低軌導航增強GNSS發展綜述
張小紅1,2, 馬福建1,2
1. 武漢大學測繪學院, 湖北 武漢 430079;
2. 地球空間環境與大地測量教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430079
收稿日期：2019-05-07；修回日期：2019-06-06
基金項目：國家傑出青年科學基金(41825009);武漢市應用基礎前沿專項(2018010401011270)
第一作者簡介：張小紅(1975—)，男，教授，研究方向為GNSS精密定位及其應用. E-mail:xhzhang@sgg.whu.edu.cn
通信作者：張小紅E-mail:xhzhang@sgg.whu.edu.cn
摘要：低軌星座具有地面接收信號強度高、幾何圖形變化快的優勢，能夠與中高軌GNSS星座形成互補，對增強GNSS的精度、完好性、連續性和可用性具有顯著優勢，已成為當前衛星導航領域的關注熱點。本文首先簡要介紹了現有的GNSS增強系統；總結了國內外低軌導航增強星座發展現狀；針對低軌導航增強，對比分析了高中低軌導航星座的優缺點；重點討論了低軌導航增強在聯合定軌、快速精密定位、空間天氣監測和室內定位等方面帶來的機遇；分析指出了低軌導航增強的空間段、地面段和用戶段所面臨的挑戰。
關鍵詞：低軌導航增強 低軌星座 全球導航衛星系統 星基增強系統 導航定位 聯合定軌
Review of the development of LEO navigation-augmented GNSS
ZHANG Xiaohong1,2, MA Fujian1,2
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:xhzhang@sgg.whu.edu.cn.
Corresponding author: ZHANG Xiaohong E-mail:xhzhang@sgg.whu.edu.cn.
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)
全球導航衛星系統(GNSS)是重要的時空信息基礎設施，在國民經濟建設與國防安全領域發揮著十分重要的作用[1-2]，已廣泛應用於導航、定位和授時的眾多領域，其應用「僅受限於人們的想像力」。近年來，隨著5G/6G、物聯網、人工智慧和無人駕駛等技術的發展，社會生產和生活對精準時空信息的需求達到了前所未有的高度，已從過去的粗略、事後、靜態和區域，發展到現在的精準、實時、動態和全球[3]。以無人駕駛汽車為例，不僅需要實時車道級的導航精度，更需要全路況的連續可用。但是，衛星導航系統自身還無法實現高精度的室內外無縫連續可用。首先，GNSS基本導航服務能提供的定位精度通常只有10 m左右，無法滿足高精度用戶的需求；其次，微弱的GNSS信號，不足以穿透物理遮蔽，無法在室內、森林和城市峽谷等信號遮蔽區域提供可靠連續的導航定位服務；此外，GNSS信號功率很低，容易受到幹擾和欺騙，存在一定的安全隱患[4-5]。如何提升衛星導航系統的服務性能，一直是衛星導航技術發展的驅動力之一。
1 GNSS增強系統
為了提高衛星導航定位的精度、可用性和完好性，在基本導航系統的基礎上，提出並研發了多種衛星導航增強系統。按照增強方式可分為信息增強和信號增強兩大類。
1.1 信息增強與信號增強
信息增強是指通過修正衛星導航定位系統的誤差來提高導航定位精度和可靠性等的一種技術方式。信息增強不提供額外的距離觀測量，只提供消除GNSS誤差的修正信息和完好性信息。信息增強通常需要的是傳輸信道，能夠把增強信息播發給用戶。按照增強信息傳輸的平臺方式，可以分為地基增強和星基增強。網絡RTK、星基差分等技術是典型的信息增強系統。
信號增強是指通過除導航衛星以外的平臺來發射導航信號，用戶同時可以接收導航衛星系統本身的導航信號以及其他額外的導航信號，進而提高導航定位精度和可用性的方法。信號增強通常需要信號發射機來為用戶提供測量信息。信號增強系統提供觀測量，可以與GNSS聯合定位或者獨立定位。按照發射導航信號平臺的位置，信號增強也可以分為地基增強和星基增強。
信息增強可以改善GNSS定位性能，但是對於收不到GNSS信號的情況來講，如室內或者遮擋環境下，信息增強就無能為力了。而信號增強能夠提供新的觀測量，對於GNSS無能為力的場景，如立交橋下、城市峽谷地帶等衛星數目可能不夠的情況下，通過信號增強的方式來彌補，甚至對於室內這種GNSS信號無法到達的領域，信號增強也能提供解決方案。
