近年來，隨著美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛(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)航步入新時代。各主要衛(wèi)星導(dǎo)航國家瞄準更高服務(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)和新一輪競技。

低軌衛(wèi)星（LEO）以其星座和信號的優(yōu)勢，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)星可以增強衛(wèi)星導(dǎo)航信號，作為GNSS（Global衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的增強與補充；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，國際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，對如何應(yīng)用低軌衛(wèi)星技術(shù)實現(xiàn)PNT（定位導(dǎo)航授時）的增強、備份和補充的研發(fā)和實踐方興未艾。美國銥星系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)共同研發(fā)推出新型衛(wèi)星授時與定位服務(wù)(STL)，已成為GPS系統(tǒng)的備份或補充；歐洲Galileo系統(tǒng)技術(shù)團隊，也在積極推進開普勒系統(tǒng)研究，通過4-6顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成的低軌星座，通過星間鏈路對中高軌衛(wèi)星進行監(jiān)測和高精度測量，以大幅提高Galileo星座的定軌精度。與此同時，國內(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、民營企業(yè)的推動下，鴻雁、天地一體化網(wǎng)絡(luò)、微厘空間等低軌衛(wèi)星星座已開展試驗衛(wèi)星在軌試驗。本文主要聚焦低軌增強星座對衛(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)通過低軌增強提升能力

1、美國通過銥星系統(tǒng)實現(xiàn)對GPS定位授時服務(wù)能力的備份

為提升GPS系統(tǒng)的能力，美國在新一代銥星系統(tǒng)上實現(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GPS能力進行備份和增強。

銥星系統(tǒng)最初是美國摩托羅拉公司設(shè)計的Global移動通信系統(tǒng)。包括6個軌道面，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)費用和市場的冷遇，銥星系統(tǒng)的發(fā)展較為遲緩。2019年1月，美國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)，可實現(xiàn)室內(nèi)和峽谷地區(qū)的定位導(dǎo)航授時。STL服務(wù)性能,定位精度30～50米、授時精度約為200ns，原信號落地功率比GPS L1 C/A碼信號強300～2400倍（24.8～33.8dB），室內(nèi)可用性大幅提升，增強了復(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。通過銥星以及GNSS接收機，STL服務(wù)既可增強GPS在內(nèi)的多GNSS導(dǎo)航服務(wù)，也可在信號不可用或者不好用的時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Galileo系統(tǒng)能力

開普勒系統(tǒng)（Kepler）是歐洲Galileo系統(tǒng)技術(shù)團隊提出的新構(gòu)想，在實現(xiàn)對Galileo系統(tǒng)完好性和精度增強的同時，減輕對地面系統(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）來完善現(xiàn)有星座體系。MEO衛(wèi)星不需配備原子鐘，通過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現(xiàn)直接同步，之后再進一步為定軌提供高精度的距離測量而不是偽距，以期得到mm級的定軌精度和nm級的相位測量精度，從而實現(xiàn)能力大幅提升。同時，系統(tǒng)通過LEO衛(wèi)星星座對無電離層、對流層擾動的導(dǎo)航信號進行觀測，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，地面運控系統(tǒng)的測量通信設(shè)施大多不再必要，僅需少量地面站維持與地球坐標框架的一致，以及特殊情況下操控系統(tǒng)的能力。

3、國內(nèi)多家開展低軌增強研究和技術(shù)試驗

國內(nèi)多家單位開展了低軌衛(wèi)星增強的相關(guān)理論研究、仿真計算和在軌衛(wèi)星驗證，并提出了相應(yīng)的星座計劃。“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)星增強的需求，微厘空間、箭旅鏡像主打低軌高精度增強；同時“鴻雁星座試驗星”“珞珈一號”“微厘空間” “網(wǎng)通一號”等低軌試驗衛(wèi)星的在軌技術(shù)試驗，為低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號增強技術(shù)、精度增強等技術(shù)積累了試驗數(shù)據(jù)。

二、低軌增強為衛(wèi)星導(dǎo)航帶來的新賦能

1、低軌星座和信號具有很好的優(yōu)勢

1）低軌衛(wèi)星軌道低、重量小，衛(wèi)星造價和發(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）落地信號強度更高，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)星信號傳輸路徑更短、信號時延和功率損耗更小。簡單來說，如果低軌衛(wèi)星和中高軌衛(wèi)星發(fā)射相同的信號功率，低軌衛(wèi)星發(fā)射抵達地球表面的信號功率將比中高軌衛(wèi)星高出30dB（即1000倍）。更強的落地信號功率，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)星運行速度快，加快高精度定位收斂時間，用戶體驗更優(yōu)

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

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

而低軌衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)一周的時間遠小于中高軌衛(wèi)星，在相同時間段內(nèi)過的軌跡更長，幾何構(gòu)型變化快。理論上，低軌衛(wèi)星運行1分鐘，約相當(dāng)于目前中軌衛(wèi)星運行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間，達到1分鐘級收斂，用戶體驗更加優(yōu)異。

4）更高的信息速率，能播發(fā)更多的精密改正信息

由于落地信號功率的提升，低軌增強信號可以承載更高的信息速率或更大的信號帶寬，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

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

2、助力構(gòu)建GNSS Global天基監(jiān)測網(wǎng)

一般來說，GNSS需要Global分布的地面監(jiān)測站進行觀測支持，美國、俄羅斯和歐洲基本都采用Global建站的途徑來滿足Global連續(xù)觀測要求。美國GPS系統(tǒng)監(jiān)測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、夏威夷五個監(jiān)測站；俄羅斯東西跨度大，基本可解決GLONASS系統(tǒng)Global觀測問題；歐洲Galileo系統(tǒng)可以在海外殖民地建站，實現(xiàn)全Global觀測。我國北斗系統(tǒng)當(dāng)前主要是立足國內(nèi)建站，通過星間鏈路實現(xiàn)全Global觀測和運行支持。

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

1）實現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的高質(zhì)量Global監(jiān)測

相比于地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，低軌衛(wèi)星對導(dǎo)航信號的觀測具備受電離層、對流層等影響小，跟蹤弧段長、覆蓋次數(shù)多，多徑效應(yīng)影響小等特點。低軌衛(wèi)星作為GNSS的高精度天基監(jiān)測站，可極大改善觀測幾何，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，并有效彌補地基監(jiān)測網(wǎng)在空間覆蓋上的不足，實現(xiàn)Global高質(zhì)量監(jiān)測。

圖2 天基監(jiān)測與地面監(jiān)測

2）可有效提升衛(wèi)星定軌精度

通過選取30顆導(dǎo)航衛(wèi)星，對僅地面監(jiān)測站，以及低軌星基監(jiān)測與地面聯(lián)合監(jiān)測兩種情況的定軌能力進行仿真分析。僅地面監(jiān)測站進行定軌的空間信號精度約0.3米；加上12顆低軌衛(wèi)星組成天基監(jiān)測站聯(lián)合定軌仿真，信號精度約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)測和定軌，可使星座定軌精度提升1倍以上。