摘要：為促進低軌星座納入國家綜合定位導航授時(PNT)體系，基于近年來國內外低軌通信星座的建設發展態勢與提供PNT服務的相關研究，探尋將低軌星座納入國家綜合PNT體系的可行性。低軌星座在信號強度、對地運動速度、魯棒性等方面的優勢，有助于解決傳統天基信息源(如全球衛星導航系統(GNSS))的脆弱性，使得其越來越受到導航領域的青睞。相關研究表明，低軌星座可以輔助增強GNSS的導航性能，也能獨立提供性能可觀的PNT服務。基于以上分析，提出了國家綜合PNT體系下低軌星座的系統組成與服務架構，對關鍵技術問題進行分析并提出了解決方案。

　　關鍵詞：國家綜合定位導航授時體系;低軌通信星座;服務架構;天基信息源;通導一體化

　　引言

　　綜合定位導航授時(positioning,navigationandtiming,PNT)體系是國家空間信息基礎設施的基石，為工業互聯網、金融、通信、電力等國民經濟建設提供統一、準確、可靠的空間和時間框架。綜合PNT[1]包括三個重要組成部分：①基于不同物理原理的多種信息源及相應的傳感器系統;②云平臺控制的多源信息融合處理系統;③為全天時、全人類活動空間，提供穩健、連續、可靠的PNT信息的服務系統。構建完整的國家PNT體系是困難的：

　　首先，不同活動場景、不同用戶對時間和空間位置信息的精度和可靠性需求不同，如民航飛機精密進近需要極高的可靠性;大地測量、地學研究等科學研究對空間位置的準確性有很高的要求。其次，在信號拒止環境下，提供連續動態的PNT服務十分困難。再者，多源信息融合處理需要考慮不同來源的數據質量、數據處理模型的穩健性以及數據處理云平臺調度等問題。

　　通信工程評職知識：寫移動通信技術論文投稿期刊

　　2020年提供全球服務的北斗衛星導航系統(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)是我國綜合PNT體系建設的核心，在國民經濟建設中發揮巨大作用。但BDS與美國的全球定位系統(globalpositioningsystem,GPS)、歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileonavigationsatellitesystem,Galileo)、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)等一樣，天然具有落地信號弱、穿透能力差、易被干擾等弱點。這些弱點使得BDS在信號拒止環境下，難以滿足用戶對PNT服務的需求。在彌補BDS脆弱性方面，已有許多專家學者做了大量的研究工作，并提出了卓有成效的方案，作為綜合PNT體系的補充。在增強BDS方面，涌現出了星基增強和地基增強等技術，來提高精度和完好性等[2-5]。

　　在多系統導航(BDS聯合GPS、Galileo等)方面[6-10]，改善系統間偏差、快速選星等算法后，定位精度和穩定性都優于單一系統。在組合導航方面，國內外學者致力于提出滿足復雜環境下精度和可靠性需求的改進濾波算法，如集中式容錯卡爾曼濾波[11]、長短期記憶網絡輔助的擴展卡爾曼濾波[12]等。在其他信息源導航方面，涌現出了機會信號導航、慣性導航系統(inertialnavigationsystem,INS)、匹配導航、類腦導航、水下聲納信標導航等技術[13-14]，為水下、地下、室內等場景提供PNT服務。近年來，基于激光雷達、相機、慣性測量單元等多傳感器融合的同時定位與建圖(simultaneouslocalizationandmapping,SLAM)技術得到迅速發展，廣泛應用在三維重建、室內導航、無人駕駛等領域[15-18]。

　　以長基線、短基線和全球衛星導航系統(globalnavigationsatellitesystem，GNSS)智能浮標系統為代表的水下聲學定位技術，提供了基本的水下位置服務[19-20]。導航技術的蓬勃發展，為綜合PNT體系提供了更豐富的信息源和傳感器，但與成熟的衛星導航相比，以上技術多處于發展階段，成本較高，難以實現連續穩定可靠的全球覆蓋。