1.2 地基增強與星基增強
從20世紀90年代初開始，國際上先後提出了以信息增強為主、信號增強為輔的GNSS增強系統，具有代表性的是美國的WAAS[6]、歐洲的EGNOS[7]等星基增強系統，以LAAS[8]為代表的地基增強系統；還提出了單純信息增強的GNSS增強系統，主要包括利用移動通信播發增強信息的地基增強系統(如網絡RTK)和利用通信衛星播發增強信息的星基增強系統(如StarFire[9]、OmniSTAR[10]等星基差分定位系統)。在開闊環境下，RTK技術能滿足實時高精度應用需求，但是需要區域密集參考站網的支持，PPP技術雖然不依賴於密集的參考站，但其定位的首次初始化時間較長，且信號失鎖後的重新初始化時間與首次初始化時間幾乎一樣長[11]，還難以滿足實時性的要求。特別是在高樓和立交橋日益增加的城市環境下，大部分衛星信號被遮擋，RTK和PPP均無法提供連續可用的導航定位服務。
1.3 對現有GNSS增強系統的討論
不管是信息增強還是信號增強，採用地基增強GNSS的系統的覆蓋範圍有限，無法提供全球無縫統一的高精度服務。傳統的以信息增強為主、信號增強為輔的GNSS星基增強系統，除了日本的QZSS，均將GEO衛星作為增強信息播發平臺，主要是利用其對地靜止和覆蓋面廣的優勢，服務區內用戶可以始終接收該衛星的增強服務，但是GEO軌道資源非常有限、轉發通信時延高，且僅能覆蓋南北緯72°以下區域[12]，而實際上兩極地區對於SBAS服務有強烈的需求——北冰洋地區航海貿易隨著全球變暖導致的夏季海冰消融而日漸繁榮[13]，極地航線航程短節約燃油但對完好性要求高[14]；QZSS目前由3顆高軌IGSO(偏心率約0.075)和1顆GEO衛星組成，通過將IGSO的遠地點置於日本上空，可以保證該區域天頂附近始終可見1顆高傾角衛星，從而進行信息和信號增強，QZSS IGSO能夠覆蓋極區，為極地星基增強提供了解決方案之一[15]。
但是，這些已經建立的星基增強系統因其能播發增強信號的衛星數量有限，信號增強的能力較為有限。特別是隨著BDS、Galileo等全球系統，以及QZSS、IRNSS等區域衛星導航系統的建成，對多系統用戶來說，傳統以高軌衛星為信號播發載體建成的星基增強系統，其信號增強的貢獻比較有限，在信號遮蔽區域和室內仍然無法提供連續可用的導航定位服務。為了克服GNSS的脆弱性和局限性，近年來，國內外學者提出通過建立低軌導航星座，利用低軌衛星播發導航信號來增強GNSS的低軌導航增強的構想[16-19]。
2 低軌導航星座發展概況
1963年，美國海軍研製的第1代衛星導航系統——子午衛星系統(Transit)就是採用低軌星座，由5—10顆運行在高度約1100 km圓形極軌道上的低軌衛星組成[20]。相比於傳統的地基無線電導航系統，Transit在定位精度方面有了明顯改善[21-22]，但無法實現瞬時單曆元定位，一般需要10~16 min的完整觀測，才能達到必要的幾何圖形條件。同時，受星座衛星數量少的影響，用戶往往需要等待30~100 min，才能觀測到第2次衛星入境[20]。1967年，蘇聯也開始部署自己的軍方導航通信系統(Parus/Tsikada)，在軌道類型、信號頻率、定位方式等方面都類似於Transit[23]。
直到1974年第1臺星載原子鐘的問世[24]，以及偽隨機噪聲碼擴頻調製和多址接入技術的發展[25]，美國和蘇聯相繼建設GPS和GLONASS系統。為了儘快實現全球任意地區四重以上覆蓋，綜合考慮系統的建設和維護成本，GPS和GLONASS均採用中軌道星座，而沒有採用低軌星座。
隨著通信業務的發展，在20世紀末，出現了用於移動通信的低軌衛星星座，典型代表是美國的銥星(Iridium)和全球星(Globalstar)星座。第1代銥星系統於1998年5月建成，空間段由66顆低軌衛星均勻分布在6個近圓極軌道上，每個軌道11顆，高度780 km，傾角86.4°，順行軌道面夾角31.6°，逆行軌道面夾角22°，順行軌道面間相鄰主星相位差16.4°(文獻[26])。銥星運行速度7.5 km/s，軌道周期100 min，產生的都卜勒頻移量為±40 kHz。每顆衛星形成48個點波束。星間鏈路使用Ka頻段與周邊4顆衛星進行通信；地面上行和下行鏈路也使用Ka頻段；衛星語音和數據信號發射使用L波段(1616~1 626.5 MHz)，採用符號率25 ksym/s的正交相移鍵控調製方式，信號幀長度90 ms，目前由Satelles公司取得唯一授權發射專用STL(satellite time and location)脈衝信號，既可以提供獨立的導航、定位和授時(PNT)服務，也能對GNSS系統進行信號增強(http://www.satellesinc.com/wp-content/uploads/2016/06/Satelles-White-Paper-Final.pdf)。