蒙艷松 邊朗 王瑛 嚴(yán)濤 雷文英 何穆 李星星

（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院；2 中國(guó)長(zhǎng)城工業(yè)集團(tuán)有限公司；3 武漢大學(xué))

近年來(lái)，低軌通信星座系統(tǒng)及其應(yīng)用成為國(guó)內(nèi)外航天企業(yè)乃至資本大佬競(jìng)相發(fā)展的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)之一，為提高效費(fèi)比，綜合化衛(wèi)星系統(tǒng)成為低軌通信星座的重要發(fā)展趨勢(shì)。目前，美國(guó)已經(jīng)在“下一代銥星”系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航增強(qiáng)功能，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司近年發(fā)展的“鴻雁”星座也將融合導(dǎo)航增強(qiáng)功能。與“銥”衛(wèi)星不同，“鴻雁”星座面向解決我國(guó)難以全球建站及現(xiàn)有多種增強(qiáng)系統(tǒng)的痛點(diǎn)，提出了天基全球監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)高精度和安全定位授時(shí)等發(fā)展方向，既向北斗提供全球監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)，又向廣大個(gè)人用戶提供安全、實(shí)時(shí)高精度的PNT服務(wù)。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)與星基增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS）、地基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）等傳統(tǒng)的導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，具有劃時(shí)代的意義，將推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)邁向一個(gè)嶄新的時(shí)代。

1 引言

過(guò)去20年，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)蓬勃發(fā)展和應(yīng)用的20年，截至目前，國(guó)際上已有GPS、GLONASS、GALILEO和北斗四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），及IRNSS和QZSS兩大區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。GNSS可向全球用戶提供全天候、連續(xù)不間斷的導(dǎo)航服務(wù)，在交通、農(nóng)業(yè)、電力以及軍事等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事國(guó)防建設(shè)作出了巨大的貢獻(xiàn)。

全球?qū)Ш较到y(tǒng)和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)概覽

雖然衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軍民應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了巨大的成功，但是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身只提供基本導(dǎo)航服務(wù)。隨著用戶需求的不斷發(fā)展和復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用拓展，衛(wèi)星導(dǎo)航同時(shí)也面臨著巨大挑戰(zhàn)。

飛機(jī)精密進(jìn)近

高精度測(cè)繪

智能交通（自動(dòng)駕駛）

由此可見(jiàn)，GNSS系統(tǒng)本身提供的基本導(dǎo)航服務(wù)已經(jīng)不能滿足大多數(shù)行業(yè)用戶的需求，因此，隨著用戶需求的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，地基增強(qiáng)系統(tǒng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，高性能導(dǎo)航服務(wù)逐漸在高端行業(yè)中應(yīng)用。近年來(lái)，隨著低軌通信星座的興起，基于低軌通信星座的全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)?！傍櫻恪毕到y(tǒng)是中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司推出的一個(gè)低軌移動(dòng)通信及寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座，共300多顆星，計(jì)劃在2023年建成由60顆左右衛(wèi)星構(gòu)成的窄帶系統(tǒng)，在2025年建成由約270顆星構(gòu)成的寬帶系統(tǒng)，具有全天候、全時(shí)段及在復(fù)雜地形條件下的實(shí)時(shí)雙向通信能力，可為用戶提供全球?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務(wù)，2018年底發(fā)射首發(fā)星?！傍櫻恪毙亲鶎⑷诤蠈?dǎo)航增強(qiáng)功能，期望通過(guò)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)，使得高性能導(dǎo)航服務(wù)從行業(yè)用戶進(jìn)入大眾市場(chǎng)。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

GNSS利用用戶接收機(jī)接收位置精確已知的4顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)，構(gòu)成4個(gè)方程，對(duì)其進(jìn)行解算得出位置三維坐標(biāo)及接收機(jī)鐘差4個(gè)未知數(shù)，實(shí)現(xiàn)定位及授時(shí)的功能。影響GNSS精度的因素主要有：與GNSS衛(wèi)星有關(guān)的因素，包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差；與傳播途徑有關(guān)的因素，包括電離層延遲、對(duì)流層延遲和多徑效應(yīng)；與接收機(jī)有關(guān)的因素，包括接收機(jī)天線相位中心偏差，接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差；其他因素包括Sagnac效應(yīng)和相對(duì)論效應(yīng)等，同時(shí)衛(wèi)星的可見(jiàn)數(shù)也嚴(yán)重影響系統(tǒng)的定位功能。正是這些誤差因素導(dǎo)致GNSS系統(tǒng)自身提供的服務(wù)能力有限，當(dāng)前有多種技術(shù)手段可以對(duì)GNSS服務(wù)性能進(jìn)行增強(qiáng)，按空間劃分可分為星基增強(qiáng)系統(tǒng)和地基增強(qiáng)系統(tǒng)兩類。

