近年來(lái)，隨著美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲Galileo等四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供Global服務(wù)，世界衛(wèi)星導(dǎo)航步入新時(shí)代。各主要衛(wèi)星導(dǎo)航國(guó)家瞄準(zhǔn)更高服務(wù)精度、更加多樣功能、更加可靠服務(wù)，正在著手開展新一代系統(tǒng)建設(shè)和新一輪競(jìng)技。

低軌衛(wèi)星（LEO）以其星座和信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，逐步受到世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注和青睞，有望成為新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。低軌衛(wèi)星可以增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，作為GNSS（Global衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的增強(qiáng)與補(bǔ)充；也可以通過(guò)通信系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)融合，播發(fā)獨(dú)立測(cè)距信號(hào)，形成備份的定位導(dǎo)航能力。目前，國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，對(duì)如何應(yīng)用低軌衛(wèi)星技術(shù)實(shí)現(xiàn)PNT（定位導(dǎo)航授時(shí)）的增強(qiáng)、備份和補(bǔ)充的研發(fā)和實(shí)踐方興未艾。美國(guó)銥星系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)共同研發(fā)推出新型衛(wèi)星授時(shí)與定位服務(wù)(STL)，已成為GPS系統(tǒng)的備份或補(bǔ)充；歐洲Galileo系統(tǒng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，也在積極推進(jìn)開普勒系統(tǒng)研究，通過(guò)4-6顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成的低軌星座，通過(guò)星間鏈路對(duì)中高軌衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)和高精度測(cè)量，以大幅提高Galileo星座的定軌精度。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的低軌衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展也如火如荼。在有關(guān)部門、大型央企、研究院所、民營(yíng)企業(yè)的推動(dòng)下，鴻雁、天地一體化網(wǎng)絡(luò)、微厘空間等低軌衛(wèi)星星座已開展試驗(yàn)衛(wèi)星在軌試驗(yàn)。本文主要聚焦低軌增強(qiáng)星座對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能力提升和備份方面的技術(shù)和效果的分析。

一、世界主要衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)低軌增強(qiáng)提升能力

1、美國(guó)通過(guò)銥星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS定位授時(shí)服務(wù)能力的備份

為提升GPS系統(tǒng)的能力，美國(guó)在新一代銥星系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了與GPS系統(tǒng)的融合發(fā)展，為用戶提供STL（Satellites Time and Location）服務(wù)，由Satelles公司提供，可對(duì)GPS能力進(jìn)行備份和增強(qiáng)。

銥星系統(tǒng)最初是美國(guó)摩托羅拉公司設(shè)計(jì)的Global移動(dòng)通信系統(tǒng)。包括6個(gè)軌道面，每條軌道均勻分布11顆衛(wèi)星，組成完整星座，能夠覆蓋包括極地在內(nèi)的Global區(qū)域。設(shè)計(jì)之初主要為用戶提供衛(wèi)星通信服務(wù)，但由于高昂的系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用和市場(chǎng)的冷遇，銥星系統(tǒng)的發(fā)展較為遲緩。2019年1月，美國(guó)完成新一代銥星系統(tǒng)發(fā)射部署。在通信業(yè)務(wù)以外，銥星星座提供STL服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和峽谷地區(qū)的定位導(dǎo)航授時(shí)。STL服務(wù)性能,定位精度30～50米、授時(shí)精度約為200ns，原信號(hào)落地功率比GPS L1 C/A碼信號(hào)強(qiáng)300～2400倍（24.8～33.8dB），室內(nèi)可用性大幅提升，增強(qiáng)了復(fù)雜地形環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航可用性和安全性。通過(guò)銥星以及GNSS接收機(jī)，STL服務(wù)既可增強(qiáng)GPS在內(nèi)的多GNSS導(dǎo)航服務(wù)，也可在信號(hào)不可用或者不好用的時(shí)候作為一種備用手段。

