)

作為下一代衛(wèi)星導(dǎo)航新的增長點和賦能點，低軌導(dǎo)航增強能夠為衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣帶來新的發(fā)展機遇，同時體系架構(gòu)上的差異又決定了相關(guān)技術(shù)的工程應(yīng)用還面臨著諸多挑戰(zhàn)。本節(jié)針對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強體系未來的發(fā)展機遇以及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)進行了總結(jié)和展望。

4.1 低軌導(dǎo)航增強帶來的新機遇

與包括北斗和GPS在內(nèi)的中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號由于其獨特的軌道和信號特性，將為聯(lián)合定軌、空間大氣監(jiān)測和室內(nèi)定位等方面應(yīng)用帶來新的發(fā)展機遇。

(1)聯(lián)合定軌

傳統(tǒng)GNSS衛(wèi)星精密定軌是利用全球均勻分布的大量地面監(jiān)測站，對導(dǎo)航衛(wèi)星進行偽距和載波相位測量，再結(jié)合精確的軌道動力學(xué)模型和誤差改正模型進行數(shù)據(jù)處理，從而確定GNSS衛(wèi)星的精密軌道。然而，我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)測站建設(shè)受地緣因素影響較大，難以實現(xiàn)全球均勻布站。

搭載星載GNSS接收機的低軌衛(wèi)星可以作為星基監(jiān)測站，結(jié)合星間鏈路傳輸原始觀測量，參與高中低軌衛(wèi)星聯(lián)合定軌，以彌補地面站的不足，極大增強了GNSS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)的圖形強度，使軌道和動力學(xué)模型參數(shù)估計更為準(zhǔn)確，從而實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測站條件下的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌。

可以預(yù)見，隨著未來低軌通信網(wǎng)絡(luò)的建成，各類星地鏈路、星間鏈路將會帶來更多的觀測數(shù)據(jù)和更優(yōu)的幾何構(gòu)型，從而進一步提升聯(lián)合定軌的性能。

(2)空間大氣監(jiān)測

低軌導(dǎo)航星座的加入，為大氣監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。更多的可用衛(wèi)星能夠提取出更加豐富的傾斜路徑延遲；短時間內(nèi)更多有效的觀測數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)快速的大氣建模；低軌衛(wèi)星軌道動態(tài)強，在單位時間內(nèi)的高度角和方位角變化大，使得有效監(jiān)測范圍擴大。低軌星座能夠為電離層建模提供極為豐富的觀測資料數(shù)據(jù)，特別是可以有效填補70%的海洋上空沒有地基GNSS電離層觀測的資料空白；有助于提取和監(jiān)測對流層梯度、電離層梯度和電離層閃爍等快變參數(shù)；多樣化軌道構(gòu)型的星座組合，有助于研究電離層的垂直分層結(jié)構(gòu)以及更加精細化的大氣建模。

(3)室內(nèi)定位

低軌衛(wèi)星軌道較低，地面接收信號功率高，有利于改善信號受遮蔽環(huán)境下的定位性能。2018年，運營STL服務(wù)的Satelles公司對高層建筑物室內(nèi)的低軌導(dǎo)航服務(wù)性能開展了測試，測試場景如圖20所示。結(jié)果表明，對于GPS，只有在最頂層(13樓)靠窗位置才能接收到1～2顆衛(wèi)星的信號，其余層無法接收信號；而對于低軌衛(wèi)星信號，能夠穿透多層鋼筋混凝土

材料的阻隔，即使在第2層也能獲得(35～55)dB·Hz的載噪比，相當(dāng)于GPS在開闊環(huán)境下的信號功率水平，從而使衛(wèi)星導(dǎo)航的室內(nèi)定位服務(wù)成為可能。

圖20 低軌室內(nèi)定位測試場景Fig.20 Test scenario of LEO indoor positioning

綜上，低軌導(dǎo)航增強憑借其信號功率強，抗干擾、防欺騙性能好，能夠增強室內(nèi)等遮蔽區(qū)域服務(wù)性能，同時為聯(lián)合定軌和空間天氣監(jiān)測等提供更多的有效數(shù)據(jù)源。通過與中高軌GNSS星座形成互補，能夠在未來實現(xiàn)對導(dǎo)航系統(tǒng)精度、完好性、連續(xù)性和可用性的全面增強。

4.2 低軌導(dǎo)航增面臨的挑戰(zhàn)

目前，低軌導(dǎo)航增強作為一項新興技術(shù)，其研究整體上仍處于發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)攻關(guān)階段，盡管部分關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，但在技術(shù)體系完善和系統(tǒng)建設(shè)等方面還面臨著若干技術(shù)挑戰(zhàn)。