星基增強(qiáng)系統(tǒng)

目前美國(guó)、歐盟、俄羅斯及中國(guó)等國(guó)均建設(shè)了覆蓋本國(guó)及周邊地區(qū)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，采用廣域差分與完好性增強(qiáng)體制，對(duì)導(dǎo)航精度、完好性等服務(wù)性能進(jìn)行增強(qiáng)。星基增強(qiáng)系統(tǒng)主要包括美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、歐洲地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)（EGNOS）、俄羅斯差分校正和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)站（SDCM）、北斗區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)等，工作原理相似。以WAAS系統(tǒng)為例，它的主要原理是利用地球同步衛(wèi)星構(gòu)成數(shù)據(jù)通信鏈路，系統(tǒng)將星歷誤差、大氣延時(shí)誤差、衛(wèi)星鐘差誤差進(jìn)行分離并分別進(jìn)行模型化，主控站利用參考站的位置信息和接收到的GNSS信號(hào)計(jì)算出差分改正，并將改正信息經(jīng)上行注入站傳送給GEO衛(wèi)星，地球同步衛(wèi)星將信息傳送給地球上的用戶，用戶通過(guò)改正信息精確計(jì)算自己的位置，在覆蓋范圍內(nèi)提高用戶的定位精度，實(shí)現(xiàn)米級(jí)的定位精度，Ⅰ類精密進(jìn)近（CATⅠ）完好性服務(wù)能力。目前，廣域差分與完好性增強(qiáng)體制的SBAS系統(tǒng)主要由政府職能部門主導(dǎo)投資建設(shè)，采用兼容互操作的途徑實(shí)現(xiàn)國(guó)際合作，其標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)主導(dǎo)，通過(guò)國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)全球有縫覆蓋，主要服務(wù)于民航等生命安全領(lǐng)域，近年拓展到海事、鐵路、公路、智能交通等領(lǐng)域，重點(diǎn)在完好性增強(qiáng)。

全球星基增強(qiáng)系統(tǒng)分布

StarFire系統(tǒng)覆蓋區(qū)域

此外，目前很多商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)基于精密單點(diǎn)定位（PPP）、PPP-RTK技術(shù)，直接對(duì)GNSS定位中的各類誤差源進(jìn)行建模估計(jì)（SSR），主要包括軌道點(diǎn)、地衛(wèi)星鐘差、大氣延遲等，從而實(shí)現(xiàn)廣域精密定位，基于載波相位定位精度可達(dá)到分米至厘米級(jí)，收斂時(shí)間20min以上。該類系統(tǒng)目前主要由商業(yè)運(yùn)營(yíng)公司運(yùn)營(yíng)，主要的運(yùn)營(yíng)模式是通過(guò)租用“國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星”（Inmarsat）轉(zhuǎn)發(fā)器資源，單向播發(fā)改正數(shù)，重點(diǎn)在于精度增強(qiáng)，服務(wù)于精細(xì)農(nóng)業(yè)、工程測(cè)量、海洋測(cè)繪等高精度行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，代表性的系統(tǒng)包括美國(guó)天寶公司（Trimble）的RTX服務(wù)系統(tǒng)、美國(guó)NAVCOM公司的StarFire系統(tǒng)等。

地基增強(qiáng)系統(tǒng)

地基增強(qiáng)系統(tǒng)是指參考站位于地面的對(duì)于GNSS進(jìn)行性能增強(qiáng)的運(yùn)行系統(tǒng)，主要包括局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS）和連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS），這兩個(gè)系統(tǒng)相互之間具有一定的相似性，結(jié)構(gòu)都包含參考站、數(shù)據(jù)通信鏈路和用戶，但也有不同。LAAS系統(tǒng)布設(shè)在機(jī)場(chǎng)附近，主要實(shí)現(xiàn)精度和完好性增強(qiáng)，特別強(qiáng)調(diào)完好性，而CORS系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)高精度應(yīng)用，精度達(dá)到實(shí)時(shí)分米至厘米級(jí)，事后可達(dá)到毫米級(jí)。

