低轨卫星导航系统技术发展研究

聂欣 郑晋军 范本尧

(1 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)(2 中国空间技术研究院，北京 100094)

全球导航卫星系统(GNSS)因其全球、全天候、连续和高精度的特点，已经在遍及陆地、海洋、天空和太空的各领域得到广泛应用，成为目前应用最广泛的导航技术。随着GNSS在民用、军事等应用领域的不断拓展和深入，对GNSS系统要求也越来越高，不仅需要缩短定位时间、提高定位精度、改善恶劣环境下的服务质量，还要求利用其他各种手段实现对导航系统的备份能力。

低轨卫星导航系统有望实现信号强度提升，精度提高，形成对基于中高轨星座GNSS的增强、补充备份能力，同时具备独立提供导航服务的潜力。国内外各种低轨星座的日益兴起，通过低轨卫星对GNSS导航服务进行增强、备份，乃至具备一定的独立导航服务能力已经成为了国内外学术界、工业界关注的热点之一。为了能够明晰技术路线、确定系统工作模式、规划系统建设步骤、形成服务效果的准确预期，为我国低轨卫星导航系统提供参考，开展了低轨卫星导航系统技术发展研究。

本文对国内外低轨导航系统进行调研，重点针对国外“子午仪”(Transit)系统、基于铱星的高完好GPS服务(iGPS)和卫星时间与位置(STL)服务、国内“鸿雁”、珞珈一号等系统，分析和研究其关键技术，导航原理和使用效果；然后分析了低轨卫星精密定轨、多普勒定位等关键使能技术；根据服务对星座、卫星的需求和关键使能技术发展趋势进行分析；最后提出了我国低轨卫星导航系统发展的建议。

1 GNSS服务能力及低轨卫星导航服务需求分析

卫星导航系统已经成为大国、地区的“标准配置”。现代社会严重依赖于GNSS服务，同时应用需求的不断发展对GNSS性能要求越来越高。目前使用过程中，基于中高轨卫星的GNSS服务需在以下方面提升。

(1)目前基本导航系统的三维定位精度都在10 m左右，尚不能满足更高精度的服务需求。星基增强系统可将定位精度提升至米级或分米级。基于地球静止轨道(GEO)卫星的星基增强系统除存在高纬度地区信号覆盖问题，一般而言，纬度超过72°的地区就将出现信号丢失的问题[1]。

(2)GNSS卫星信号受到建筑物、森林植被的阻挡，使得GNSS接收机在人口稠密的城市、峡谷、森林等环境中经常由于可见卫星数不足、卫星信号深衰落而不能完成定位。此外在强干扰等恶劣电磁环境下，GNSS服务的性能下降，甚至会出现导航信号无法被正常捕获跟踪而造成定位失败的情况。

(3)首次定位时间(TTFF)是影响导航服务体验和使用效果的因素之一。目前基于伪距测量的接收机在冷启动的情况下定位需要数分钟。如果需要更高的定位精度，采用基于载波相位定位测量的精密单点定位(PPP)技术，收敛时间还要更长，一般会达到20 min以上。

(4)对于智能交通用户等涉及生命安全的服务，在实时高精度(动态10 cm)的同时，提出了高完好性的需求，目前基本导航系统和星基增强系统都无法满足此要求。

2 低轨卫星导航系统调研

低轨卫星具有轨道高度低，星地信道信号衰减小；卫星观测几何变化快，有助于定位收敛的特点，可以增强中高轨卫星导航系统的定位精度、完好性、可用性等。下文“低轨卫星导航系统”表征广义上的概念，指基于低轨卫星同时提供导航服务的卫星系统。

2.1 已建成的低轨卫星导航系统调研

1)Transit系统及奇卡达(Tsikada)系统

Transit系统是全球首个卫星导航系统，先后发射34颗卫星，一般在轨维持6颗卫星提供服务[2]。Transit系统采用双频多普勒定位体制，选择150 MHz和400 MHz频率播发其导航信号，以补偿因电离层折射产生的多普勒测量误差。导航信号中包含卫星的位置与速度等导航相关信息，导航信号一般采取加密方式播发。Tsikada系统是苏联发展的低轨卫星导航系统，定位机理和服务性能基本与Transit系统相同。