(1) 頻率的兼容互操作

目前，適宜導(dǎo)航的L、S頻段的頻率資源極度稀缺[30]，國際電聯(lián)組織為衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)分配的頻段資源如圖21所示，能夠開發(fā)利用的頻段已非常缺乏，且申報及協(xié)調(diào)難度大。因此，在大規(guī)模低軌導(dǎo)航增強系統(tǒng)的建設(shè)過程中，必須考慮與現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的兼容互操作，包括信號功率控制、帶外抑制、雜散抑制、互調(diào)干擾、信號的收發(fā)隔離等因素，對系統(tǒng)的前期建設(shè)工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。此外，有學(xué)者提出了將導(dǎo)航信號頻率向Ku、Ka波段推廣，確保在提供增強服務(wù)的同時，不會干擾現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常使用。

圖21 導(dǎo)航頻段頻譜資源分布圖Fig.21 Navigation spectrum distribution

(2) 通信和導(dǎo)航信號一體化設(shè)計

導(dǎo)航與通信在信號層面的融合，在不新增星上時頻資源需求的前提下，將導(dǎo)航信號融入到通信信號中進行播發(fā)，是解決導(dǎo)航信號頻譜資源緊張和功率受限的主要手段。然而，通信業(yè)務(wù)的突發(fā)性以及通信信道的時頻域非連續(xù)性與導(dǎo)航的寬帶持續(xù)信號體制差異顯著，需要開展技術(shù)攻關(guān)以推動融合應(yīng)用。通信信號通常采用空分復(fù)用、時分復(fù)用、頻分復(fù)用和碼分復(fù)用等多種復(fù)用方式，以最大程度地提升有效通信帶寬和點對點服務(wù)；而導(dǎo)航信號需要考慮結(jié)合復(fù)雜的通信協(xié)議來實現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。

(3)低軌星歷生成及誤差建模

隨著以Starlink為代表的低軌星座蓬勃發(fā)展，未來大型低軌通信星座動輒規(guī)劃了上萬顆甚至數(shù)萬顆衛(wèi)星的規(guī)模。對于大量低軌衛(wèi)星精密軌道的測定以及巨量導(dǎo)航電文信息的播發(fā)，難以沿用現(xiàn)有的技術(shù)手段，需要開發(fā)新的技術(shù)路線。

對于低軌導(dǎo)航信號的誤差源建模，同樣不能簡單套用目前GNSS 信號的誤差建模方法。與GNSS 衛(wèi)星相比，低軌衛(wèi)星的導(dǎo)航增強載荷、軌道動態(tài)及所處空間環(huán)境存在一定差異，導(dǎo)致信號的軟硬件延遲時變特性也有所不同。此外，低軌系統(tǒng)的時空基準(zhǔn)維持方式、運動特性和信號傳播路徑上的大氣延遲特性等，都異于當(dāng)前的GNSS信號，需要進行針對性的研究設(shè)計。

(4)高動態(tài)導(dǎo)航增強信號的捕獲跟蹤

低軌衛(wèi)星平臺距離地面近、運動速度快，大大提升了衛(wèi)星導(dǎo)航信號的多普勒頻移與變化率變范圍。在低軌導(dǎo)航信號的接收處理方面，需要針對性地考慮高動態(tài)導(dǎo)航信號的快速捕獲問題，采取多種途徑來保持并提升信號的跟蹤精度。

(5) 其他導(dǎo)航增強手段的挑戰(zhàn)

低軌導(dǎo)航增強面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)除了來自于低軌衛(wèi)星內(nèi)部，同樣來源于其他導(dǎo)航增強手段的競爭，主要包括地基增強系統(tǒng)及星基增強系統(tǒng)，系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系如圖22所示。

圖22 導(dǎo)航增強系統(tǒng)框圖Fig.22 Diagram of navigation augmentation system

地基導(dǎo)航增強系統(tǒng)以北斗地基增強為代表，如圖23所示，目前全國范圍布設(shè)的北斗基準(zhǔn)站2000多個，定位精度能夠達到2～4cm，服務(wù)收斂時間少于10s，經(jīng)過后處理可實現(xiàn)毫米級的高精度定位[31]，性能優(yōu)于低軌導(dǎo)航精度增強系統(tǒng)。但地基導(dǎo)航增強系統(tǒng)需要地面基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋，并且僅能夠覆蓋陸地區(qū)域，對于廣闊的海洋區(qū)域相關(guān)應(yīng)用無法提供有效服務(wù)。

圖23 北斗地基增強系統(tǒng)Fig.23 Beidou ground-based augmentation system

星基導(dǎo)航增強最具代表性的為Trimble RTX Fast系統(tǒng)，該系統(tǒng)全球布置100余站，按150～200km區(qū)域間隔布站，實時生成高精度GNSS星歷和全球范圍的系統(tǒng)誤差改正數(shù)據(jù)，并能夠推算出區(qū)域電離層和對流層信號傳播誤差改正數(shù)據(jù)，由用戶終端接收GNSS導(dǎo)航信號和星基播發(fā)的誤差改正數(shù)據(jù)進行PPP精密單點定位，定位結(jié)果如圖24所示，收斂時間優(yōu)于1min，定位精度達到2～4cm。