LAAS與WAAS不同的是，LAAS利用地面的參考站代替了其中的地球同步衛(wèi)星進(jìn)行差分信息的廣播，參考站計(jì)算出所接收到的GPS信號(hào)的距離改正，此距離改正與空間具有很大的相關(guān)性，所以在距離參考站一定范圍內(nèi)改正效果高于WAAS，但改正精度隨著用戶與參考站距離的增大而急劇降低。且LAAS系統(tǒng)需要保證用戶接收機(jī)和參考站接收相同衛(wèi)星的信號(hào)以保證誤差的相關(guān)性。在有效覆蓋范圍內(nèi)LAAS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水平方向和垂直方向精度均優(yōu)于1m，且系統(tǒng)構(gòu)建成本較WAAS小，主要為機(jī)場(chǎng)（大概覆蓋半徑為30～50km）范圍內(nèi)提供精密進(jìn)近、離場(chǎng)程序和終端區(qū)作業(yè)服務(wù)，提供Ⅲ類精密進(jìn)近（CATⅢ）完好性服務(wù)，可以說(shuō)LAAS是WAAS在機(jī)場(chǎng)終端區(qū)服務(wù)的延伸。

CORS是另一類增強(qiáng)系統(tǒng)，主要是為了提供高精度的定位服務(wù)，相比于前述幾種系統(tǒng)，對(duì)于CORS系統(tǒng)而言，獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理中心是其核心。CORS利用特定的算法對(duì)參考站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出精確的差分改正，使用戶得到更好的定位精度。應(yīng)用較廣泛的CORS技術(shù)是美國(guó)天寶公司的虛擬參考站（VRS）技術(shù)。VRS技術(shù)在特定區(qū)域建立永久的固定參考站（通常相距50～70km），用戶接收機(jī)通過(guò) GSM短信息功能向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)，控制中心根據(jù)用戶的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當(dāng)于在用戶位置附近建立一個(gè)虛擬參考站，并利用此參考站產(chǎn)生高精度的差分改正信息，控制中心將標(biāo)準(zhǔn)格式的改正信息發(fā)送給用戶接收機(jī)進(jìn)行載波相位差分改正，從而產(chǎn)生厘米級(jí)的定位結(jié)果，解決了RTK技術(shù)作業(yè)距離限制上的問(wèn)題。CORS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)定位精度水平5cm、垂直8cm甚至更高精度，其高定位精度使其可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地殼形變、支持遙感應(yīng)用、求定大氣中水汽分布、監(jiān)測(cè)電離層中自由電子濃度和分布等領(lǐng)域。

ZITHROMAX（阿奇霉素）是一種大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥，用于治療下列特定疾病中明確的微生物敏感菌株引起的輕、中度感染的患者。在這些指征中，推薦的成人和兒童患者群的治療劑量和持續(xù)時(shí)間各不相同。［見(jiàn)用法用量（2）］

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)——衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的新機(jī)遇

近年來(lái)，全球低軌通信及互聯(lián)網(wǎng)星座的蓬勃發(fā)展為新一代星基增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)展提供了新機(jī)遇。國(guó)外，“一網(wǎng)”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等低軌通信星座計(jì)劃層出不窮，推出數(shù)千顆甚至1萬(wàn)多顆的互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃；國(guó)內(nèi)幾大集團(tuán)公司也推出了星座計(jì)劃，如中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司的“鴻雁”星座、中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司的“虹云”星座等。低軌衛(wèi)星相比高軌衛(wèi)星具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以和中高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)：

1）低軌衛(wèi)星軌道低，在同等衛(wèi)星發(fā)射等效全向輻射功率（EIRP）的情況下落地功率更高，如“下一代銥星”系統(tǒng)的通信信號(hào)落地功率比導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)（約-160dBW）高20～30dB；

2）低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度高，衛(wèi)星幾何變化快，與1000km軌道高度的低軌衛(wèi)星相比，GPS衛(wèi)星幾何變化快約40倍，有利于精密定位的快速收斂；