銥星採用恆溫晶體振蕩器(OCXO)產生通信信號和維持系統時，短期內性能很穩定，100 s後鐘差和鍾漂穩定性低於星載原子鐘，銥星鐘差穩定度一般優於10-11，1000 s前後分別表現為閃變噪聲和隨機遊走噪聲，因而每天至少需要2次時頻調整以獲得時間同步[27]。目前，銥星系統已於2019年1月11日完成了全部衛星的更新換代，「銥星二代」空間段由66顆主星和9顆備份星構成[28]。
2015年以來，國際知名企業如美國的OneWeb[29]、SpaceX[30, 31]和Boeing[32]，韓國的Samsung[33]、中國的航天科技集團[34]和航天科工集團[35]等，先後宣布發射和部署各自的商用低軌星座，衛星數量由數十至上萬顆不等，初衷是為了從太空提供全球範圍內、無縫穩定的寬帶網際網路通信服務。低軌星座建設進入蓬勃發展時期，如表 1所示。文獻[17]從整個系統的架構，包括星座幾何圖形條件、空間信號測距誤差、星載原子鐘性能和定軌方法等方面，全面探索其擴展成為導航增強星座的可能性，結果令人振奮。
表 1 部分已部署或提出的商用低軌星座匯總Tab. 1 Summary of some deployed or proposed commercial LEO constellations
星座衛星數高度/km傾角/(°)建成年份國家主要業務Iridium[26]6678086.41998美國語音+STLGlobalstar[36]481400522000美國語音Iridium NEXT[28]7578086.42019美國寬帶+STLOneWeb[29]6481200882027美國寬帶1972—SpaceX Starlink[30-31]16001150532024美國寬帶1600111053.84001130743751275814501325707518340——Boeing[32]1190120045—美國寬帶61255115588LeoSat[37]1081400—2020美國寬帶Telesat[38]72100099.52022加拿大寬帶45124837.4Kepler Comunications[39]140——2022加拿大物聯網Astrocast[40]64600—2021瑞士物聯網Yaliny[41]135600——俄羅斯寬帶Astrome[42]1501400—2020印度寬帶Samsung[33]46001400——韓國寬帶Hongyan[34]541100—2023中國寬帶+導航增強270———Hongyun[35]1561000—2022中國寬帶+導航增強CentiSpace[43]120700—2021中國寬帶+導航增強表選項
航天科技的「鴻雁」星座和航天科工的「虹雲」工程等均將搭載導航增強有效載荷，既能為我國北鬥導航衛星系統提供增強改正數和完好性信息，又能夠自主地播發導航測距信號，增強PNT服務性能。
2018年3月，中國科學院光電研究院依託天儀研究院研製的衛星平臺，開展了低軌衛星導航信號增強在軌試驗，旨在驗證通信與導航增強在信號層面深度融合新體制的功能和性能，探索基於低軌衛星導航信號增強的應用模式。試驗衛星軌道高度537 km，導航增強信號採用時分多載波體制、S頻段播發，信號發射功率33 dBmW，落地電平-129~-118.5 dBmW，衛星過境時長約10 min(http://www.beidou.gov.cn/yw/xydt/201803/t20180330_14297.html)。
2018年6月2日，武漢大學研製的「珞珈一號」科學實驗衛星01星(Luojia-1A)成功發射，是我國開展低軌夜光遙感、導航增強衛星研究以及集成化空間信息系統建設的有益探索。「珞珈一號」01星位於高度645 km的太陽同步軌道，同樣使用OCXO代替原子鐘。初步導航性能顯示，星曆內符合精度為0.1 m，鐘差穩定度為3×10-10，偽距和載波測量精度分別為2.6 m和0.013 m，高仰角條件下優於1.5 m和1.7 mm，因而能夠聯合現有的GNSS增強實時導航服務[44-45]。
2018年下半年，「鴻雁」星座、「虹雲」工程和北京未來導航科技有限公司的「微釐空間」，均發射了各自的首顆驗證衛星開展測試論證工作。預計2023年前後，全球將形成多個低軌星座增強Multi-GNSS的新局面。