圖24 Trimble RTX-FAST定位結(jié)果Fig.24 Positioning result of Trimble RTX-FAST

表5對低軌導(dǎo)航增強和其他增強手段進行了比較?？梢钥闯觯鼗鰪姺绞蕉ㄎ痪茸罡?，并能提供實時高精度服務(wù)，但其覆蓋范圍僅有數(shù)百km；傳統(tǒng)PPP星基增強方式雖能提供全球服務(wù)，但其收斂時間高達30min，難以滿足行業(yè)應(yīng)用需求；PPP-RTK增強模式能夠有效收斂定位時間，但也相應(yīng)犧牲了導(dǎo)航增強的服務(wù)范圍；低軌導(dǎo)航精度增強系統(tǒng)能夠在較短收斂時間的條件下達到較高的定位精度，結(jié)合重點服務(wù)地區(qū)采用加密站進行補充，能夠為全球用戶提供實時、可靠、高精度的導(dǎo)航增強服務(wù)，已經(jīng)成為未來導(dǎo)航增強領(lǐng)域最為有效的解決方案。

表5 低軌導(dǎo)航精度增強與其他增強手段比較

5 結(jié)論

隨著四大導(dǎo)航系統(tǒng)的全面建成，各衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用大國也在規(guī)劃部署新一代導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展，積極尋找新的能力增長點。低軌星座憑借其信號功率高、幾何動態(tài)大、抗干擾能力強等優(yōu)勢，能夠在全球范圍內(nèi)對GNSS形成信息增強和信號增強，全面提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、完好性、連續(xù)性和可用性，為高中低聯(lián)合精密定軌、空間天氣監(jiān)測和室內(nèi)定位等實際應(yīng)用和科學(xué)研究帶來新的發(fā)展機遇，但同樣也面臨隨著低軌衛(wèi)星內(nèi)部技術(shù)需求以及外部其他導(dǎo)航增強手段帶來的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文針對我國低軌增強技術(shù)發(fā)展和系統(tǒng)建設(shè)提出如下建議：

1)充分利用現(xiàn)有資源，加強多種導(dǎo)航增強系統(tǒng)聯(lián)合互補與協(xié)調(diào)規(guī)劃。包括低軌增強、廣域增強、地基增強在內(nèi)的多種手段并非互相排斥、互為取代的關(guān)系，需處理好系統(tǒng)建設(shè)的統(tǒng)籌規(guī)劃和服務(wù)上的功能錯位，避免重復(fù)建設(shè)造成的資源浪費。宜充分發(fā)揮低軌的獨特優(yōu)勢，與其他導(dǎo)航增強手段形成有機互補，以優(yōu)化、高效、協(xié)同的路線解決多系統(tǒng)建設(shè)問題。

2)推進低軌衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感功能融合，構(gòu)建多功能、多層次天基信息智能服務(wù)體系。應(yīng)用軟件無線電技術(shù)的多功能、可重構(gòu)載荷平臺已經(jīng)成為下一代低軌衛(wèi)星的發(fā)展趨勢?？梢越梃b美國Blackjack系統(tǒng)的建設(shè)思路，協(xié)同發(fā)展我國的通信、導(dǎo)航、遙感技術(shù)，構(gòu)建載荷多用、星座組網(wǎng)的多層次、多模式、柔性化、可配置的低軌星座，從而利用較少的低軌星座平臺資源最大化協(xié)同效能，提升系統(tǒng)的綜合服務(wù)能力。

3)保障理論研究與技術(shù)應(yīng)用的同步發(fā)展，避免出現(xiàn)理論應(yīng)用不同步的不利局面。隨著近年來眾多巨型低軌星座的涌現(xiàn)，未來規(guī)劃的低軌星座包含動輒數(shù)千甚至上萬顆衛(wèi)星，無論是在巨量低軌衛(wèi)星的協(xié)同精確定軌、高精度時間同步與維持、新型動力學(xué)及誤差模型建立等理論研究，還是在頻率兼容互操作、高速低軌星歷播發(fā)、高動態(tài)信號接收機設(shè)計等應(yīng)用技術(shù)方面均有待突破。因此，需注重理論研究和應(yīng)用技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，充分發(fā)揮新技術(shù)、新方法的優(yōu)勢，切實推進低軌導(dǎo)航增強系統(tǒng)的工程化實現(xiàn)進程。

隨著未來下一代移動通信將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)納入到規(guī)劃路線中，空、天、地、海泛在移動通信網(wǎng)絡(luò)的建立，使低軌導(dǎo)航增強最終有望走進千家萬戶，實現(xiàn)大眾應(yīng)用。低軌導(dǎo)航增強也將是我國綜合PNT體系的重要組成部分。各種不同軌道衛(wèi)星的融合，將為世界衛(wèi)星導(dǎo)航帶來新變化、新發(fā)展，而其中低軌星座因其獨特優(yōu)勢將為世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域發(fā)展注入新的動力源泉。