从应用的角度看，基于多普勒测速导航体制的卫星导航系统具有全球覆盖、全天候工作的特点，可提供非连续的二维导航定位服务，定位精度约100 m，服务间隔90 min，适用于水面船只、移动式浮标、勘探与航道测量设备等对定位精度要求、服务实时性不是很高的场景，20世纪70、80年代曾被广泛使用。90年代后多普勒测速导航体制卫星导航系统已经被GPS等GNSS系统取代，但由于多普勒定位体制适用于单星或者双星覆盖的场景，仍值得研究和借鉴。

2)iGPS服务

铱星(Iridium)组成的星座是世界上第一个低轨话音移动通信系统，空间段由运行在6个极地轨道平面的66颗卫星组成。2002年，美国波音公司提出了基于Iridium系统的iGPS，iGPS可提供导航、授时服务。iGPS修改了Iridium下行信号体制，利用空闲信道播发脉冲测距导航(PRN)测距信号，调制了Iridium卫星和GPS卫星的导航电文，如图1所示。iGPS接收机测量到每颗可见GPS卫星和Iridium卫星的距离，并解调导航数据。iGPS系统通过地面监测站监测L1频点信号，解算卫星轨道和钟差[3]。

图1 iGPS信号体制

iGPS主要起到导航增强的作用。相比GPS信号，iGPS信号空衰大约低30 dB，通过其高功率信号播发导航电文给用户，辅助用户快速锁定GPS信号，首次定位时间可到秒级。对于强对抗条件下的军用用户，iGPS可以完成对军用终端的粗授时，辅助军用接收机进行军码快速捕获。2009年，iGPS验证了在运动车辆受到强烈干扰环境下的捕获GPS信号的能力。根据美国进行的实际测试，在开阔地区铱星信号引导下，车辆动态条件下定位，首次定位时间由30 min缩短至2 min，定位精度达到亚米量级。

3)STL服务

铱星二代(Iridium NEXT)系统是由铱星公司于2007年提出的第二代低轨移动通信卫星系统[4]。Iridium NEXT卫星主任务载荷为可再生处理式通信载荷，采用时分双工体制，工作于L频段，可通过平板相控阵天线形成48 个用户波束，单星覆盖区域直径约为4500 km。

除提供L频段通信服务外，Iridium NEXT还提供STL服务。STL服务利用铱星系统L频段的1616～1626.5 MHz播发扩频码加密导航信号，带宽25 kHz，帧长90 ms，码速率为每秒25 000个符号，正交相移键控(QPSK)调制。STL信号每一个burst开头为连续波，用于粗测量，burst后续为扩频码序列，用于通过滑动相关实现测距。导航信号内容包括卫星位置、速度、时间等信息，经加密后以广播的形式播发。

STL可起到导航增强和导航备份的作用。STL信号强度高于GNSS系统约30 dB。实测结果表明：在建筑物的第二层，铱星STL服务信号的载噪与GPS信号在开阔地的载噪比相当，守时精度优于1 ms。在收敛时间小于10 min的情况下，水平定位精度达到35 m，如果收敛时间足够长，定位精度可达20 m[5]。在无线基础设施未覆盖的场所，如森林、山区等地区，具有较为广泛的应用潜力。

此外，由于STL信号全部采用加密的形式，因而与完全开放的GNSS民用服务相比具有较强的抗欺骗干扰能力。

2.2 建设中的低轨卫星导航系统分析

国内也在积极发展低轨卫星导航系统。中国航天科技集团和科工集团，高校和商业航天公司都有相应的低轨卫星增强系统规划，比较有代表性的有“鸿雁”、珞珈系统等。

规划中的国家卫星互联网系统除具备通信功能外，还计划提供低轨增强功能。卫星搭载了星载GNSS接收机，实现卫星高精度定轨。卫星使用“信息+信号”综合增强模式，卫星使用L频段播发差分增强信息，同时信号具有测距功能，可增加测距源，改善几何精度因子(DOP)，提高定位收敛速度[6]。

武汉大学研制的珞珈一号卫星具有导航增强功能，其增强模式为接收GPS和北斗系统的双频信号，进行信号的完好性监测，完成自身轨道解算并生成星历，同时对地播发双频点导航增强信号[7]。