3 低軌與中高軌衛星導航關鍵指標對比
根據軌道的偏心率不同，可將其劃分為近圓軌道(偏心率＜0.14)和橢圓軌道(偏心率≥0.14)，GNSS衛星除了Galileo的FOC FM1和FOC FM2衛星錯誤入軌至橢圓軌道之外，其餘均工作在近圓軌道上。根據衛星的運行高度不同，近圓軌道又可進一步細分為低軌、中軌和高軌。低軌道高度通常為300~2000 km，衛星運行速度7.7~6.9 km/s，運行周期90.4~127.1 min；中軌道高度通常為2000~35 700 km，運行周期約2~24 h，受範艾倫輻射帶高能粒子輻射的影響[46]，很少有太空飛行器在該區域活動，但GNSS衛星卻普遍位於20 000 km左右，運行速度3.9 km/s，運行周期約12 h；高軌是指高度在35 700 km以上的軌道，典型的高軌衛星是地球同步軌道衛星，如BDS GEO和IGSO。截至2018年11月30日，全球在軌衛星數量共計1957顆[47]，包括1232顆LEO、126顆MEO、558顆地球同步軌道和41顆橢圓軌道衛星，如圖 1所示。
圖 1 空間輻射電離總劑量及在軌衛星數量分布Fig. 1 Distributions of the total ionizing dose of space radiation and operational satellites on orbit圖選項
與中高軌衛星相比，低軌衛星具有距離地面近、運行速度快、受到的攝動影響大這3大特點。
3.1 低軌星座優勢
首先，軌道越低，克服重力勢能做功到達指定高度所需的發射速度和能量越小，需要的燃料越少，運載火箭易於小型化。此外，輕型化的低軌小衛星批量製造成本低，易於攜帶，可採用一箭多星技術減少發射次數。2017年1月14日，SpaceX就採用一箭十星的方式將「銥星二代」(Iridium NEXT)首批10顆低軌衛星送入太空(http://www.gpsworld.com/spacex-launches-first-batch-of-iridium-next-satellites/)，大大降低了衛星發射成本。由於信號傳播距離短，自由空間損耗更少，高度780 km的銥星地面接收信號強度比GPS高約30 dB(1000倍)[48]，有助於改善信號受遮蔽環境下的定位效果，提升抗幹擾、防欺騙性能；有利於高速衛星通信、寬帶網際網路接入和數據傳輸；有利於對地觀測技術的發展，可以獲取高解析度遙感影像、大氣監測信息等。
其次，低軌衛星運行速度快，都卜勒頻移現象明顯，有利於提高測速的精度和基於都卜勒觀測值的載波相位周跳探測效果，都卜勒信息也可用於定位，如Transit；通常低軌衛星在測站上方的可見時長僅10~20 min，如圖 2所示，相同時間內低軌衛星划過的天空軌跡更長，幾何圖形變化快，使得定位過程中曆元間觀測方程的相關性減弱[49]，參數的可估性大大增強，有望從根本上解決載波相位模糊度參數收斂和固定慢的問題，進而實現快速精密定位；短時間內反射信號不再是靜態的，與直達信號更易分離，多路徑降相關時間短，對信號相關峰和正交性影響減小，抗多路徑效果好。
圖 2 GPS和低軌衛星在12 min內划過的天空軌跡對比Fig. 2 Comparison of 12-min sky plots between GPS and LEO satellites圖選項
最後，低軌衛星軌道低，對重力場敏感度高，有利於反演更高階數的地球重力場模型。
3.2 低軌星座劣勢
由於衛星軌道低，單星地面覆蓋範圍小。圖 3顯示高度1100 km的「鴻雁」低軌星座單顆衛星覆蓋面積只有BDS GEO衛星的1/10，因此，在截止高度角10°的情況下，經計算至少需要54顆衛星才能保證全球單重以上覆蓋[50]，低緯度地區僅可見1顆衛星，若要滿足連續四重覆蓋的定位要求，則需要近200顆衛星，並且「鴻雁」衛星的天底距58°遠大於BDS GEO的9°，為保證覆蓋區的信號增益，應採用多波束天線[51]。接收機信號捕獲要求高，增加了接收機的負擔，捕獲過程中都卜勒搜索範圍更大，捕獲速度降低[52]。低軌衛星精密定軌與預報難度大。圖 4給出了不同高度軌道攝動力的加速度量級[53]。可以看出，低軌所受到的大氣阻力、地球非球形引力和廣義相對論作用均明顯高於中高軌，需要選用更精細的力模型參數和處理策略進行精密定軌才能達到釐米級的定軌精度[54]，預報軌道根數的擬合時長需要20 min甚至更短，擬合參數更多[55-56]；由於低軌道的空氣阻力大，衛星速度會逐漸降低，軌道高度也會降低，需要頻繁啟動進行軌道維持，但攜帶的燃料卻是有限的，低軌衛星壽命短。