2、歐洲專家提出以開普勒低軌系統(tǒng)大幅增強(qiáng)Galileo系統(tǒng)能力

開普勒系統(tǒng)（Kepler）是歐洲Galileo系統(tǒng)技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出的新構(gòu)想，在實(shí)現(xiàn)對(duì)Galileo系統(tǒng)完好性和精度增強(qiáng)的同時(shí)，減輕對(duì)地面系統(tǒng)的依賴。

開普勒系統(tǒng)的技術(shù)核心，是用4-6顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成小規(guī)模星座，以及激光星間鏈路（ISL）來(lái)完善現(xiàn)有星座體系。MEO衛(wèi)星不需配備原子鐘，通過(guò)激光星間鏈路連接所有衛(wèi)星，使得導(dǎo)航衛(wèi)星能夠在很高精度水平上實(shí)現(xiàn)直接同步，之后再進(jìn)一步為定軌提供高精度的距離測(cè)量而不是偽距，以期得到mm級(jí)的定軌精度和nm級(jí)的相位測(cè)量精度，從而實(shí)現(xiàn)能力大幅提升。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)LEO衛(wèi)星星座對(duì)無(wú)電離層、對(duì)流層擾動(dòng)的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，可提升MEO系統(tǒng)的完好性和精度。在開普勒系統(tǒng)架構(gòu)下，地面運(yùn)控系統(tǒng)的測(cè)量通信設(shè)施大多不再必要，僅需少量地面站維持與地球坐標(biāo)框架的一致，以及特殊情況下操控系統(tǒng)的能力。

3、國(guó)內(nèi)多家開展低軌增強(qiáng)研究和技術(shù)試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)多家單位開展了低軌衛(wèi)星增強(qiáng)的相關(guān)理論研究、仿真計(jì)算和在軌衛(wèi)星驗(yàn)證，并提出了相應(yīng)的星座計(jì)劃。“鴻雁”“虹云”“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”等通信星座均考慮了低軌衛(wèi)星增強(qiáng)的需求，微厘空間、箭旅鏡像主打低軌高精度增強(qiáng)；同時(shí)“鴻雁星座試驗(yàn)星”“珞珈一號(hào)”“微厘空間” “網(wǎng)通一號(hào)”等低軌試驗(yàn)衛(wèi)星的在軌技術(shù)試驗(yàn)，為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)、精度增強(qiáng)等技術(shù)積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

二、低軌增強(qiáng)為衛(wèi)星導(dǎo)航帶來(lái)的新賦能

1、低軌星座和信號(hào)具有很好的優(yōu)勢(shì)

1）低軌衛(wèi)星軌道低、重量小，衛(wèi)星造價(jià)和發(fā)射成本較低

低軌衛(wèi)星比中高軌衛(wèi)星的重量輕、軌道更低，可通過(guò)一箭多星方式發(fā)射，衛(wèi)星的研發(fā)成本和火箭發(fā)射成本較低。

2）落地信號(hào)強(qiáng)度更高，可改善遮擋遮蔽條件下定位效果，提升可用性

低軌衛(wèi)星軌道高度一般為1000km左右，相較于20000km以上高度的中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星信號(hào)傳輸路徑更短、信號(hào)時(shí)延和功率損耗更小。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果低軌衛(wèi)星和中高軌衛(wèi)星發(fā)射相同的信號(hào)功率，低軌衛(wèi)星發(fā)射抵達(dá)地球表面的信號(hào)功率將比中高軌衛(wèi)星高出30dB（即1000倍）。更強(qiáng)的落地信號(hào)功率，可在復(fù)雜地形環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下改善定位的效果，提升抗干擾和反欺騙能力。

3）低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度快，加快高精度定位收斂時(shí)間，用戶體驗(yàn)更優(yōu)

中高軌衛(wèi)星星座幾何構(gòu)型變化慢，相鄰歷元間觀測(cè)方程之間的相關(guān)性太強(qiáng)，因此在進(jìn)行定位參數(shù)估計(jì)時(shí)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能估計(jì)和分離各類誤差，進(jìn)而固定載波相位模糊度、實(shí)現(xiàn)精密定位。因此，傳統(tǒng)高精度定位的收斂時(shí)間一般為15分鐘~30分鐘。

