基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统

蒙艳松 边朗 王瑛 严涛 雷文英 何穆 李星星

（1 中国空间技术研究院西安分院；2 中国长城工业集团有限公司；3 武汉大学)

近年来，低轨通信星座系统及其应用成为国内外航天企业乃至资本大佬竞相发展的商业航天产业之一，为提高效费比，综合化卫星系统成为低轨通信星座的重要发展趋势。目前，美国已经在“下一代铱星”系统上实现了导航增强功能，中国航天科技集团有限公司近年发展的“鸿雁”星座也将融合导航增强功能。与“铱”卫星不同，“鸿雁”星座面向解决我国难以全球建站及现有多种增强系统的痛点，提出了天基全球监测、实时高精度和安全定位授时等发展方向，既向北斗提供全球监测数据服务，又向广大个人用户提供安全、实时高精度的PNT服务。低轨导航增强与星基增强系统（SBAS）、地基增强系统（GBAS）等传统的导航增强系统有着本质的区别，具有划时代的意义，将推动卫星导航增强迈向一个崭新的时代。

1 引言

过去20年，是卫星导航系统蓬勃发展和应用的20年，截至目前，国际上已有GPS、GLONASS、GALILEO和北斗四大全球卫星导航系统（GNSS），及IRNSS和QZSS两大区域导航系统。GNSS可向全球用户提供全天候、连续不间断的导航服务，在交通、农业、电力以及军事等应用领域发挥了巨大的作用，对国民经济和军事国防建设作出了巨大的贡献。

全球导航系统和区域导航系统概览

虽然卫星导航系统在军民应用领域的应用获得了巨大的成功，但是卫星导航系统本身只提供基本导航服务。随着用户需求的不断发展和复杂环境下的应用拓展，卫星导航同时也面临着巨大挑战。

飞机精密进近

高精度测绘

智能交通（自动驾驶）

由此可见，GNSS系统本身提供的基本导航服务已经不能满足大多数行业用户的需求，因此，随着用户需求的发展和技术的进步，地基增强系统和星基增强系统相继出现，高性能导航服务逐渐在高端行业中应用。近年来，随着低轨通信星座的兴起，基于低轨通信星座的全球导航增强系统成为卫星导航增强领域的热点。“鸿雁”系统是中国航天科技集团有限公司推出的一个低轨移动通信及宽带互联网星座，共300多颗星，计划在2023年建成由60颗左右卫星构成的窄带系统，在2025年建成由约270颗星构成的宽带系统，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务，2018年底发射首发星。“鸿雁”星座将融合导航增强功能，期望通过低轨导航增强，使得高性能导航服务从行业用户进入大众市场。

2 卫星导航增强技术现状与发展趋势

GNSS利用用户接收机接收位置精确已知的4颗卫星的导航信号，构成4个方程，对其进行解算得出位置三维坐标及接收机钟差4个未知数，实现定位及授时的功能。影响GNSS精度的因素主要有：与GNSS卫星有关的因素，包括卫星星历误差、卫星钟差和卫星信号发射天线相位中心偏差；与传播途径有关的因素，包括电离层延迟、对流层延迟和多径效应；与接收机有关的因素，包括接收机天线相位中心偏差，接收机软件和硬件造成的误差；其他因素包括Sagnac效应和相对论效应等，同时卫星的可见数也严重影响系统的定位功能。正是这些误差因素导致GNSS系统自身提供的服务能力有限，当前有多种技术手段可以对GNSS服务性能进行增强，按空间划分可分为星基增强系统和地基增强系统两类。