　　綜合PNT體系的核心仍然是覆蓋行業最廣、用戶數量最多、綜合技術指標最優的衛星導航技術。因此，充分發揮衛星導航技術的優勢，有效解決信號脆弱性等問題，對建設PNT體系十分重要。較GNSS和INS，運行軌道高度為120~2000km的低軌衛星(lowEarthorbit，LEO)有綜合優勢，有助于解決GNSS信號脆弱性、實時高精度定位收斂慢等問題。

　　LEO相對中高軌衛星有研制周期短、發射成本低、通信時延短等優勢，有望提供低成本、覆蓋全球、近實時的互聯網服務。近年來，商業低軌通信系統得到了蓬勃發展。世界各國都已經或者正在建設自己的低軌通信星座，如美國的銥星二代(IridiumNEXT)、太空探索公司(SpaceX)的星鏈(Starlink)等;國內低軌通信星座建設起步較晚，但在技術積累和資金投入方面具有明顯優勢，目前多個規劃中的低軌星座已完成試驗星驗證工作，如航天科技的鴻雁、航天科工的虹云等。

　　此外，LEO軌道高度低，信號波束集中，在同等衛星發射等效全向輻射功率(equivalentisotropic radiatedpower，EIRP)的情況下，比GNSS信號受到的自由損耗低，信號落地功率能提升30dB以上[21-23]，在彌補BDS信號脆弱性上有天然優勢，有望在室內、城市峽谷和茂密森林等信號拒止環境下，提供PNT服務。如能將商業低軌通信星座拓展為集通信、定位、授時于一體的系統，作為國家PNT體系的一部分，將大幅度提高商業低軌星座的效費比和PNT體系的服務能力與魯棒性，帶來顯著的經濟與社會效益。

　　因此，有必要對商業低軌通信星座納入綜合PNT體系的可行性進行分析。本文著眼于當前商業低軌通信星座的建設情況，從輔助增強GNSS和獨立提供PNT服務兩方面，對低軌星座提供PNT服務情況進行分析研究，進而提出了低軌星座納入綜合PNT體系的服務架構，對關鍵技術問題進行分析并提出解決方案。

　　1國內外低軌星座建設情況

　　與中高軌道相比，LEO離地面更近，傳播時延小，能夠滿足某些業務對通信實時性的高要求;信號傳輸損耗小，便于實現用戶終端小型化，例如日前發布的Starlink地面終端，在直徑約48cm的圓盤上，集成了時鐘、基帶、射頻等電路，以及超過1300個單元組成的有源相控陣天線。在衛星制造和發射上，LEO體積小、重量輕、研制周期短，可一箭多星發射，例如SpaceX用“獵鷹9號”實現“一箭60星”的發射任務;成本較低，為大規模低軌星座的構建提供技術支撐。自1987年摩托羅拉提出“銥星(Iridium)”系統后，國內外低軌通信星座快速發展。

　　按照市場定位、發展程度等可以將其劃分為三個階段[24]：1)1987年至2000年，以Iridium、全球星(Globalstar)、軌道通信(Orbcomm)、泰利迪斯(Teledesic)等星座為代表的第一階段，力圖設計一套完全替代當時并不發達的地面通信的系統，面向個人消費者提供獨立的衛星電話和全球通信服務，但隨著地面電信運營商的迅速發展，多以服務和終端價格高昂、用戶少而失敗;2)2000年至2014年，以IridiumNEXT為代表的第二階段，市場定位為服務地面通信未覆蓋到的地區，以及海事、航空等極端條件下的移動通信服務;3)2014年至今，以一網(OneWeb)、Starlink、柯伊柏(Kuiper)為代表的第三階段，業務轉向寬帶互聯網接入服務，計劃部署上萬顆衛星向全球用戶提供真正無縫覆蓋的衛星通信網絡，部分還提供位置、遙感等服務。