3）導(dǎo)航增強(qiáng)通過(guò)與低軌通信衛(wèi)星融合發(fā)展，無(wú)需獨(dú)立建設(shè)龐大的低軌星座，大大降低建設(shè)成本，使全球低軌增強(qiáng)成為可能。全球低軌通信星座，配置星間鏈路，支持用戶與衛(wèi)星間、星座衛(wèi)星間、星座衛(wèi)星與地面系統(tǒng)間的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，為導(dǎo)航增強(qiáng)實(shí)時(shí)精密星歷生成與播發(fā)提供了實(shí)時(shí)傳輸網(wǎng)絡(luò)支撐。此外，通過(guò)通信導(dǎo)航信號(hào)創(chuàng)新融合設(shè)計(jì)，在不降低通信性能的基礎(chǔ)上，使通信信號(hào)可用于高精度導(dǎo)航，充分利用了頻譜資源和功率資源。

近年來(lái)，小衛(wèi)星及微小衛(wèi)星技術(shù)蓬勃發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)5～10年內(nèi)將有數(shù)百顆小衛(wèi)星發(fā)射升空，為提高應(yīng)用效益，綜合化衛(wèi)星系統(tǒng)是小衛(wèi)星的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，尤其是商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星系統(tǒng)。因此，如能利用低軌通信星座，并利用已有的信道資源，播發(fā)導(dǎo)航信號(hào)及導(dǎo)航增強(qiáng)信息，并與GNSS系統(tǒng)融合，將極大改善目前GNSS系統(tǒng)自身的“脆弱性”。目前，“下一代銥星”系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)其移動(dòng)通信信號(hào)進(jìn)行改造，產(chǎn)生了一個(gè)安全定位授時(shí)信號(hào)（STL），目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在GNSS拒止地區(qū)，如室內(nèi)等的應(yīng)用。雖然精度不高，但其落地功率比GPS高約30dB，增強(qiáng)了可用性。

可以看出，SBAS和GBAS各有特色，很好地滿足了當(dāng)前不同行業(yè)、不同區(qū)域的需求，但相對(duì)不斷發(fā)展的新需求也各有不足。GBAS與當(dāng)前移動(dòng)通信與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)面臨的問(wèn)題一樣，難以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋；基于廣域差分與完好性體制的SBAS有望通過(guò)國(guó)際合作實(shí)現(xiàn)全球有縫覆蓋，基于雙頻載波相位精密定位體制的SBAS受技術(shù)體制限制，收斂時(shí)間需要約20min及以上，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度定位，并且信號(hào)落地功率與GNSS信號(hào)相當(dāng)，只適合應(yīng)用于空中或海面等開(kāi)闊地區(qū)。總之，當(dāng)前的SBAS和GBAS解決不了導(dǎo)航服務(wù)的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，分別是全球覆蓋、強(qiáng)落地功率和高精度定位的快速收斂。而低軌通信星座恰好在這三個(gè)方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，特別是有望解決實(shí)時(shí)高精度的快速收斂這一關(guān)鍵問(wèn)題，而該問(wèn)題則是衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)于未來(lái)以自動(dòng)駕駛為代表的實(shí)時(shí)高精度用戶的關(guān)鍵。

GPS L1和STL的對(duì)標(biāo)

基于“鴻雁”星座的全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)原理框圖

3 “鴻雁”低軌全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)

經(jīng)充分挖掘“鴻雁”低軌星座在導(dǎo)航定位中的應(yīng)用潛力，結(jié)合我國(guó)國(guó)家定位導(dǎo)航授時(shí)（PNT）體系建設(shè)需求，“鴻雁”系統(tǒng)將配置導(dǎo)航增強(qiáng)功能。作為“天基監(jiān)測(cè)站”，通過(guò)在低軌“鴻雁”衛(wèi)星上配置高精度GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)，采用地面區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)+天基全球監(jiān)測(cè)網(wǎng)的觀測(cè)體制實(shí)現(xiàn)中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星與低軌通信衛(wèi)星的聯(lián)合精密定軌與鐘差確定，解決我國(guó)海外建站的不足；作為“導(dǎo)航信息源”，通過(guò)播發(fā)精密軌道、精密鐘差、完好性信息以及導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分米級(jí)、靜態(tài)厘米級(jí)的全球精密單點(diǎn)定位（GPPP），收斂時(shí)間從30min左右縮短到1min以內(nèi)，同時(shí)提供類似“下一代銥星”系統(tǒng)的安全定位授時(shí)功能?？梢钥闯觯啾取跋乱淮炐恰毕到y(tǒng)，“鴻雁”導(dǎo)航增強(qiáng)在“天基監(jiān)測(cè)站”和“導(dǎo)航信息源”兩個(gè)方面均有增量。

