低轨卫星导航系统建设与应用思考

文｜蔺陆洲 邓平科

1.全图通位置网络有限公司

2.中国移动通信集团有限公司研究院

时间与空间信息是智能化建设和信息系统稳定运行的基础。全球导航卫星系统（GNSS）是提供时空信息的重要空间基础设施，在国家经济发展和社会运行中发挥着核心作用。随着导航定位技术应用的扩展，各类信息系统对时空信息的要求也不断提升，需要提高定位和授时精度、缩短定位时间、改善恶劣环境下的服务质量。在低轨巨型卫星互联网星座陆续开展建设、卫星导航相关技术持续提升的背景下，开展低轨卫星导航系统建设成为了可能。在低轨卫星导航系统建设过程中，应当面向导航定位的用户需求和应用场景开展系统建设。在广泛需求调研的基础上，根据用户特点和使用场景，实现低轨卫星导航系统的功能收敛和技术指标的确定，进而完成系统的设计、建设和运行。

一、低轨卫星导航系统的特点与建设思路

1.特点意义

低轨卫星导航系统是指运行轨道一般在距离地面500～2000km之间，由多个卫星构成的提供导航、定位和授时等服务的大型卫星系统。低轨卫星导航系统具有距地近、信号优、低时延、拓扑变化快等优点，而且卫星数量一般在百颗以上，能够较好实现对目标的持续覆盖。定位精度高、收敛时间快是低轨卫星导航系统的重要特点。

在现有基于中高轨道卫星导航系统、地基增强系统已建设运行的基础上，低轨卫星导航系统能够实现信号强度的提升和精度的提高，并缩短收敛时间，形成对现有基于中高轨星座的卫星导航系统的补充、增强与备份，同时具备独立提供导航、定位、授时服务的潜力。从技术上看，在各类低轨巨型互联网星座持续建设的背景下，卫星的组批生产能力得到了保证，星座相对运动演化预报、星座自主导航与定轨、星座变构路径规划、星座自组织协调控制、星座通信与网络服务等关键技术陆续突破。[1]同时，卫星导航技术在星座构型、信号体制、导航增强、导航通信一体化、星间链路与自主运行等方面都有明显提升。[2]这些技术的进步都为低轨卫星导航系统建设提供了重要支持。低轨卫星导航系统的这些特点和意义使其有望成为国家综合PNT 体系的重要组成部分。

2.建设思路

应用是卫星导航的出发点和落脚点，在已经完成北斗卫星导航系统建设的基础上，需要利用军民结合和商业航天的发展趋势，开展我国低轨卫星导航系统建设。由于目前美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo 系统、中国北斗卫星导航系统等主要卫星导航系统，均由国家财政资金支持建设，在近期由国家重复投资建设低轨卫星导航系统存在较大困难。而且随着商业航天在全球范围内的蓬勃发展，根据应用场景以用户需求为主导，按照商业航天模式建设低轨卫星导航系统成为系统发展的重要途径。以商业航天的方式建设低轨卫星导航系统，要求低轨卫星导航系统的建设思路应当从用户需求和应用场景出发，通过场景梳理和需求分析确定系统的功能，明确系统架构、星座设计、信号体制等系统的性能指标，在此基础上开展系统设计并完成建设。同时，作为商业航天系统，在系统建成投入运行后，需要依靠应用获得较好的收益，才能在资金上保障系统的稳定运行。低轨卫星导航系统建设思路如图1 所示。