　　IridiumNEXT除提供更大容量、更高業務速率的通信服務外，兼有多光譜對地成像、空間氣象監視、導航增強等功能[31]。受新冠肺炎影響，2020年OneWeb在美申請破產。英國政府為應對脫歐后Galileo的使用限制，于2020年7月聯合印度電信運營商收購了OneWeb，有意將其改造為兼有導航功能的系統。2021年4月，SpaceX用多次回收的“獵鷹9號”火箭，成功發射了新一批衛星，將Starlink在軌衛星總數提高到1378顆;此外，Starlink下一代系統已獲準發射3萬顆衛星，實現對地全覆蓋。

　　與地面第五代移動通信技術(5thgenerationmobilecommunicationtechnology,5G)網絡相比，低軌衛星通信將憑借優質的通信服務(大容量、高速率、低延時)、低廉的通信費用(更低的電量消耗)、全球無縫覆蓋的能力應用到各行各業，促進物聯網、人工智能等技術的發展。此外，低軌星座還將提供導航增強、航空航海監視、空間氣象監視等更加豐富的業務，提高其效費比與服務能力。

　　2低軌星座納入國家綜合PNT體系的服務架構

　　鑒于低軌星座在信號強度、傳輸時延、覆蓋區域、魯棒性等方面的優勢，有望將其作為天基信息源納入國家綜合PNT體系。首先梳理和分析國內外低軌星座提供PNT的研究現狀;繼而提出通導一體化的低軌系統框架;最后基于對PNT體系的內涵與框架的分析，提出綜合PNT體系下的低軌星座的服務架構。

　　2.1低軌星座提供PNT服務情況

　　按照低軌星座提供PNT服務的模式，可以將國內外的相關研究分為兩種：①通過聯合定軌、縮短精密定位收斂時間、信息增強等途徑，輔助提高GNSS的導航性能;②播發導航測距信號，在信號拒止環境下，提供基本導航服務，實現導航備份。

　　2.1.1輔助增強GNSS性能

　　近年來，國內外學者[33-39]分析了聯合定軌對GPS/BDS軌道精度的提升效果。研究表明，聯合LEO星載接收機、地面監測站、星間鏈路等多源觀測信息進行定軌，可以提供較好的幾何觀測結構，降低對地面站的依賴;BDS地球靜止軌道衛星定軌精度由分米級提升到厘米級，傾斜地球同步軌道衛星的定軌精度由厘米至分米級提升到厘米級至毫米級。

　　但研究中LEO觀測數據多基于仿真，部分結果可能比較理想，需要實測數據來測定實際的改善情況;即使有部分利用LEO實測數據的研究，卻存在實測衛星數目少(7顆左右)、分布不均勻等問題;軌道面類型、衛星數量、軌道高度等因素對定軌提升效果的結論不夠充分。低軌衛星的軌道多樣性減弱了定位過程中歷元間觀測方程的相關性，有助于解決載波相位模糊度參數收斂和固定慢的問題。

　　1998年，文獻[40]指出，Globalstar信號有利于GPS短基線差分定位的快速模糊度固定。2015年，文獻[41]指出，融合低軌仿真觀測值比僅使用GPS收斂時間縮短了51.31%。文獻[42]仿真分析了不同衛星數目、軌道高度、軌道類型的低軌星座對精密單點定位(precisepointpositioning,PPP)收斂速度的提升效果，指出在288顆LEO衛星增強下，GNSSPPP收斂時間能從9.6min縮短到1.3min，同時水平定位精度優于10cm。

　　在信息增強方面，通過低軌星座的通信鏈路近實時地播發精密軌道、精密鐘差、完好性等導航增強信息，有助于改善GNSS信號的脆弱性，提高導航性能。2009年，美國波音公司和斯坦福大學等機構提出了利用IridiumNEXT通信信道播發導航增強信息的GPS高完好性參數[43-45]，利用銥星幾何變化快的特點輔助模糊度的快速固定，利用信號冗余性增強接收機的自主完好性監測性能。