星基增强系统

目前美国、欧盟、俄罗斯及中国等国均建设了覆盖本国及周边地区的星基增强系统，采用广域差分与完好性增强体制，对导航精度、完好性等服务性能进行增强。星基增强系统主要包括美国广域增强系统（WAAS）、欧洲地球静止导航重叠服务（EGNOS）、俄罗斯差分校正和监测系统站（SDCM）、北斗区域增强系统等，工作原理相似。以WAAS系统为例，它的主要原理是利用地球同步卫星构成数据通信链路，系统将星历误差、大气延时误差、卫星钟差误差进行分离并分别进行模型化，主控站利用参考站的位置信息和接收到的GNSS信号计算出差分改正，并将改正信息经上行注入站传送给GEO卫星，地球同步卫星将信息传送给地球上的用户，用户通过改正信息精确计算自己的位置，在覆盖范围内提高用户的定位精度，实现米级的定位精度，Ⅰ类精密进近（CATⅠ）完好性服务能力。目前，广域差分与完好性增强体制的SBAS系统主要由政府职能部门主导投资建设，采用兼容互操作的途径实现国际合作，其标准由美国主导，通过国际合作实现全球有缝覆盖，主要服务于民航等生命安全领域，近年拓展到海事、铁路、公路、智能交通等领域，重点在完好性增强。

全球星基增强系统分布

StarFire系统覆盖区域

此外，目前很多商业化运营的星基增强系统基于精密单点定位（PPP）、PPP-RTK技术，直接对GNSS定位中的各类误差源进行建模估计（SSR），主要包括轨道点、地卫星钟差、大气延迟等，从而实现广域精密定位，基于载波相位定位精度可达到分米至厘米级，收敛时间20min以上。该类系统目前主要由商业运营公司运营，主要的运营模式是通过租用“国际移动卫星”（Inmarsat）转发器资源，单向播发改正数，重点在于精度增强，服务于精细农业、工程测量、海洋测绘等高精度行业应用领域，代表性的系统包括美国天宝公司（Trimble）的RTX服务系统、美国NAVCOM公司的StarFire系统等。

地基增强系统

地基增强系统是指参考站位于地面的对于GNSS进行性能增强的运行系统，主要包括局域增强系统（LAAS）和连续运行参考站系统（CORS），这两个系统相互之间具有一定的相似性，结构都包含参考站、数据通信链路和用户，但也有不同。LAAS系统布设在机场附近，主要实现精度和完好性增强，特别强调完好性，而CORS系统主要是为了实现高精度应用，精度达到实时分米至厘米级，事后可达到毫米级。

LAAS与WAAS不同的是，LAAS利用地面的参考站代替了其中的地球同步卫星进行差分信息的广播，参考站计算出所接收到的GPS信号的距离改正，此距离改正与空间具有很大的相关性，所以在距离参考站一定范围内改正效果高于WAAS，但改正精度随着用户与参考站距离的增大而急剧降低。且LAAS系统需要保证用户接收机和参考站接收相同卫星的信号以保证误差的相关性。在有效覆盖范围内LAAS系统可以实现水平方向和垂直方向精度均优于1m，且系统构建成本较WAAS小，主要为机场（大概覆盖半径为30～50km）范围内提供精密进近、离场程序和终端区作业服务，提供Ⅲ类精密进近（CATⅢ）完好性服务，可以说LAAS是WAAS在机场终端区服务的延伸。

CORS是另一类增强系统，主要是为了提供高精度的定位服务，相比于前述几种系统，对于CORS系统而言，独特的数据处理中心是其核心。CORS利用特定的算法对参考站网的数据进行处理得出精确的差分改正，使用户得到更好的定位精度。应用较广泛的CORS技术是美国天宝公司的虚拟参考站（VRS）技术。VRS技术在特定区域建立永久的固定参考站（通常相距50～70km），用户接收机通过 GSM短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心根据用户的位置，选择一组最佳的参考站，利用特定的模型算法，相当于在用户位置附近建立一个虚拟参考站，并利用此参考站产生高精度的差分改正信息，控制中心将标准格式的改正信息发送给用户接收机进行载波相位差分改正，从而产生厘米级的定位结果，解决了RTK技术作业距离限制上的问题。CORS系统可以实现定位精度水平5cm、垂直8cm甚至更高精度，其高定位精度使其可以应用于监测地壳形变、支持遥感应用、求定大气中水汽分布、监测电离层中自由电子浓度和分布等领域。

ZITHROMAX（阿奇霉素）是一种大环内酯类抗菌药，用于治疗下列特定疾病中明确的微生物敏感菌株引起的轻、中度感染的患者。在这些指征中，推荐的成人和儿童患者群的治疗剂量和持续时间各不相同。［见用法用量（2）］

