导航通信融合定义、方式与典型系统

倪少杰，黄新明，张鹏程

(国防科技大学电子科学学院，长沙 410073)

0 引言

目前，国际上有四大全球导航系统和两大区域导航系统。这些系统正以前所未有的渗透力影响着各行各业，但随着用户需求的不断发展和复杂环境下的应用拓展，卫星导航面临着巨大挑战。卫星导航在各种复杂环境下，已经不能满足用户的个性化定位需求，为了适应各种精度、完好性等需求，发展了卫星导航及各类增强系统，但均不能满足目标在各类复杂环境下的应用。

对于未来的空间信息系统，导航通信融合是发展的大趋势，导航通信深度融合是智能时代设施升级的必然要求，未来应实现定位、导航、授时、遥感、通信五位一体组网，共同打造空间信息网络。导航与通信深度融合同时也是综合定位导航授时(Positioning，Navigation and Timing，PNT)体系的关键支撑技术，作为空间信息网络的2个核心基础技术，导航与通信可以提供时空基准信息和连接通道。导航通信深度融合已经成为卫星导航和通信领域的研究热点。导航通信融合是指通过信号、设备及功能等不同角度实现导航和通信技术的融合，进而实现导航和通信系统间的优势互补和增强。

1)通信可以增强导航的性能，扩大PNT覆盖范围，提高导航的精度、功率和提供辅助信息，同时可以作为系统备份，在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)被拒止后继续提供PNT服务。

2)通信可以提升PNT服务的智能化，利用通信系统对PNT原始信息进行收集，通过大数据挖掘提炼PNT信息统计规律，进一步提升PNT服务的性能，包括加强战场感知、实现战场无缝隙感知、实施全程透明化指挥、构建起全维预警体系；实现智能控制，实现武器装备智能化控制和武器装备物联网管理；加强精确作战保障，做到生命体征动态监测、物流体系高效运转。

1 卫星导航通信融合架构与方式

1.1 导通融合架构

通导融合体系旨在打通卫星、导航之间的信息桥梁，利用天地互联、统一基准实现时空融合，利用数据挖掘、智能处理、协同传输，实现在任何地方、任何时候的信息获取、高精度定位授时、多媒体通信服务以及通信、导航卫星系统与地面系统之间的智能化集成应用。

导通融合架构主要有4个方面：以时空基准融合为前提，以硬件平台融合为基础，以信息协议融合为核心，以传输波形融合为深度融合的关键，共同构成导通融合架构，如图1所示。时空基准是导航和通信系统融合的基础，是构建空天地水一体化信息网络的前提。时空基准融合通过打通导航通信遥感融合的时间戳，以卫星导航为核心构建，与通信系统完成时间同步与溯源，实现时空基准融合。

图1 导通融合架构Fig.1 Navigation and communication fusion architecture

1.2 导通融合方式

从导通融合的技术层面进行划分，分为波形融合、信息融合和硬件融合，如图2所示，其中波形融合和信息融合也会同样驱动硬件融合，这里着重介绍信息融合和波形融合。

图2 导通融合Fig.2 Navigation and communication fusion

(1)硬件融合

硬件融合是指在架构层面将系统实现和应用实现两者进行组合，是导通融合架构的基础。硬件融合的关键平台是卫星载荷，卫星载荷集导航、通信、遥感等功能于一体，相互组网，实现多维度信息的实时获取与融合应用。

硬件平台融合的重要一环是多源融合终端与应用终端相互通联融合，是导航通信遥感融合应用的基础。

(2)信息融合

信息融合是指在协议层面将导航和通信进行一体化设计，是导通融合架构的核心。在未来的导航设备中，GNSS+惯导深组合会成为一个基础标准组合，通信系统的信息辅助会进一步提升深组合的精度和灵敏度。

通信惯导辅助下的导航性能受辅助信息的精度等级与信号特性两者的共同影响，如图3所示，具体影响程度如表1和表2所示。

图3 惯导与通信系统提供的辅助信息Fig.3 Auxiliary information provided by inertial navigation and communication systems

表1 通信辅助的信息精度等级

表2 惯性器件辅助的信息精度等级

捕获灵敏度有约10dB左右的提升，跟踪灵敏度最多有约15dB左右的提升，灵敏度分析结果如表3和表4所示。

表3 捕获灵敏度

表4 跟踪灵敏度

导通融合可以提升导航接收机的抗欺骗性能，利用通信与惯导提供的辅助信息可以与卫导测量值进行交叉验证，以提高接收机识别欺骗干扰的能力。通信与惯导提供的辅助信息不仅能提高卫导接收机的灵敏度和拒止欺骗信号干扰的能力，还能在深组合中提供可信的频率辅助，有效防止接收机跟踪到欺骗信号，从而提高接收机抗欺骗干扰的能力。针对不同的欺骗攻击场景也有不同的抗欺骗方法，如表5所示。

表5 欺骗攻击场景与抗欺骗方法

通过分析非饱和压制干扰对接收机等效载噪比的影响并与接收机灵敏度进行对比，计算出干扰有效作用范围，重点分析捕获和跟踪薄弱环节，判断辅助信息对抗干扰能力的提升。

在阵列抗干扰能力为90dB的情况下，随着辅助性能的提升，干扰有效作用范围大幅缩减至常规武器可打击范围内，结果如表6和表7所示。

表6 捕获阶段干扰有效范围

表7 跟踪阶段干扰有效范围

(3)波形融合

波形融合是指在物理信号层实现导航和通信的深度融合，是导通融合架构的延伸。在系统频点和带宽选定后，波形融合需要考虑的是针对导航和通信的具体需求进行时间、频率带宽以及功率的分配，可以有三种模式，如图4所示。