　　文獻[43]仿真分析了鴻雁星座播發增強信息對導航性能的提升效果，將PPP首次收斂時間從30min縮短到5min以內，同時精度可達動態分米級、靜態厘米級。該類服務模式在不改造或少改動衛星載荷的情況下，實現了對GNSS導航性能的增強，較易實現，但不能脫離GNSS單獨工作，即在GNSS信號拒止環境下無法提供PNT服務。

　　2.1.2獨立提供PNT服務

　　除增強GNSS外，低軌衛星可以自己產生導航測距信號，獨立提供導航服務和備份。20世紀美國提出的海軍衛星導航系統(U.S.navynavigationsatellitesystem,NNSS)，亦稱為子午儀(Transit)低軌衛星定位系統，通過對一段時間內衛星信號的多普勒頻偏曲線進行擬合解算本地位置，一顆星即可實現定位，單頻定位誤差200~300m，雙頻消電離層后約為50m，授時精度約50ms。

　　但定位時間較長，單歷元定位一般需要10~16min的完整觀測，用戶需要等待30~100min才能觀測到第二次衛星入境，難以滿足實時、高動態的要求，該系統運行32a后于1996年被GPS替代。法國于20世紀80年代中期建設的地基多普勒無線電定軌定位系統(Dopplerorbitographyandradiopositioningintegratedbysatellite,DORIS)[46]，基于單向雙頻多普勒測速，提供低軌衛星軌道和地面信標位置的精密確定，測速精度為0.3~0.5mm/s，實時軌道精度為厘米級。

　　IridiumNEXT在其衛星通信體制內，改造部分時頻資源，產生了一個安全定位授時信號(satellitetimeandlocation，STL)，2016年開始在GNSS信號拒止環境下，獨立提供次級精度的PNT服務(50m定位精度，相比協調世界時(coordinateduniversaltime,UTC)授時精度達200ns[47])。2018年，運營STL服務的Satelles公司測試了STL在高層建筑物室內的性能[21]，指出在最頂層(13樓)靠窗位置只能接收到1~2顆GPS衛星信號，而在大廈第二層仍能接收到與GPS在開闊環境下相當的信號功率。

　　此外，STL系統采用專門的加密信號增強其抗欺騙能力，可由低成本、低功耗的集成導航芯片接收處理，已被美國國防部納入國家戰略PNT體系中，在GPS受到影響和干擾的情況下提供備份導航。文獻[23,4849]從星座、信號、誤差建模、星歷設計等角度，研究低軌通信星座如何用于導航，重點討論了衛星導航有效載荷和接收機的設計問題。

　　2.2通導一體化低軌星座的系統組成

　　國內外相關研究揭示了低軌星座提供PNT服務的潛能，具體表現為：在解決信號的脆弱性方面，低軌衛星固有的傳播路徑短、信號損耗小、受高空電磁環境影響小等特點，有助于解決信號落地功率低的問題;衛星數量多，系統受單星故障的影響小，有效提高系統的抗干擾、抗摧毀能力;相對地面運動速度快、幾何圖形變化快的特點，有利于實現快速精密定位，以及利用多普勒觀測信息定位;高速大容量的通信鏈路可以為衛星間、用戶與衛星間、地面與衛星間的近實時數據傳輸提供通道，為差分改正信息的廣播、實時精密星歷的生成與播發等提供網絡支撐;充分利用頻譜和功率資源設計通導一體信號，在不降低通信性能的基礎上，提供高精度的導航服務。結合低軌通信星座和導航衛星的系統設計。

　　兼具通信和導航功能的低軌星座系統由空間段、地面段和用戶段三部分組成。空間段由分布在不同軌道面上的多顆LEO衛星組成，部分星座有星間鏈路、星上處理和交換功能。衛星主要功能有通信、保持標稱位置和姿態、搭載BDS接收機實現軌道和鐘差的確定等。地面段一般包括衛星測控中心及相應的衛星測控網，系統控制中心，數據處理中心，注入站、監測站、信關站等若干地面站。