低轨导航增强——卫星导航增强技术的新机遇

近年来，全球低轨通信及互联网星座的蓬勃发展为新一代星基增强系统的发展提供了新机遇。国外，“一网”（OneWeb）、“星链”（Starlink）等低轨通信星座计划层出不穷，推出数千颗甚至1万多颗的互联网星座计划；国内几大集团公司也推出了星座计划，如中国航天科技集团有限公司的“鸿雁”星座、中国航天科工集团有限公司的“虹云”星座等。低轨卫星相比高轨卫星具有明显的优势，可以和中高轨卫星实现优势互补：

1）低轨卫星轨道低，在同等卫星发射等效全向辐射功率（EIRP）的情况下落地功率更高，如“下一代铱星”系统的通信信号落地功率比导航卫星信号（约-160dBW）高20～30dB；

2）低轨卫星运动速度高，卫星几何变化快，与1000km轨道高度的低轨卫星相比，GPS卫星几何变化快约40倍，有利于精密定位的快速收敛；

3）导航增强通过与低轨通信卫星融合发展，无需独立建设庞大的低轨星座，大大降低建设成本，使全球低轨增强成为可能。全球低轨通信星座，配置星间链路，支持用户与卫星间、星座卫星间、星座卫星与地面系统间的近实时数据传输，为导航增强实时精密星历生成与播发提供了实时传输网络支撑。此外，通过通信导航信号创新融合设计，在不降低通信性能的基础上，使通信信号可用于高精度导航，充分利用了频谱资源和功率资源。

近年来，小卫星及微小卫星技术蓬勃发展，可以预见，未来5～10年内将有数百颗小卫星发射升空，为提高应用效益，综合化卫星系统是小卫星的一个重要发展趋势，尤其是商业化运营的卫星系统。因此，如能利用低轨通信星座，并利用已有的信道资源，播发导航信号及导航增强信息，并与GNSS系统融合，将极大改善目前GNSS系统自身的“脆弱性”。目前，“下一代铱星”系统已经对其移动通信信号进行改造，产生了一个安全定位授时信号（STL），目标是实现在GNSS拒止地区，如室内等的应用。虽然精度不高，但其落地功率比GPS高约30dB，增强了可用性。

可以看出，SBAS和GBAS各有特色，很好地满足了当前不同行业、不同区域的需求，但相对不断发展的新需求也各有不足。GBAS与当前移动通信与互联网服务面临的问题一样，难以实现全球覆盖；基于广域差分与完好性体制的SBAS有望通过国际合作实现全球有缝覆盖，基于双频载波相位精密定位体制的SBAS受技术体制限制，收敛时间需要约20min及以上，难以实现实时高精度定位，并且信号落地功率与GNSS信号相当，只适合应用于空中或海面等开阔地区。总之，当前的SBAS和GBAS解决不了导航服务的三个关键问题，分别是全球覆盖、强落地功率和高精度定位的快速收敛。而低轨通信星座恰好在这三个方面具有突出的优势，特别是有望解决实时高精度的快速收敛这一关键问题，而该问题则是卫星导航服务于未来以自动驾驶为代表的实时高精度用户的关键。

GPS L1和STL的对标

基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统原理框图

3 “鸿雁”低轨全球导航增强系统

经充分挖掘“鸿雁”低轨星座在导航定位中的应用潜力，结合我国国家定位导航授时（PNT）体系建设需求，“鸿雁”系统将配置导航增强功能。作为“天基监测站”，通过在低轨“鸿雁”卫星上配置高精度GNSS监测接收机，采用地面区域监测网+天基全球监测网的观测体制实现中高轨导航卫星与低轨通信卫星的联合精密定轨与钟差确定，解决我国海外建站的不足；作为“导航信息源”，通过播发精密轨道、精密钟差、完好性信息以及导航增强信号，实现动态分米级、静态厘米级的全球精密单点定位（GPPP），收敛时间从30min左右缩短到1min以内，同时提供类似“下一代铱星”系统的安全定位授时功能。可以看出，相比“下一代铱星”系统，“鸿雁”导航增强在“天基监测站”和“导航信息源”两个方面均有增量。