图1 低轨卫星导航系统建设思路

二、低轨卫星导航系统应用需求

目前，低轨卫星导航系统在地图测绘、交通运输、能源水利、定位通信等方面展现出强烈的应用需求。对应用需求的梳理是确定低轨卫星导航系统架构与性能指标的基础。

1.地图测绘

地图测绘以测绘工程公司、地理信息公司、测绘院和地图生产服务厂商等高校、企事业单位为用户，对低轨卫星导航系统在测绘装备、测绘信息、地图生产等方面提出了应用要求。测绘卫星能够对地形地貌和各类设施进行基础测绘，可在实现精确定位的基础上对地形图、影像地图、数字高程图等地图进行绘制和修正。[3]地图测绘业务需要利用高分辨率光学成像测绘和雷达干涉测绘技术，进一步提高卫星测绘的空间分辨率和时间分辨率。低轨卫星导航系统需要在国土测绘、交通运输、城市规划、资源普查、灾害监测等部门的测绘工程应用中，面向国土资源调查、农业估产、林业调查、地图测绘、海洋环境监测、城市土地利用等场景，满足全球框架基础测绘、重点地区详细测绘和突发事件应急测绘的地图测绘需求。例如，对轨道交通和重要公路的高架桥梁、隧道涵洞与保护带进行扫描，识别基坑、建筑、设施、滑坡、泥石流等形变监测。在当前的测绘工程应用中，低轨卫星导航系统可以利用天地一体化信息系统的优势，在技术上实现导航定位与遥感技术的融合，进一步降低测绘成本。

在测绘装备方面，对当前使用的水准仪、经纬仪、测距仪、全站仪、卫星导航接收机、超站仪等现有大地测量仪器实现升级迭代，建立低轨卫星导航系统支持下、以智能手机和便携式智能移动设备为核心的新一代智能测绘装备，以更低的成本实现现有测绘装备的功能，进一步降低测绘装备的成本，构建测绘的新业态。

在信息获取方面，低轨卫星导航系统需要在不增加测绘成本的前提下，能够支持现有地理信息系统获取包括高精度三维坐标、三维地形图、地貌图等更加丰富的地理信息，具备一个地理实体对象与多种地理实体的数据采集与处理能力。特别是针对当前自动驾驶对高精度地图在高精度和更新频率上的需求，建立在低轨卫星导航系统支持下面向实体数据的快速表达与分发能力。

2.交通运输

交通运输以客运公司、物流公司、中国邮政、交通运输管理部门为用户单位，对低轨卫星导航系统在物流运输系统、无人机、航空器监视等方面提出了应用要求。在现有卫星导航系统不能支持高精度机械控制和低小慢航空器管理的条件下，低轨卫星导航系统在高精度实时动态导航和动态监测将会取得较好的经济效益。

在交通与物流方面，地面交通与物流配送的快速发展使得交邮融合成为了交通运输智能化的重点领域。2021年全国快递达1085 亿件，收入超1 万亿元，极大改变了人们的生活方式。[4]特别是随着无人化交通与物流系统的迅猛发展，客运企业和物流企业为降本增效，均将发展聚焦于自动驾驶和无人化配送，以无人驾驶车辆为主的出行和无人机为主的配送将成为未来发展的重点。低轨卫星导航系统对无人化系统在地图测绘业务的基础上可以提供时空信息支持，实现在较低费用下海量无人化交通运输系统用户的个性化高精度作用需求。

在监控与管理方面，现有对交通运输系统的监控管理手段不足，例如在航空监视方面，传统航空器状态监视采用二次雷达系统，协调的工作量大，且地基ADS-B 系统覆盖还不完善。随着无人交通运输系统的增加，对重点区域的管理需要进一步加强。以无人机为例，2021年我国无人机实时飞行约3.86亿架次，无人机实名登记达83 万架。中国区域的无人化交通运输系统至少需要跟踪监视11000 个动态目标，全球范围内至少为144000 个动态目标。[5]利用低轨卫星导航系统可以对低空空域、限高限速区域、禁入区域等重点地区的无人交通系统的运动状态、路线进行跟踪、预警和监视，记录非法和违规的行为，辅助政府部门进行管理。

3.能源水利

能源水利以水库大坝、石化油气、电网场站等能源公司和管理部门为用户单位，对低轨卫星导航系统在坝体形变、水位环境、输油输电管线与燃气管廊监控方面提出了应用要求。对现有的监控手段进行进一步的升级，能够满足环境感知、资源调度指挥等业务对时空信息的需求，支持全天候、全天时、高精度、低成本的监测与控制。