商业航天公司也提出了低轨卫星导航系统的建设计划。未来导航科技有限公司发射了微厘空间一号S1试验卫星，进行星载小型化高精度GNSS测量、高精度定轨与处理技术的验证。

ESA正在开展导航创新和支持计划(NAVISP)，计划作为整个欧洲GNSS的重要组成部分。NAVISP系统兼具增强与备份的作用：①增加可见星数量；②低轨信号提供了更高的多普勒，不同的多径特性，提升测量的多样性；③低轨提升信号的落地功率，为城市及室内定位提供了可能。

美国工业界提出300颗低轨卫星组成的普尔萨(Pulsar)导航系统，系统主要瞄准自动驾驶等使用需求：①利用低轨卫星观测几何变化快，提供快收敛的PPP服务；②利用低轨卫星高落地功率信号，提高车辆行驶过程中遇到树木遮蔽、干扰等情况的服务可用性；③对电文进行加密和鉴权，提高服务的防欺骗特性，提高服务的安全性。

在国际上，随着大规模低轨卫星通信星座的规划陆续出台。大规模低轨卫星通信星座具有卫星数量多、覆盖性能好的特点。一网(Oneweb)系统卫星总数720颗(648颗在轨+72颗备份星)，SpaceX公司的星链(Starlink)系统由4425颗卫星组成，轨道高度1110～1325 km[8]。两个系统规划的星座见图2。截至2020年6月30日，OneWeb已发射其中40颗卫星，星链系统已经成功发射538颗卫星，同时也宣布了后续扩展星座至4万颗卫星的计划。Oneweb和Starlink系统目前均未搭载导航增强载荷。国外学者提出了在低轨卫星上搭载导航信号播发载荷，作为独立导航系统的设想[9]。由美军资助的一项研究表明：Starlink还可以具备另一种用途，即成为GPS的军用增强导航系统，具有低成本、抗干扰能力强等特点[10]。

图2 OneWeb和SpaceX的规划星座

3 低轨卫星导航系统发展路线研究

按照低轨导航系统工作方式，功能和性能的不同，低轨导航系统可以分为导航增强系统、补充备份系统和独立导航系统三种类型。在实际设计和建设工程中，三类系统功能并不一定严格区分，在系统建设步骤、系统功能等方面可以部分交叉。

3.1 导航增强系统

3.1.1 系统特征

导航增强系统不单独提供服务，主要解决现有GNSS系统在特定区域、场景下服务性能降低的问题，与基本导航系统共同提供服务，起到扩展服务区域，增强导航性能，提高服务指标等作用。

根据增强的性能指标，增强技术可分为信号强度增强、精度增强、完好性增强、连续性和可用性增强和面向GNSS系统的辅助增强。信号强度增强主要通过功率增强提升播发信号的功率。精度、完好性、连续性和可用性增强分别增强导航服务的定位收敛时间、精度、完好性、连续性和可用性等指标。辅助增强通过低轨卫星实现GNSS系统的信号接收和监测，利用低轨卫星获得的测量值和监测结果，提高GNSS系统轨道、钟差等产品估计精度，间接增强导航服务性能。

根据增强效用产生的载体可以分为信息增强、信号增强。信息增强不提供观测量，通过播发差分信息、辅助信息等来提高导航性能。信号增强是发射信号为用户提供测量信息。鉴于信息一般调制在射频信号中，信息增强、信号增强可以同时使用和产生效果。

导航增强系统一般要求卫星对地面的单重或者双重覆盖，卫星具备导航频点或者近导航频点下行信号、信息播发通道。卫星上安装GNSS接收机以实现低轨卫星自身轨道确定和时间同步。

3.1.2 关键使能技术

1)通导信号一体化播发技术

对于同时兼具导航、通信等功能的卫星，如何实现通导信号一体化播发是需要解决的问题之一。通导信号一体化播发可采用频分、时分以及码分等复用方式中的一种或者灵活组合。

(1)同频正交复用：将调制信号的不同边带或者支路分别用于不同业务服务信号播发，实现导航信号与通信信号同频点复用。

(2)时分复用：将导航信号和通信信号在不同的时隙中交替传输，可根据导航通信需求灵活调整占用的时隙数目。

(3)频分复用：实现卫星导航与卫星通信在同频段共用，导航信号与通信信号同频段内不同子载波进行传输，通过选择不同的带宽满足不同业务信息速率要求，该方法可实现导航信道与通信信道物理上完全分开。