系统方案

“鸿雁”全球导航增强系统由空间段、地面段及用户段组成。空间段主要包括GNSS系统和“鸿雁”卫星星座；地面系统主要由监测站、中心处理站、信息传输与分发网络组成；用户段为联合接收导航卫星及“鸿雁”卫星进行定位的用户接收机。采用四大GNSS系统双频监测，全球稀疏地面监测站，播发GPPP增强信息和双频增强信号实现精度、完好性、可用性和定位实时性增强。

1）天地一体高精度GNSS监测处理。基于地面区域稀疏监测站+天基全球监测站（低轨高精度GNSS接收机），进行高中低地联合精密轨道与钟差确定，实时获取四大GNSS系统及低轨星座的精密轨道钟差等参数。

2）实时高精度PNT、安全PNT。用户接收GNSS/LEO信号实现全球动态分米级、静态厘米级的GPPP，收敛时间小于1min；独立接收LEO星座信号实现导航备份，增强复杂地形环境和复杂电磁环境下的导航服务能力。

系统工作原理与流程如下：“鸿雁”卫星通过配置高精度GNSS监测接收机，生成驯服到GNSS系统的时频基准信号（10MHz和1PPS），卫星通信载荷基于该时频信号产生测量通信一体化信号向用户播发。同时，监测接收机观测数据通过星间链路下传到境内中心处理站，中心处理站利用地面监测站联合“鸿雁”卫星移动监测站观测数据生成精密星历，通过馈电链路和星间链路上传至卫星，然后通过用户通信链路广播。用户通过接收卫星通信链路播发的测量通信一体化信号实现精密星历的获取，实现全球精密单点定位。

主要的技术体制

（1） 高中低地联合精密定轨技术体制

传统的导航卫星精密定轨是利用全球布设的监测站对导航卫星进行伪距和载波相位测量，然后通过定轨处理实现导航卫星的精密定轨。我国由于国土疆域的限制及其他因素，难以实现全球建站。“鸿雁”系统在我国建设区域地面监测站，并通过在低轨卫星上配置高精度GNSS监测接收机实现全球移动监测，从而构成了一个天地一体的监测网。低轨卫星将导航卫星测量数据通过星间链路和星地链路传回国内数据处理中心，联合地面区域监测站监测数据通过数据综合处理完成中高轨导航卫星和低轨卫星精密定轨。“鸿雁”卫星作为“天基监测站”可以有效填补我国海外站的不足，通过高中低地联合精密定轨实现实时精密星历获取。

采用BDS星座（5GEO+3IGSO+27MEO）与“鸿雁”星座相结合进行了仿真，分别对国内8个站，国内8个站联合3颗LEO卫星和国内8个站联合10颗LEO卫星三种方案的精密定轨的结果进行比较。仅用8个地面区域测站，GEO卫星能够达到米级的定轨精度。当加入3颗LEO之后，GEO卫星得到了极大的改善，特别是切向方向。其位置RMS从262.98cm降为3.55cm，轨道精度提高了98.7%。当LEO数量增加为10颗时，GEO卫星的轨道精度得到了进一步的提升。对于MEO卫星，仅利用中国区域8个测站的定轨精度为24.28cm，这是由于使用了中国区域测站。相比于仅用地面测站的结果，当分别加入3颗、10颗LEO卫星之后，MEO卫星的轨道精度均得到了大幅度的提升，分别提升了84.8%、92.1%。

（2）GNSS/LEO联合PPP技术体制

基于载波相位的PPP技术是目前全球范围内开展精密定位的主要技术手段，导航卫星由于轨道高，几何图形变化慢，在建立精密定位法方程时相邻历元方程之间的相关性太强，在进行定位参数估计时需要较长的时间估计各类误差之后才能进行载波相位模糊度的固定，从而实现精密定位。低轨卫星具有轨道低、运动快的特点，卫星几何图形变化快，短时间历元间方程的相关性较导航卫星弱。因此，低轨卫星联合导航卫星进行PPP有利于定位误差参数的估计，从而可以加速精密定位的快速收敛。“鸿雁”系统为缩短PPP收敛时间将播发双频导航增强信号，300颗星左右收敛时间将优于1min（收敛偏差10cm），当收敛偏差降低时，收敛时间也将大幅缩短。