圖 3 「鴻雁」星座增強北鬥三代Fig. 3 Sketch of the Hongyan constellation-augmented BDS-3圖選項
圖 4 軌道攝動隨高度的變化[53]Fig. 4 Orbital perturbations vary with altitude[53]圖選項
4 低軌導航增強帶來的機遇
與GPS、GLONASS、BDS、Galileo等中高軌導航衛星相比，低軌導航信號將給聯合定軌、快速精密定位、空間天氣監測、室內定位等方面帶來好處。
4.1 聯合定軌
傳統的GNSS衛星精密定軌是利用全球均勻分布的大量地面監測站，對導航衛星進行偽距和載波相位測量，再結合精確的軌道動力學模型和誤差改正模型進行數據處理，確定GNSS衛星的精密軌道。然而，我國BDS監測站建設受地緣因素影響較大，難以實現全球均勻布站[57]。搭載星載GNSS接收機的低軌衛星可以作為「星基監測站」，參與高中低軌衛星聯合定軌，能彌補地面站的不足，極大增強GNSS衛星跟蹤網的圖形強度，使軌道和力模型參數估計得更準確，實現區域監測站條件下的導航衛星精密定軌。
2004年，文獻[58]最早提出採用全球分布的40個地面站與3顆低軌衛星(CHAMP、GRACE- A/B)聯合定軌，GPS衛星軌道精度由傳統定軌方法的7 cm提高為聯合定軌的3.7 cm。文獻[59]在PANDA軟體基礎上，開展了類似的研究工作，採用全球分布的21個地面站與3顆低軌衛星聯合定軌，相比於僅使用43個地面站的常規定軌，GPS軌道精度提升40%。文獻[34, 57, 60]基於仿真研究表明，在區域監測站條件下，聯合定軌也能顯著改善BDS尤其是BDS GEO衛星的定軌精度。文獻[61]基於仿真分析，提出了適用於大型低軌星座與GNSS星座聯合定軌的最佳方案，即首先優選部分低軌衛星，綜合使用星載GNSS數據、低軌衛星和GNSS衛星導航數據聯合定軌，確定參與聯合定軌的衛星的精密軌道和鐘差，再使用常規方法確定剩下的低軌衛星軌道和鐘差，結果如圖 5和圖 6所示。該方案可以在保證計算效率的前提下，獲得理想的定軌和估鍾精度，空間信號測距誤差達到釐米級，能滿足實時精密定位服務的要求。可以預見，未來整個空間信息網路建成以後，如圖 7所示，各類星地鏈路、星間鏈路將會帶來更多的觀測數據和更強的幾何圖形條件，進一步提升聯合定軌的性能。
圖 5 BDS+GPS+LEO星座聯合定軌在切向、法向和經向分量上的軌道誤差[61]Fig. 5 Orbit errors in along, cross, and radial components for BDS+GPS+LEO combined precise orbit determination[61]圖選項
圖 6 BDS+GPS+LEO星座聯合定軌的估鍾誤差[61]Fig. 6 Clock errors for BDS+GPS+LEO combined POD[61]圖選項
圖 7 低軌導航和星間鏈路增強的高中低軌衛星聯合定軌Fig. 7 Combined POD for high, medium, and low Earth orbit satellites augmented with LEO navigation and inter-satellite link data圖選項
4.2 快速精密定位
模糊度參數的快速解算是實現快速精密定位的關鍵。1998年，文獻[16]首次提出利用全球星(Globalstar)輔助GPS整周模糊度解算，設計了Globalstar/GPS雙系統接收機，並採用蒙特卡羅模擬測試其性能。結果表明，低軌衛星幾何圖形的快速變化，有助於模糊度的快速解算，1 km和5 km的基線分別能夠在120 s和240 s內，實現釐米級的快速差分定位。文獻[62]基於仿真數據，從基線精度、模糊度精度與相關性、模糊度精度因子和固定成功率等方面，全面評估銥星增強短基線GPS RTK對模糊度解算效果的提升。文獻[49]採用類似方法，研究了銥星增強BDS的效果。文獻[63]仿真分析了不同衛星數量規模的低軌星座增強中長基線GPS RTK定位性能。結果表明，低軌衛星數量充足的情況下，長基線RTK模糊度首次固定時間平均由12 min縮短至2 min，固定成功率由76%提升至96%。