系統(tǒng)方案

“鴻雁”全球?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)由空間段、地面段及用戶段組成?？臻g段主要包括GNSS系統(tǒng)和“鴻雁”衛(wèi)星星座；地面系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)站、中心處理站、信息傳輸與分發(fā)網(wǎng)絡(luò)組成；用戶段為聯(lián)合接收導(dǎo)航衛(wèi)星及“鴻雁”衛(wèi)星進(jìn)行定位的用戶接收機(jī)。采用四大GNSS系統(tǒng)雙頻監(jiān)測(cè)，全球稀疏地面監(jiān)測(cè)站，播發(fā)GPPP增強(qiáng)信息和雙頻增強(qiáng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)精度、完好性、可用性和定位實(shí)時(shí)性增強(qiáng)。

1）天地一體高精度GNSS監(jiān)測(cè)處理?；诘孛鎱^(qū)域稀疏監(jiān)測(cè)站+天基全球監(jiān)測(cè)站（低軌高精度GNSS接收機(jī)），進(jìn)行高中低地聯(lián)合精密軌道與鐘差確定，實(shí)時(shí)獲取四大GNSS系統(tǒng)及低軌星座的精密軌道鐘差等參數(shù)。

2）實(shí)時(shí)高精度PNT、安全PNT。用戶接收GNSS/LEO信號(hào)實(shí)現(xiàn)全球動(dòng)態(tài)分米級(jí)、靜態(tài)厘米級(jí)的GPPP，收斂時(shí)間小于1min；獨(dú)立接收LEO星座信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航備份，增強(qiáng)復(fù)雜地形環(huán)境和復(fù)雜電磁環(huán)境下的導(dǎo)航服務(wù)能力。

系統(tǒng)工作原理與流程如下：“鴻雁”衛(wèi)星通過(guò)配置高精度GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)，生成馴服到GNSS系統(tǒng)的時(shí)頻基準(zhǔn)信號(hào)（10MHz和1PPS），衛(wèi)星通信載荷基于該時(shí)頻信號(hào)產(chǎn)生測(cè)量通信一體化信號(hào)向用戶播發(fā)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)星間鏈路下傳到境內(nèi)中心處理站，中心處理站利用地面監(jiān)測(cè)站聯(lián)合“鴻雁”衛(wèi)星移動(dòng)監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)生成精密星歷，通過(guò)饋電鏈路和星間鏈路上傳至衛(wèi)星，然后通過(guò)用戶通信鏈路廣播。用戶通過(guò)接收衛(wèi)星通信鏈路播發(fā)的測(cè)量通信一體化信號(hào)實(shí)現(xiàn)精密星歷的獲取，實(shí)現(xiàn)全球精密單點(diǎn)定位。

主要的技術(shù)體制

（1） 高中低地聯(lián)合精密定軌技術(shù)體制

傳統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌是利用全球布設(shè)的監(jiān)測(cè)站對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行偽距和載波相位測(cè)量，然后通過(guò)定軌處理實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星的精密定軌。我國(guó)由于國(guó)土疆域的限制及其他因素，難以實(shí)現(xiàn)全球建站。“鴻雁”系統(tǒng)在我國(guó)建設(shè)區(qū)域地面監(jiān)測(cè)站，并通過(guò)在低軌衛(wèi)星上配置高精度GNSS監(jiān)測(cè)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而構(gòu)成了一個(gè)天地一體的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。低軌衛(wèi)星將導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)星間鏈路和星地鏈路傳回國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)處理中心，聯(lián)合地面區(qū)域監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)綜合處理完成中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星精密定軌?！傍櫻恪毙l(wèi)星作為“天基監(jiān)測(cè)站”可以有效填補(bǔ)我國(guó)海外站的不足，通過(guò)高中低地聯(lián)合精密定軌實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精密星歷獲取。