三种方案BDS卫星各方向重叠弧段均方根误差 cm

关键技术

低轨导航增强系统相比当前的SBAS系统是一种全新的技术体制，是在低轨通信星座蓬勃发展的历史机遇背景下提出的。因此，除了导航增强技术相关的关键技术，如何与低轨通信星座融合将是系统成功运行的关键所在。主要的关键技术如下：

1）区域监测站条件下的低轨卫星与中高轨导航卫星联合定轨。考虑我国地基监测站无法全球均匀布设的现实条件，需要在低轨卫星上配置监测接收机，并联合地面区域监测站实现天地一体联合监测，用于GNSS卫星和低轨卫星的精密轨道与钟差确定。需要设计并选择合理分布的区域地面跟踪站网，综合考虑计算负荷、低轨星座的构型等要求，优化参与联合定轨的低轨卫星。融合区域地面跟踪网和星基跟踪站等多源观测数据，弥补地面跟踪站的不足，改善整个跟踪网的图形结构，实现不同轨道高度卫星群精密轨道的快速确定以满足实时应用的需求，从而丰富并发展导航卫星与低轨卫星精密联合定轨的理论与方法，生成厘米级实时精密轨道与钟差改正数。

2）低轨星座增强北斗/GNSS实时精密单点定位技术。由于低轨卫星观测弧段短、运行速度快、大气阻力影响大，导致地面站所接收到的低轨卫星观测数据中周跳较多、粗差影响大。因此，探究适用于低轨卫星数据预处理与质量控制方法是实现稳健可靠的精密定位服务的关键和首要环节，旨在为后续高精度数据处理提供“干净”的观测资料。多源异构星座的融合，既带来了成倍增长的观测值，也产生了各种各样的偏差，如码间、频间、系统间等偏差。在确定了低轨增强北斗/GNSS精密定位数学模型后，就需要对观测模型中各偏差参数的可估条件进行分析。在多种星座融合的条件下，进一步分析低轨卫星和导航卫星观测值中的各类偏差的时域与空域特性，帮助确定精密定位中这些偏差的随机模型，如是采用常数估计，还是采用白噪声、随机游走等估计，以及这些偏差估计时约束的松紧程度，这些均影响精密定位的估计结果。联合低轨卫星增强GNSS精密定位时，处理高维及低轨卫星高动态、短弧段条件下的模糊度快速解算问题是待突破的难点。最终，需论证和评估低轨星座增强北斗/GNSS实时精密单点定位性能。

3）卫星导航与卫星移动通信深度融合关键技术。频率资源是低轨通信星座最核心的资源，移动通信下行采用L频段播发，导航增强应充分与移动通信频段兼容以降低成本及风险，因此卫星导航与卫星移动通信深度融合成为系统建设的关键。移动通信卫星一般采用多波束天线对地形成多个蜂窝小区，并采用频率多色复用技术提升用户容量，因此需突破基于多波束天线的通导信号一体化设计，充分利用通信频率资源和功率资源，在L频段上实现通信和导航信号一体播发。

4）小型化、轻量化、低功耗和低成本导航增强载荷技术。低轨通信卫星平台小，质量、功耗和成本均需要精细控制，因此在进行载荷设计时要面向低体积质量功耗（SWaP）进行设计，“鸿雁”卫星在进行导航增强载荷设计时，采用高精度载荷硬件架构技术+片上系统芯片技术+可重构软件系统技术，实现高精度时空基准、载荷小型化低功耗，降低成本，采用软件定义载荷技术，实现在轨维护和升级扩展。

4 展望

当前，低轨通信星座的蓬勃发展为卫星导航增强带来了新的历史机遇，低轨卫星具有空衰小、几何变化快的优势，与当前中高轨GNSS卫星可形成互补。基于“鸿雁”星座的全球导航增强系统有望解决当前增强系统在全球覆盖、低落地功率和PPP收敛时间过长的问题，服务于未来以电网、银行、证券、军事等高价值安全用户，以及以自动驾驶为代表的实时精密定位用户，随着智能手机、移动设备等处理能力日益增长，最终有望走进千家万户，实现大众应用。