為了分析低軌導航增強星座對PPP的貢獻，2015年，文獻[64]最早仿真比較單GPS、GPS+GLONASS、GPS+LEO PPP的定位精度和收斂時間。結果表明，採用GPS+LEO和GPS+GLONASS組合PPP收斂時間分別縮短51.31%和3.93%，說明低軌衛星對PPP收斂速度提升貢獻更大。文獻[18—19, 65]基於更精細仿真的觀測值，評估不同低軌星座增強BDS或Multi-GNSS PPP浮點解收斂性能。結果表明，PPP收斂時間可由單系統的30 min顯著縮短至數分鐘甚至1 min以內，且收斂速度增強效果主要取決於可見低軌衛星數，如圖 8所示。通過加入包含60、96、192和288顆星的低軌星座增強Multi-GNSS PPP，中緯度NNOR站上分別可見2.4、3.1、6.3和9.5顆低軌衛星，收斂時間由12.5 min縮短至6.2 min、3.9 min、2.8 min和1.9 min[19]。在此基礎上，文獻[66]進一步探究了低軌星座增強Multi-GNSS PPP三頻固定解的性能。總體而言，在不依賴區域密集地面參考站增強的條件下，基於低軌全球導航星座增強GNSS，有望從根本上解決PPP初始化時間長的難題，真正發揮PPP技術的優越性[67]。
圖 8 不同衛星數量規模的低軌星座增強Multi-GNSS PPP[19]Fig. 8 Different satellite numbers of LEO constellation-augmented Multi-GNSS PPP[19]圖選項
4.3 空間天氣監測
高中低軌導航星座聯合，為大氣監測提供了新的技術手段。其優勢在於：更多的可用衛星，可以提取出數量更多的傾斜路徑延遲；短時間內能夠提供更多有效的觀測數據，有利於實現快速的大氣建模；單位時間內低軌衛星划過的軌跡長，高度角和方位角變化大，使得有效監測範圍擴大，如圖 9所示。初步模擬結果表明，LEO星群新的電離層觀測可為電離層建模提供極為豐富的觀測資料數據，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；有助於提取和監測對流層梯度、電離層梯度、電離層閃爍等快變參數；BDS GEO衛星具有獨特的靜地特性，有利於特定地區長時間的大氣監測[68]；不同高度衛星星座組合，有助於研究電離層的垂直分層結構；低軌星座星載GNSS數據，可用於提取等離子體層的電子含量[69]。
圖 9 Multi-GNSS與192顆星的低軌星座在1 h內產生的地基電離層穿刺點分布對比Fig. 9 Comparison of the distributions of 1 h ground-based ionospheric pierce points between the multi-GNSS and 192 satellites LEO constellation圖選項
4.4 室內定位
低軌衛星距離地球表面近，地面接收信號強度高，有利於改善信號受遮蔽環境下的定位性能。2016年，Satelles公司對某高層建築物STL室內服務性能進行了測試，選用獨立溫控晶體振蕩器(TCXO)作為接收機鍾，如圖 10和圖 11所示。結果表明，對於GPS，只有在最頂層(13樓)靠窗處才能接收到1—2顆衛星的信號，其餘層則接收不到信號；而對於銥星，其信號強度高，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35~55dB-Hz的載噪比，相當於GPS在野外開闊環境下的信號功率水平，STL室內定位精度為20 m、授時精度為亞μs級[70]。2018年，STL最新測試結果表明，若採用差分數據並選用精度更高的OCXO作為接收機鍾，室內授時精度可提升至160 ns(http://www.gpsworld.com/ satelles-shows-improved-pnt-accuracy-from-leo-con-stellation/)。在野外開闊地帶，STL定位精度不如GNSS高，但由於其採用專用的加密信號，抗幹擾、防欺騙能力更強，能夠增強GNSS的完好性[71-72]。
圖 10 銥星STL測試場景[70]Fig. 10 Test scenario of Iridium based STL[70]圖選項
圖 11 銥星STL室內試驗30 d的授時結果[70]Fig. 11 Iridium-based STL timekeeping results based on data froma 30 day indoor trial[70]圖選項