采用BDS星座（5GEO+3IGSO+27MEO）與“鴻雁”星座相結(jié)合進(jìn)行了仿真，分別對(duì)國(guó)內(nèi)8個(gè)站，國(guó)內(nèi)8個(gè)站聯(lián)合3顆LEO衛(wèi)星和國(guó)內(nèi)8個(gè)站聯(lián)合10顆LEO衛(wèi)星三種方案的精密定軌的結(jié)果進(jìn)行比較。僅用8個(gè)地面區(qū)域測(cè)站，GEO衛(wèi)星能夠達(dá)到米級(jí)的定軌精度。當(dāng)加入3顆LEO之后，GEO衛(wèi)星得到了極大的改善，特別是切向方向。其位置RMS從262.98cm降為3.55cm，軌道精度提高了98.7%。當(dāng)LEO數(shù)量增加為10顆時(shí)，GEO衛(wèi)星的軌道精度得到了進(jìn)一步的提升。對(duì)于MEO衛(wèi)星，僅利用中國(guó)區(qū)域8個(gè)測(cè)站的定軌精度為24.28cm，這是由于使用了中國(guó)區(qū)域測(cè)站。相比于僅用地面測(cè)站的結(jié)果，當(dāng)分別加入3顆、10顆LEO衛(wèi)星之后，MEO衛(wèi)星的軌道精度均得到了大幅度的提升，分別提升了84.8%、92.1%。

（2）GNSS/LEO聯(lián)合PPP技術(shù)體制

基于載波相位的PPP技術(shù)是目前全球范圍內(nèi)開(kāi)展精密定位的主要技術(shù)手段，導(dǎo)航衛(wèi)星由于軌道高，幾何圖形變化慢，在建立精密定位法方程時(shí)相鄰歷元方程之間的相關(guān)性太強(qiáng)，在進(jìn)行定位參數(shù)估計(jì)時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間估計(jì)各類誤差之后才能進(jìn)行載波相位模糊度的固定，從而實(shí)現(xiàn)精密定位。低軌衛(wèi)星具有軌道低、運(yùn)動(dòng)快的特點(diǎn)，衛(wèi)星幾何圖形變化快，短時(shí)間歷元間方程的相關(guān)性較導(dǎo)航衛(wèi)星弱。因此，低軌衛(wèi)星聯(lián)合導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行PPP有利于定位誤差參數(shù)的估計(jì)，從而可以加速精密定位的快速收斂?！傍櫻恪毕到y(tǒng)為縮短PPP收斂時(shí)間將播發(fā)雙頻導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，300顆星左右收斂時(shí)間將優(yōu)于1min（收斂偏差10cm），當(dāng)收斂偏差降低時(shí)，收斂時(shí)間也將大幅縮短。

三種方案BDS衛(wèi)星各方向重疊弧段均方根誤差 cm

關(guān)鍵技術(shù)

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)相比當(dāng)前的SBAS系統(tǒng)是一種全新的技術(shù)體制，是在低軌通信星座蓬勃發(fā)展的歷史機(jī)遇背景下提出的。因此，除了導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，如何與低軌通信星座融合將是系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵所在。主要的關(guān)鍵技術(shù)如下：

1）區(qū)域監(jiān)測(cè)站條件下的低軌衛(wèi)星與中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星聯(lián)合定軌?？紤]我國(guó)地基監(jiān)測(cè)站無(wú)法全球均勻布設(shè)的現(xiàn)實(shí)條件，需要在低軌衛(wèi)星上配置監(jiān)測(cè)接收機(jī)，并聯(lián)合地面區(qū)域監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)天地一體聯(lián)合監(jiān)測(cè)，用于GNSS衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星的精密軌道與鐘差確定。需要設(shè)計(jì)并選擇合理分布的區(qū)域地面跟蹤站網(wǎng)，綜合考慮計(jì)算負(fù)荷、低軌星座的構(gòu)型等要求，優(yōu)化參與聯(lián)合定軌的低軌衛(wèi)星。融合區(qū)域地面跟蹤網(wǎng)和星基跟蹤站等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)地面跟蹤站的不足，改善整個(gè)跟蹤網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同軌道高度衛(wèi)星群精密軌道的快速確定以滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，從而豐富并發(fā)展導(dǎo)航衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星精密聯(lián)合定軌的理論與方法，生成厘米級(jí)實(shí)時(shí)精密軌道與鐘差改正數(shù)。