　　系統控制中心主要負責管理地面測控網，分配信道資源，監視衛星在軌工作情況，規避空間碰撞等。數據處理中心主要負責處理大規模星座的傳輸數據與地面測控網的觀測數據，以及與用戶段的交互信息。信關站負責把衛星網和地面公網連接起來，從而使得用戶終端可以通過一顆或幾顆衛星和信關站實現全球通信。用戶段由手持機、車/船/機載站、移動便攜站、固定站等各種用戶終端組成，向用戶提供話音、數據、短信息和定位等業務。

　　3低軌星座納入國家綜合

　　PNT體系需要解決的關鍵問題低軌星座納入國家綜合PNT體系首先需要統一的時間空間基準，而我國綜合PNT體系的核心是BDS。因此，低軌星座納入綜合PNT體系首先要解決的問題是，如何獲得與BDS保持一致的時空基準，這涉及大規模低軌星座的軌道和鐘差確定。其次，商業低軌通信星座的軌道高度和頻率是專門為通信設計的，將其用于導航需要在衛星端和用戶端將通信和導航進行一體化設計。此外，還面臨著多傳感器集成、多源數據融合處理、數據傳輸和訪問安全等方面的技術挑戰。

　　3.1大規模低軌星座的軌道和鐘差確定

　　低軌系統的地面運控系統需要調度衛星避免與空間碎片發生碰撞，管理星間鏈路，處理大量的數據信息，調控通信與導航服務等，更為重要的是保持與BDS一致的時空基準。這涉及通過地面信關站、錨固站、數據處理中心等進行大規模低軌星座的軌道和鐘差確定。為保證時空基準的統一和降低運營成本，軌道和鐘差宜利用BDS來確定，因此每顆低軌衛星均需配備BDS接收機。根據低軌星座的特點，本文分別討論低軌衛星集中式和分布式軌道和鐘差確定方案。

　　地面集中式定軌方案需要在地面設置若干錨固站和數據處理中心，并將觀測數據通過通信鏈路傳輸到數據處理中心。數據處理中心利用BDS觀測數據和地面錨固站的跟蹤數據，聯合確定低軌衛星的軌道及其搭載的BDS接收機的鐘差，并對軌道和鐘差進行預報，生成相應的廣播星歷上注到低軌衛星。該方案充分利用低軌衛星之間、地面與低軌衛星之間的高速通信鏈路進行數據傳輸;集中處理可以兼顧各低軌衛星間的相關性;整網解算能維持整個星座的構型，使得各個低軌衛星的軌道和鐘差具有較好的一致性。

　　但是，大規模低軌星座的軌道和鐘差解算任務會給數據處理中心帶來巨大的計算和存儲壓力;而且集中處理魯棒性不高，一旦數據處理中心出現錯誤，會影響整個星座的服務能力。該方案魯棒性好，將計算壓力分散到每顆衛星，每顆衛星只負責解算自身的軌道和鐘差，解算完成后再對自身的軌道和鐘差進行預報，并編制和播發廣播星歷，避免了地面站頻繁上注廣播星歷對通信鏈路的壓力。

　　BDS精密軌道和鐘差信息可從已建設完成的BDS地基增強或星基增強系統獲取，并通過地面信關站和星間鏈路傳輸到每顆低軌衛星。該過程中，BDS精密軌道和鐘差信息實際上已經蘊含了BDS的時空基準。該方案需要每顆低軌衛星配備高精度雙頻BDS接收機、接收BDS精密軌道和鐘差信息、采用高精度的低軌衛星軌道力模型(包括大氣阻力、太陽輻射光壓、熱輻射光壓等)。

　　雙頻BDS接收機可實現每秒解算一次衛星的軌道和鐘差，通過高頻率的解算大幅度減少預報時長，降低對原子鐘性能的依賴。BDS精密軌道的精度可達2~3cm[50]，精密鐘差約為0.1ns[51]，預計星上分布式方案可實現5cm的低軌衛星定軌精度。與集中式相比，星上分布式定軌方案成本低、具有較好的魯棒性和靈活性，可作為大規模低軌星座軌道和鐘差確定的首選方案。