綜上，低軌導航增強採用了低軌道，增強信息播發時延小、傳輸數據量大；增強信號功率強，抗幹擾、防欺騙性能好，能夠增強室內等遮蔽區域服務性能；增強信號也能顯著加快精密定位模糊度收斂，為聯合定軌和空間天氣監測等提供更多的有效數據源。在覆蓋性方面，雖然低軌衛星單星覆蓋面小，但多顆衛星構成的星座，能夠將提供包括兩極地區在內的全球性信息和信號增強。低軌星座具有地面接收信號強、幾何圖形變化快的優勢，能夠與中高軌GNSS星座形成互補，有望實現對導航系統精度、完好性、連續性和可用性的全面增強。
5 低軌導航增強關鍵技術
低軌全球導航增強系統由空間段、地面段和用戶段3部分組成。空間段由數十至上百顆搭載導航增強有效載荷的低軌衛星構成，主要任務是向各類用戶播發導航信號、高中低軌導航衛星增強信息等，具備轉發星和導航星功能；地面段包括地面運控系統和地面監測站，共同完成在軌衛星的運行管理和控制；用戶段包括各類型用戶終端、模塊、晶片及配套設備。低軌導航增強從現在的概念階段到未來實際運行的業務系統，在空間段、地面段和用戶段均需要突破一系列的關鍵技術。
5.1 空間段
星座構型的設計與優化，是空間段建設必須解決的首要問題，直接決定了增強系統的成本、覆蓋性能、幾何圖形強度和服務能力，應當在儘可能節約成本的前提下，利用具有相似類型和功能的多顆低軌衛星，分布在相似或互補的軌道上，共享控制，協同完成導航增強任務。
低軌衛星數目眾多，容易產生多址幹擾，而且由於多頻GNSS普遍採用L波段，導致該頻段上信號日趨擁擠，信號幹擾問題日益嚴峻。因此，需要設計具有一定抗幹擾性能的新信號體制，開發新的導航頻段(如S頻段、C頻段)，研究適用低軌導航增強信號的擴頻碼優化、信號調製、捕獲跟蹤、信道編碼和多路復用等技術。
如何最大限度地發揮低軌星座自身優勢，實現導航與通信的融合也是關鍵。目前已經可以利用移動通信網絡來播發GNSS增強信息。可以認為，衛星導航與移動通信已經實現了部分融合。由於低軌導航增強今後主要將依託於網際網路星座進行推廣，未來一定會進一步加強導航和通信在信息層面甚至信號層面的深度融合，通過導航增強信號與移動通信信號的聯合設計，將導航信號的所有功率全部分配給導頻分量，有利於接收機的跟蹤、捕獲和測距，而電文數據則可以通過低軌網際網路通信來快速播發[73]。
在衛星有效載荷的配置方面，應依託低軌網際網路星座平臺，優選部分衛星實現一星多用，通過搭載不同有效載荷，同時開展導航增強、遙感、衛星重力、衛星測高、掩星探測、星基GNSS-R等科學研究。由於低軌區域的空間電離輻射較小，因而可以使用商用現成品(COTS)器件和晶片級原子鐘(CSAC)以降低成本。
近地空間環境碎片監測也是必須關注的問題。2009年2月10日，銥星33號曾與一顆俄羅斯報廢衛星相撞形成無數太空碎片[74]，因此，如何避免近地空間數以千計的衛星之間發生碰撞以及衛星與空間碎片間的碰撞極其關鍵，需要精確監測衛星周圍的環境，及時機動規避風險，同時依賴國際合作，共同遵守《外層空間條約》[75-76]。
5.2 地面段
地面運控部分同樣面臨著一些挑戰。由於低軌道衛星特殊的動力學特徵，在星曆和鐘差參數的擬合時長、更新頻度、參數個數等方面，與傳統的中高軌GNSS衛星均有所差異；低軌導航增強衛星還需要額外播發增強改正數和完好性信息，與基本導航數據相比，增強改正數有效時間短、時效性強，分為快變改正參數和慢變改正參數，必須分析增強信息的參數特性，擬合參數精度指標與播發時延的關係，得出各增強參數的實時性要求。低軌導航電文信息及其編排模式、快變和慢變電文參數等信息需要根據預留的信息位重新定義設計，主要取決於系統播發能力和參數播發的實時性需求兩者間的協調關係。
低軌衛星運行速度快、過境時間短、信息傳輸時間相應縮短、地面覆蓋小，在電文上注時需要更多的地面注入站或依靠星間鏈路通信進行電文信息傳遞。若採用星間通信，應與中高軌衛星共同構成混合星座，那麼低軌衛星與中高軌衛星間通信方式的最優選擇是有待論證和解決的問題。
地面段一項重要任務是建立與維持低軌導航增強星座的時空基準。GNSS與低軌增強數據的融合處理，需要在高精度、統一的時空框架下完成。對於時間系統，需要給出低軌導航增強系統時定義，並進行系統時間的建立與維持、系統內部時間同步、系統時間溯源及時差預報工作；對於坐標系統，需要給出低軌導航增強系統坐標系定義、實現、更新、維護，及其與其他坐標系轉換的方法。而時空基準的統一，離不開GNSS和低軌星座精密定軌估鍾。