(4)码分复用：利用不同扩频码分别传输导航电文和通信电文。该方式需要考虑和解决远近效应造成导航与通信信号的相互干扰问题。

2)低轨卫星高精度轨道确定技术

低轨卫星轨道主要受两种作用力的影响，一种是地球引力，另一种是大气阻力。地球引力场有较精确的数学模型，大气阻力的强随机性导致难以得到精确的大气阻力模型解算。星载GNSS技术因其具有检测连续、全天候、独立自主、定轨质量高等特点，成为低轨卫星厘米级定轨的最佳选择。

基于星载GNSS接收机的定轨技术主要包括：动力学法、简化动力学法和几何法,其中简化动力学法和几何法能达到2～3厘米级的定轨精度[11]。几何法定轨仅使用伪距和载波相位观测值，相比于简化动力学法不需要使用轨道动力[12]。

低轨卫星轨道的高精度轨道预报可以采用以下两种途径：一是低轨卫星精密轨道确定与轨道预报一同处理，在低轨卫星精密轨道确定后，利用该定轨过程中的相关信息进行轨道预报；二是利用一段弧长内低轨卫星的离散位置信息，采用拟合方式进行轨道预报，常用的拟合方法包括动力学拟合、切比雪夫多项式拟合、最小二乘曲线拟合等。对于低轨卫星的短弧段预报，通过优化算法可以获得24 h内米级甚至更高的精度[13]。

3)高精度时频基准维持技术

对于低轨卫星而言，由于体积、功耗和成本的限制，一般不装载高精度的原子钟，而是采用高精度的晶振。时频驯服与传递利用低轨卫星装载的GNSS授时接收机解算的钟差，进行滤波处理计算出频率偏移量后，利用相应的控制算法计算出加到晶振上的压控电压，达到校正晶体振荡器输出频率的目的，使晶振的振荡频率锁定在GNSS时钟上，从而提高晶振的长期稳定性，实现GNSS卫星授时长期稳定性高和本地晶振短期稳定度高的优势互补。时频驯服与传递可以将晶振的万秒稳指标提升2～3个数量级，从1×10-9数量级提升1×10-12的数量级。方案复杂度相对较低，且可以与定轨通用设备[14]。

3.1.3 系统性能研究

150颗卫星可实现对地表大部分地区的双重覆盖[15]，针对150颗低轨卫星进行了增强性能仿真。仿真条件：卫星播发双频定位信号，轨道确定精度5 cm，钟差预报精度0.15 ns。分别针对高、中、低纬不同用户进行了定位性能仿真(见图3)。

图3 使用低轨增强前后精密单点定位时间序列

图3中不同颜色曲线对应不同系统，颜色与系统的对应关系见图3注。G、C表示单独使用GPS、北斗系统进行定位，GREC表示使用GPS、Galileo、Glonass和北斗系统4个中高轨定位系统进行联合定位，GL、CL表示分别使用GPS+低轨，北斗+低轨进行定位，GRECL表示使用4个中高轨定位系统+低轨进行联合定位。可见使用G、C单系统进行定位时，定位精度优于10 cm需要10 min收敛时间。使用GREC其收敛时间比单系统要短，平均约5.78 min。通过加入低轨导航增强观测数据，GNSS PPP收敛速度能得到显著提升，高中低纬地区，均能实现1 min以内的快速收敛。

3.2 补充备份系统

3.2.1 系统特征

补充备份系统在GNSS不可用的情况下具备独立提供导航服务的能力，保证用户服务的不间断，功能和性能指标允许一定程度的降低。在GNSS系统可用的情况下，补充备份系统平时具备与基本导航系统共同提供服务的能力。