图4 三种波形融合方式的信号图Fig.4 Signal diagram of three waveform fusion methods

1)时分导航信号：周期播发短突发导航信号；

2)频分导航信号：设定独立导航信号播发带宽；

3)宽带功率控制导航信号：在通信信号上叠加高带宽低功率导航信号。

三种波形融合方式是在频率带宽一定的条件下实现导航性能和通信性能的平衡，但相较于完全独立的导航信号，在性能上存在相应的折中，需深度结合需求进行相应选择，如表8所示。

表8 三种波形融合方式性能

2 典型导通融合系统

2.1 5G室内定位

针对室内应用的主要场景，对于定位的需求在于高精度(厘米级)、低成本、低功耗以及云端信息收集。

厘米级的室内定位主要依靠超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术、视觉和惯性器件共同实现，如图5所示。

图5 室内厘米级定位的无线电解决方案Fig.5 Radio solution for indoor centimeter-level positioning

基站通过UWB信号和定位标签进行通信，实现标签的定位功能；待定位的人员、资产上需佩戴室内定位标签。标签发射UWB信号，与基站相互通信，使标签自身被定位；定位引擎运行定位算法，实时计算出待定位标签的坐标位置；定位引擎计算出的标签坐标可在显示终端上呈现。

UWB定位技术一直在快速发展，苹果公司欲把UWB技术集成到手机芯片中，UWB会成为类似于WIFI类的基本定位设施，其技术指标如表9所示。

表9 UWB的技术指标

5G基站布设密度大，基站时间同步精度为1.3μs，但从定位信号频段和时隙的设计上，其能够达到的定位精度低于UWB信号体制，需要重新审视将5G作为室内定位的主流解决手段的观点，深化5G在典型应用场景下的定位性能和成本等分析，同时还要关注未来智能应用的使用模式，智能车道+智能车、智能场景配置、视觉+惯导的发展。

2.2 导航与低轨卫星系统

北斗+低轨卫星的导通融合功能有如下分类：

(1)基于低轨卫星的BeiDou增强系统

导航增强信息播发，构建广域高性能导航增强系统。

(2)基于低轨卫星的BeiDou备份系统

低轨卫星平台增发导航信号，提升导航系统遮挡、拒止环境下的生存能力；

构建多轨道卫星联合平台，提升导航系统的自主运行能力。

(3)基于低轨卫星的PNT信息验证

如图6所示，可以利用低轨卫星通信功能，结合多种信息源形成PNT信息验证能力，提高抗欺骗性能。

图6 低轨导通融合系统+GNSSFig.6 Low orbit navigation and communication fusion system plus GNSS

通过导航与低轨卫星一体化设计可以实现更大范围内的通信，可以覆盖海洋和人员稀少地区；可以增强导航信号，提升导航系统抗干扰欺骗能力；可以支持快速地整周解模糊，实现高精度定位；可以降低整体系统建设成本，提高频谱利用率。

导航与低轨卫星一体化建设也面临着许多问题，两者所需的覆盖性不同，通信仅需单覆盖，导航需多重覆盖，对卫星数量以及天线的设计要求也不同；在频谱设计上，通信设计目标是提高通信容量，导航信号需要提高测量精度，而一体化设计的重点是频率资源、时间资源以及功率资源的分配；通信系统对低轨卫星的时间频率同步要求不高，但导航服务要求低轨卫星具备精确的时钟；导航系统通常采用广播信号，从而服务更多用户，而通信系统需要进行双向通信，实现点对点通信。

3 结论

卫星移动通信和卫星导航融合已经成为不可逆转的发展趋势，国外先进国家大多建立了大容量、系列化和小型化终端的卫星移动通信网络，为其国家经济发展提供通信保障。终端具备卫星通信、地面通信、卫星导航等一体化功能(即天地一体、通导一体)，可同时提供通信服务和位置服务。

目前，我国正推进空间基础设施建设，当前面临的问题是我国现有的导航、通信卫星系统各成体系、军民孤立、信息分离、服务滞后。北斗导航卫星具有短报文通信能力，但不具备宽带数据传输能力；通信卫星尚无自主的业务化卫星移动通信系统，对导航等天基信息的传输保障能力受限；且在服务模式方面主要面向专业用户，尚未服务大众。

因此，随着卫星系统的快速发展，导航与通信深度融合技术将得到进一步发展，导通融合是一个多应用场景、多需求、多系统的复杂问题，无法用一套方案解决导通融合，需要对通信系统进行梳理，结合典型应用场景和需求，明确具体系统的改造方案和发展图景，主要体现在：

1)如何一星多用、多星组网、天地互连、多网融合，让系统联通起来，实现天地一体化的网络，实现全球陆、海、空、天无缝通信与导航。

2)统一基准、关联表征、数据挖掘、知识发现，实现时空与信息融合；需要研究星地协同、组网传输、智能处理、按需服务，让服务畅通。

3)通信与导航信号一体化设计，信号层的深度融合，实现信号的统一处理和应用的深度融合。