為了獲取所有低軌衛星實時精密軌道，地面主控站可以採用多種定軌策略，包括區域監測站條件下GNSS與低軌星座聯合精密定軌及軌道預報、僅使用全球跟蹤站網而不依賴於GNSS的低軌星座定軌、星間鏈路定軌等，由於衛星數量多、計算量大，單站觀測弧段短，且在局部區域存在衛星出入境不穩定、不連續的情況，因此，需要分析論證不同觀測弧長對定軌精度的影響，同時開發高效率的分布式、並行處理算法。定軌和軌道預報中最難模型化的是太陽光壓模型，該模型主要受衛星平臺和衛星姿態等因素的影響，需要針對不同型號低軌衛星求取相應的光壓反射係數，研究以太陽光壓反射係數為主的動力學模型參數變化特性，建立與衛星姿態及太陽位置相關的高精度數學模型，提升精密定軌和中長期預報精度。
在星地時間維持和同步方面，由於高性能星載原子鐘的功耗、尺寸、重量和成本等因素的影響，導致其不適用於低軌衛星低成本需求，一般使用CASC或OCXO作為替代進行時間維持，為了保證其高精度和時頻穩定性，需要實時或近實時解算低軌衛星鐘差，採用鐘差馴服的方式維持低軌衛星時間基準，對低軌衛星上載荷的計算能力提出了挑戰；或者部分衛星搭載高性能原子鐘，其餘衛星通過星間、星地通信實現時間同步。
地面控制部分還要負責低軌導航增強星座管理和衛星控制工作。具體包括：制定長期和中期的任務計劃，確保信號的全球覆蓋和連續性；衛星總體星座的維持；按計劃補充足夠的衛星；處理意外事件和失效衛星，將它們對服務的影響降到最小；監視和控制每顆衛星各方面的狀態，保證衛星和有效荷載的正常運行以及在意外事件發生時對一些突發性事件處理；計劃並執行軌道調度、平臺維持等；支持在軌軟體維護[77]。
5.3 用戶段
低軌導航增強對地面用戶軟硬體設備和數據處理方式提出了新的要求。
在低軌衛星高動態條件下，接收機信號捕獲更加困難，都卜勒搜索範圍更大，捕獲速度降低。短時間內站星連線方向的距離變化大，使得接收信號強度變化大，導致偽距噪聲變化不均勻，影響碼觀測值精度，接收機射頻前端也要改變，同時，站星連線方向加速度也會變化更大，引起載波頻率和碼相位的大幅變化，容易產生信號失鎖，更大的都卜勒預測不確定性和更短的相干積分時間要求，給信號的高精度穩定跟蹤帶來挑戰[78]。低軌衛星數量多，且觀測弧段短、衛星切換頻繁，需要提升接收機的通道數量、存儲容量、微處理器計算能力等，優化天線單元和接收單元。針對低軌導航可能採用S或C頻段增強信號，需要設計L+S或L+C一體化天線，相應的射頻、模數轉換、基帶信號處理、捕獲、跟蹤、解調等方式均需要做出調整。
在數據處理方面，應設計開發更加嚴苛的質量控制算法，以診斷衛星軌道和衛星鐘差產品的異常等。信號失鎖和頻繁的衛星切換可能會產生更多的周跳，而低軌衛星運行速度快，曆元間電離層變化大，傳統周跳探測算法如電離層殘差法將不再適用，需要研究更有效的算法。高中低軌衛星融合定位數學模型需要進一步精化，因為新的導航增強信號將引入更多與系統、軌道類型、碼類型和頻率等有關的偏差項，需要對各類偏差的時域和空域特性進行仔細分析和建模，在後續的數據處理中予以改正或估計。此外，多源異構星座觀測值的合理定權，也是需要關注的問題。
6 結論與展望
總之，低軌星座具有地面接收信號強度高、幾何圖形變化快等優勢，能夠在全球範圍內對GNSS形成信息增強和信號增強，全面提升衛星導航系統的精度、完好性、連續性和可用性，為高中低聯合精密定軌、快速精密定位、空間天氣監測和室內定位等實際應用和科學研究帶來新的發展機遇，有望解決當前增強系統在全球覆蓋、低落地功率和廣域精密定位初始化時間長、可靠性偏低等方面的問題，服務於未來以電網、銀行、證券、軍事等高價值安全用戶，以及以自動駕駛、無人機為代表的實時精密定位用戶。隨著5G/6G技術的發展，空、天、地、海泛在移動通信網絡的建立，智慧型手機等移動終端處理能力的提升，低軌導航增強最終有望走進千家萬戶，實現大眾應用。低軌導航增強也將是我國綜合PNT體系的重要組成部分。當然，也如前文所述，低軌導航增強在空間段、地面段和用戶段也還存在許多關鍵技術有待突破和研究。
為了滿足智能時代人們對於精準時空信息的需求，在星基與地基增強一體化[3]、「通導」或「通導遙」一體化的基礎上[79]，突破衛星導航與慣性、雷射雷達、視覺等多源傳感器的自適應融合導航的關鍵性技術[4, 5]，也是導航領域的發展方向。
【引文格式】張小紅, 馬福建. 低軌導航增強GNSS發展綜述. 測繪學報，2019，48(9)：1073-1087. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20190176權威 | 專業 | 學術 | 前沿
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