补充备份系统一般要求卫星对地面的双重及以上覆盖，支持终端采用多星单历元、单星多历元多普勒定位解算以及高程辅助等灵活多样的定位模式。系统具备在补充备份期间系统时间保持的能力。卫星具备双频点导航信号播发能力。补充备份系统在工作体制、信号频率等方面应与GNSS系统具有很强的互补性，在GNSS系统遭受干扰或打击时一般不会同时受损。

3.2.2 关键使能技术

为了使能低轨导航星座具有备份功能，需要卫星时频不再依赖于GNSS系统。考虑到卫星平台对单机质量、功耗和体积的约束以及建设成本，片上原子钟技术值得关注。随着片上原子钟等技术的迅速发展，低成本、低功耗、体积小的片上原子钟是最有前景的一个替代方案。图4为Microsemi公司研制的SA.45S型片上原子钟，体积为17 cm3，功耗120 mW，成本1500美元。片上原子钟已经于2017年在NASA的多系统时间传输立方星(CHOMPTT)项目上得到了在轨验证。

图4 SA.45S型片上原子钟

同传统的原子钟相比，片上原子钟的天稳要差2～3个数量级，可达1×10-11的数量级。因此，需要更加频繁的进行钟差参数更新。如果每个轨道周期更新一次钟差，片上原子钟的稳定度可提高至1×10-12，尽管还达不到原子钟的水平，但是可以通过增加电文播发频率，每轨道周期一次(约100 min)，减轻钟差预报误差的影响(见表1)。

表1 片上原子钟性能

3.2.3 系统性能研究

多普勒定位解算算法在工作体制等方面应与GNSS系统具有很强的互补性，可作为多普勒定位解算方法有单历元定位模式和连续观测定位模式2种应用模式。单历元定位模式是指利用单历元多普勒观测信息即可实现用户的实时定位，一般而言，当用户可见星数量≥3时，则可工作于单历元定位模式。连续观测定位模式是指利用多历元多普勒观测信息实现静态用户的联合定位，一般当用户可见星数量<3时，则工作于连续观测定位模式。用户通过记录观测弧段内积分多普勒的变化历程，结合卫星的位置信息，通过一颗或多颗卫星的4个测距量，得到3个双曲面的交点，根据3个双曲面的交点，即可实现对用户的定位[16]。

图5为总定位精度与积分多普勒测量误差的仿真结果。由图5可知，当观测时长10 min时，积分多普勒测量标准差从1 ns到10 ns变化，总定位精度与积分多普勒测量误差的关系见图5。

图5 总定位精度与积分多普勒测量误差的关系

典型积分多普勒测量误差下的定位精度或定位误差随着积分多普勒测量误差的增大而单调递增。在10 min的观测时间内，积分多普勒测量误差小于2.5 ns，可使得定位误差优于100 m。随着卫星数量增加，当覆盖重数增加到二至三重时，定位精度将进一步提高，同时缩短定位时间。

3.3 独立导航系统

3.3.1 系统特征

独立导航系统卫星通过配备片上原子钟等方式维持独立的时空基准，通过载波相位结合伪距等测量方式，具备单独提供服务的能力，功能、性能指标可达到或者超过目前GNSS系统水平。同时，二者兼容互操作，可共同为用户提供更优服务。

独立导航系统一般要求卫星对地面的四重以上覆盖。由于低轨卫星轨道高度的特点，单星的覆盖范围较中轨、地球静止轨道小，因此达到相同的覆盖效果需要更多的卫星数量。随着技术进步以及批产能力提升，星链等系统建设计划发布的卫星数量已远远超过此数字，在技术上可以满足要求。

3.3.2 关键使能技术

1)快速发射与组网技术

低轨卫星独立导航系统的卫星数量远高于中高轨GNSS系统。需要在同样时间内，发射数倍以上数量的卫星。快速发射与组网直接决定了系统建设的速度、成本和效益。一方面，低轨卫星以“低成本、减质量、降功率”为目标，实现一箭多星组批发射；另一方面，需建立脉动式生产线，快速提升卫星的批产能力。

2)大规模运维技术

如按照传统模式进行大型星座的运行，其技术难度和经济成本将不可想象。因此如何在保证准确与高精度的同时，实时控制和维护卫星数量远高于地球静止轨道卫星导航系统的低轨星座卫星的数量，便成为低轨卫星导航系统的关键技术。