　　3.2通導一體化衛星信號設計

　　低軌通信星座建成后，便可以利用星地通信鏈路向地面用戶近實時地播發差分改正信息和完好性信息，實現對GNSS的信息增強。但在接收不到GNSS信號的情況下，只能通過播發測距信號提供基本導航服務。一種方式是除通信信號外，低軌衛星產生并播發單獨的導航信號。

　　為了不干擾現有導航系統的正常使用，信號的頻段要與傳統的L波段區分開;且需要改造信號的產生/接收電路、天線等。另一種方式是對通信與導航信號進行一體化設計，在不新增時頻資源需求的基礎上，將導航信號融入通信信號中進行播發。已有學者從信號融合的層面上提出了四種通導一體化信號結構[52]，分別是正交化調制、分段調制、在通信信號的導頻幀中插入導航消息和碼分多址。此外，在設計信號時，必須考慮與其他信號的兼容互操作，確保不會干擾其他導航技術的正常使用，便于接收機端對多種數據進行融合處理。

　　3.3用戶終端和算法設計

　　用戶終端和算法的設計是低軌星座提供PNT服務的重要一環，在不替換或少改動現有設備的基礎上，用同一個終端實現對中高軌道和低軌衛星的接入，尤其是高動態低軌信號的捕獲與跟蹤;實現多傳感器的集成、多源觀測數據的融合處理;同時滿足低成本、低功耗、兼容多系統等需求。低軌衛星的高動態運動特性導致了更為明顯的多普勒效應，使得接收機需要擴大多普勒搜索范圍;且地面接收機在相同時間段內觀測到的衛星數量更多，增加了信號跟蹤捕獲難度。

　　因此，急需通過改進的鎖相環等算法，解決高動態低軌信號的快速捕獲與跟蹤問題。由于低軌衛星可觀測弧段短，如何在更短時間內收集定位所需的衛星星歷，也是終端需要解決的問題。低軌衛星定位解算時，其較低的軌道高度使得初始位置坐標需要滿足一定的精度，否則定位易出現收斂不穩定現象。

　　4結束語

　　低軌星座在信號強度、運動特性、魯棒性等方面的優勢，有助于解決傳統GNSS信號的脆弱性，提供PNT服務。本文首先介紹了國內外商業低軌通信星座的建設發展態勢，梳理了低軌星座輔助增強GNSS和獨立提供PNT服務的相關情況。

　　繼而綜合考慮時空基準統一、多源信息融合、傳感器集成、核心技術突破、綜合性服務等，提出了國家綜合PNT體系下低軌星座的系統組成與服務架構，并指出低軌星座納入綜合PNT體系的三種主要方式，分別是輔助增強GNSS、獨立提供導航(備份)服務、聯合其他技術實現組合導航。

　　最后對涉及的關鍵技術問題進行分析并提出解決方案，包括大規模低軌星座的軌道和鐘差確定、通導一體化信號設計、數據傳輸和訪問安全等。后續工作將圍繞不同低軌星座提供導航服務的性能、多源數據融合處理算法等開展研究。低軌星座納入國家綜合PNT體系，不僅能提高低軌星座的效費比和綜合PNT體系的服務能力，還能帶動其他產業的發展。

　　高中低軌衛星互補形成豐富的天基信號源，與其他信號源一起促進泛源導航的發展;多種定位導航技術的融合與協同，催生出高能效的數據融合處理算法和高度集成的一體化終端設計;通導一體化的不斷加深，促進物聯網、自動駕駛等產業的發展;豐富的低軌觀測信息，可用于大氣監測、地球重力場建模等，推動“通導遙”一體化系統的建成。

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　　作者：張雨露1,2，范磊2，劉江梅3，李楨2