圖1 相同時(shí)間內(nèi)低軌與中軌衛(wèi)星劃過(guò)的軌跡，其中紅色為中高軌衛(wèi)星軌跡，藍(lán)色為低軌衛(wèi)星軌跡

而低軌衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間遠(yuǎn)小于中高軌衛(wèi)星，在相同時(shí)間段內(nèi)過(guò)的軌跡更長(zhǎng)，幾何構(gòu)型變化快。理論上，低軌衛(wèi)星運(yùn)行1分鐘，約相當(dāng)于目前中軌衛(wèi)星運(yùn)行20分鐘的幾何變化。低軌衛(wèi)星的軌道特性，有助于加快高精度定位的收斂時(shí)間，達(dá)到1分鐘級(jí)收斂，用戶體驗(yàn)更加優(yōu)異。

4）更高的信息速率，能播發(fā)更多的精密改正信息

由于落地信號(hào)功率的提升，低軌增強(qiáng)信號(hào)可以承載更高的信息速率或更大的信號(hào)帶寬，作為衛(wèi)星導(dǎo)航基本電文及差分改正電文的播發(fā)通道。

5）終端小型化、集成化、低功耗，易于用戶使用

低軌增強(qiáng)信號(hào)功率的提升，有利于地面用戶使用更小型化的終端設(shè)備；同時(shí)，作為通信使用時(shí)，地面用戶以更小的信號(hào)功率，就能被低軌衛(wèi)星正常接收。

2、助力構(gòu)建GNSS Global天基監(jiān)測(cè)網(wǎng)

一般來(lái)說(shuō)，GNSS需要Global分布的地面監(jiān)測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)支持，美國(guó)、俄羅斯和歐洲基本都采用Global建站的途徑來(lái)滿足Global連續(xù)觀測(cè)要求。美國(guó)GPS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站大都分布在赤道附近，包括科羅拉多、迪戈加西亞、阿森松、卡瓦加林、夏威夷五個(gè)監(jiān)測(cè)站；俄羅斯東西跨度大，基本可解決GLONASS系統(tǒng)Global觀測(cè)問(wèn)題；歐洲Galileo系統(tǒng)可以在海外殖民地建站，實(shí)現(xiàn)全Global觀測(cè)。我國(guó)北斗系統(tǒng)當(dāng)前主要是立足國(guó)內(nèi)建站，通過(guò)星間鏈路實(shí)現(xiàn)全Global觀測(cè)和運(yùn)行支持。

基于低軌衛(wèi)星星座，可助力構(gòu)建GNSS  Global天基監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

1）實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的高質(zhì)量Global監(jiān)測(cè)

相比于地面監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，低軌衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的觀測(cè)具備受電離層、對(duì)流層等影響小，跟蹤弧段長(zhǎng)、覆蓋次數(shù)多，多徑效應(yīng)影響小等特點(diǎn)。低軌衛(wèi)星作為GNSS的高精度天基監(jiān)測(cè)站，可極大改善觀測(cè)幾何，削弱切向軌道與相位模糊度的相關(guān)性，提高導(dǎo)航衛(wèi)星軌道和鐘差精度，并有效彌補(bǔ)地基監(jiān)測(cè)網(wǎng)在空間覆蓋上的不足，實(shí)現(xiàn)Global高質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

圖2 天基監(jiān)測(cè)與地面監(jiān)測(cè)

2）可有效提升衛(wèi)星定軌精度

通過(guò)選取30顆導(dǎo)航衛(wèi)星，對(duì)僅地面監(jiān)測(cè)站，以及低軌星基監(jiān)測(cè)與地面聯(lián)合監(jiān)測(cè)兩種情況的定軌能力進(jìn)行仿真分析。僅地面監(jiān)測(cè)站進(jìn)行定軌的空間信號(hào)精度約0.3米；加上12顆低軌衛(wèi)星組成天基監(jiān)測(cè)站聯(lián)合定軌仿真，信號(hào)精度約0.1米。初步分析可知，地基與基于低軌星座的天基聯(lián)合監(jiān)測(cè)和定軌，可使星座定軌精度提升1倍以上。