2）低軌星座增強(qiáng)北斗/GNSS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)。由于低軌衛(wèi)星觀測(cè)弧段短、運(yùn)行速度快、大氣阻力影響大，導(dǎo)致地面站所接收到的低軌衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)中周跳較多、粗差影響大。因此，探究適用于低軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理與質(zhì)量控制方法是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健可靠的精密定位服務(wù)的關(guān)鍵和首要環(huán)節(jié)，旨在為后續(xù)高精度數(shù)據(jù)處理提供“干凈”的觀測(cè)資料。多源異構(gòu)星座的融合，既帶來(lái)了成倍增長(zhǎng)的觀測(cè)值，也產(chǎn)生了各種各樣的偏差，如碼間、頻間、系統(tǒng)間等偏差。在確定了低軌增強(qiáng)北斗/GNSS精密定位數(shù)學(xué)模型后，就需要對(duì)觀測(cè)模型中各偏差參數(shù)的可估條件進(jìn)行分析。在多種星座融合的條件下，進(jìn)一步分析低軌衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星觀測(cè)值中的各類偏差的時(shí)域與空域特性，幫助確定精密定位中這些偏差的隨機(jī)模型，如是采用常數(shù)估計(jì)，還是采用白噪聲、隨機(jī)游走等估計(jì)，以及這些偏差估計(jì)時(shí)約束的松緊程度，這些均影響精密定位的估計(jì)結(jié)果。聯(lián)合低軌衛(wèi)星增強(qiáng)GNSS精密定位時(shí)，處理高維及低軌衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)、短弧段條件下的模糊度快速解算問(wèn)題是待突破的難點(diǎn)。最終，需論證和評(píng)估低軌星座增強(qiáng)北斗/GNSS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位性能。

3）衛(wèi)星導(dǎo)航與衛(wèi)星移動(dòng)通信深度融合關(guān)鍵技術(shù)。頻率資源是低軌通信星座最核心的資源，移動(dòng)通信下行采用L頻段播發(fā)，導(dǎo)航增強(qiáng)應(yīng)充分與移動(dòng)通信頻段兼容以降低成本及風(fēng)險(xiǎn)，因此衛(wèi)星導(dǎo)航與衛(wèi)星移動(dòng)通信深度融合成為系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。移動(dòng)通信衛(wèi)星一般采用多波束天線對(duì)地形成多個(gè)蜂窩小區(qū)，并采用頻率多色復(fù)用技術(shù)提升用戶容量，因此需突破基于多波束天線的通導(dǎo)信號(hào)一體化設(shè)計(jì)，充分利用通信頻率資源和功率資源，在L頻段上實(shí)現(xiàn)通信和導(dǎo)航信號(hào)一體播發(fā)。

4）小型化、輕量化、低功耗和低成本導(dǎo)航增強(qiáng)載荷技術(shù)。低軌通信衛(wèi)星平臺(tái)小，質(zhì)量、功耗和成本均需要精細(xì)控制，因此在進(jìn)行載荷設(shè)計(jì)時(shí)要面向低體積質(zhì)量功耗（SWaP）進(jìn)行設(shè)計(jì)，“鴻雁”衛(wèi)星在進(jìn)行導(dǎo)航增強(qiáng)載荷設(shè)計(jì)時(shí)，采用高精度載荷硬件架構(gòu)技術(shù)+片上系統(tǒng)芯片技術(shù)+可重構(gòu)軟件系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)空基準(zhǔn)、載荷小型化低功耗，降低成本，采用軟件定義載荷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在軌維護(hù)和升級(jí)擴(kuò)展。

4 展望

當(dāng)前，低軌通信星座的蓬勃發(fā)展為衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)帶來(lái)了新的歷史機(jī)遇，低軌衛(wèi)星具有空衰小、幾何變化快的優(yōu)勢(shì)，與當(dāng)前中高軌GNSS衛(wèi)星可形成互補(bǔ)?；凇傍櫻恪毙亲娜?qū)Ш皆鰪?qiáng)系統(tǒng)有望解決當(dāng)前增強(qiáng)系統(tǒng)在全球覆蓋、低落地功率和PPP收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，服務(wù)于未來(lái)以電網(wǎng)、銀行、證券、軍事等高價(jià)值安全用戶，以及以自動(dòng)駕駛為代表的實(shí)時(shí)精密定位用戶，隨著智能手機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等處理能力日益增長(zhǎng)，最終有望走進(jìn)千家萬(wàn)戶，實(shí)現(xiàn)大眾應(yīng)用。