3.3.3 系统性能研究

经分析，低轨星座卫星轨道高度1100 km时，1000颗卫星的DOP值将达到1，与GNSS四大系统地球静止轨道星座相当[8]。独立的低轨卫星导航系统可以达到与目前GNSS相当的性能。由于定位误差与DOP值成反比。目前如果低轨卫星数量继续增加，将进一步降低DOP值。DOP的降低意味着用户测距误差(URE)可以增大，在系统对于钟差、轨道的测定和预报误差要求的严苛程度将降低的情况下就可以达到与目前GNSS系统相同的定位精度。

低轨导航系统各阶段特征总结见表2。

表2 低轨导航系统发展路线总结

4 发展技术路径启示与建议

目前的低轨导航系统具有如下发展特征。

(1)鉴于低轨卫星低轨导航/增强系统的良好发展前景，目前规划中的低轨卫星导航系统数量已经超过GNSS系统的数量。各个系统对于导航/导航增强实现途径不尽相同。未来低轨卫星导航领域必将面临激烈的竞争，对我国低轨卫星导航系统的建设速度、服务水平提出了很高的要求。

(2)国外低轨卫星导航系统已经初具服务能力，并且在特定的行业和场景获得了应用。我国国内低轨卫星导航系统目前多数处于演示和在轨验证阶段，技术和管理方面距离正式提供服务还有差距。

(3)鉴于系统的建设成本和技术难度，目前低轨卫星导航系统以增强为主、备份模式为辅，以较少的卫星即可实现导航性能的提升和备份。增强模式采用“信息+信号增强”的模式，多种手段综合提升系统服务性能。考虑到系统建设成本和技术风险，低轨卫星独立导航系统目前还处于学术、技术研究阶段，具备随巨型低轨星座的部署而同步建设的潜力。

通过对国内外发展状况的研究，结合我国国情，给出低轨卫星导航系统发展路线建议，如图6所示。

图6 低轨卫星导航系统发展路径建议

1)对于空间段

第一步：通过60～150颗低轨卫星实现地球单重覆盖。低轨卫星可以是导航专用卫星，也可以是具备装载标准化导航增强载荷的低轨通信、遥感卫星。目前该阶段建设已经启动，多家单位都提出了相应的建设计划。

第二步：通过150～250颗低轨卫星实现对地球的双重覆盖，具备独立定位能力，可作为GNSS的补充备份系统。同时具备和GNSS联合服务的能力，预计在2025年前后实现。

对于第一步和第二步，可以采用统筹建设的方法，系统建成后同时形成增强和补充备份能力。

第三步：400颗以上低轨卫星实现对地球多重覆盖，卫星不依赖于使用低成本星上原子钟、智能大规模运维等关键技术，降低系统建设和运营成本，预计2035年前后实现。

2)对于地面段

地面段主要包括GNSS/低轨监测站、GNSS/低轨数据处理中心，其他数据传输和业务管控等与现有地面设施复用。地面站建设充分利用现有资源，通过新增或者改造实现国内10个监测站，实现高精度伪码、载波相位测量量收集，支撑高精度定轨和钟差确定。

3)对于用户段

终端采用通导一体化设计，根据可见北斗卫星和低轨卫星数量，综合收集观测信息，自主选择定位解算方法，支持多源融合定位，解算模式包括GNSS独立定位、低轨独立定位、GNSS与低轨组合定位以及复杂电磁环境下辅助北斗定位等模式。

5 结束语

随着GNSS在民用、军事等应用领域的不断拓展和深入，对GNSS系统要求越来越高，不仅需要缩短定位时间、提高定位精度、改善恶劣环境下的服务质量，还要求利用其他各种手段实现对导航系统的备份能力。随着国内外各种低轨星座的日益兴起，通过低轨卫星进行导航增强、备份，乃至独立提供导航服务已经成为国内外学术界、工业界关注的热点之一。本文开展了低轨卫星导航系统技术发展研究，提出了我国低轨卫星导航系统发展的建议，低轨卫星导航系统可采用三步走的发展路线，融天基监测、增强信息发播、增强信号发播于一体，综合解决精度、可用性、安全性、收敛时间等需求，为全球用户提供更优良、更可靠的定位导航授时(PNT)服务。