在能源水利领域，我国输电线路、油气管廊和水库大坝的数量众多、分布范围广大，需要在现有使用无人机巡线的基础上，应用成本更低的状态感知手段。截至2021年底，全国电网35 千伏及以上输电线路杆路长度为18.82 亿米，35 千伏及以上输电线路回路长度21.56 亿米，220 千伏及以上输电线路回路长度84 万千米，电网规模位居世界第一。[6]同时，截至2021年底，我国油气管道总里程达到16.5 万千米，其中天然气管道里程全球排名第四。[7]截至2021年底，全国已经建成了水库水坝9.8 万座，总库容8983 亿立方米，修建各类河流堤防43 万千米，且80%为改革开放前修筑，经过多年运行，其中绝大部分处于病害高发危状态，需要进行密切监控。[8]低轨卫星导航系统可以使用高精度定位匹配光学遥感监测线网和管廊周边的环境变化和施工建设状况，监测水体的水质、氮磷含量或水华等变化情况；使用微波遥感监测水库和大坝形变状况和水位变化情况。同时使用InSAR 技术监测地面沉降状况。低轨卫星导航系统在能源水利领域的应用可以为企业和管理部门提供成本更低的解决方案。

4.通信导航

定位通信以游轮与海轮、特定区域通信为用户单位，对低轨卫星导航系统在定位通信一体化方面提出了应用要求。需要系统在信号、信道、接收处理、网络架构、网络管理等多个方面支持通导一体化应用。[9]

在海洋定位通信方面，针对海运公司的远洋货轮和游轮，在现有海事卫星和定位终端应用的基础上，提供成本更低的通信导航一体化服务。低轨卫星导航系统需要在实现高精度定位增强和位置报告的基础上，提供双向通信服务，能够支持船上个人的低速网络通信服务，船载CPE 高速通信服务，还能够支持集装箱、关键设施建工等船载物品的低速通信。

在特点区域定位通信方面，针对新疆、西藏等西部地区地广人稀、建设地面通信系统成本高昂的问题，低轨卫星导航系统在实现高精度定位增强和位置报告的基础上，能够支持此类特定区域内个人、单兵电台车载CPE 等特种设备的低速与高速通信，提供应急与安全服务专线服务。

三、低轨卫星导航系统构架与性能指标

以商业航天的方式建设低轨卫星导航系统，需要根据其在地图测绘、交通运输、能源水利、通信定位方面的应用场景，对低轨卫星导航系统的架构功能、性能指标开展研究设计。作为综合性的空天地一体化信息系统，低轨卫星导航系统需要提供灵活的通信、敏捷的测绘以及可信的导航增强，通过天空地链路连接成一个一体化的互联网络，从而满足高覆盖率、高定位精度、高数据传输率的综合任务要求。

1.系统构架

低轨卫星导航系统需要实现导航、通信与遥感的技术融合，以“一星多用，多星组网，星地协同，智能处理，组网传输，按需服务”为核心理念。[10]可以采用SDN/NFV/ISL 的技术，基于软件定义卫星、星间链路及虚拟化技术构建在轨功能灵活可重构的云卫星星座。通过星间与星地链路实现在轨卫星的灵活配置，实现软件功能与任务的再定义，最大程度地利用卫星的能力。在SDN 的基础上，进一步采用网络功能虚拟化技术（NFV）实现功能与硬件的分离。

2.星座与卫星设计

低轨卫星导航系统在星座设计方面采用混合星座，实现通信、导航、遥感一体化应用。星座优先选择500 ～800km 的LEO 轨道支持通信、导航、遥感一体化功能的实现。同时可在8000 ～10000km 的MEO 轨道补充部署8 ～12 颗中轨卫星。一期建设可在780km 的LEO 轨道部署80 颗卫星，实现中国境内区域4 ～10 重的覆盖。在卫星平台方面，综合应用100 ～400kg 的通用卫星平台，通过灵活使用多波束天线、主被动激光反射器、激光与微波混合星间链路等载荷与技术，实现高精度定位、高时间分辨率与高空间分辨率的对地观测、高通量低时延的通信、海量低功耗的物联网通信等功能。

3.地面系统

低轨卫星导航系统的地面支持系统使用网状通信，实现系统测控与运管的一体化，通过建设1 个时空大数据智能云中心和3 ～4 个测控/运控一体化站，兼顾地面接收与数据预处理，实现集约化的卫星在轨维护，同时根据用户需求和任务需要，面向地图测绘、交通运输、能源水利用户建设多个地面用户数据中心提供专用服务。

4.性能指标

1）在导航定位方面，系统可利用星载微波+主被动激光载荷进行定位，利用卫星播发星历进行初始对准和快速定位，利用双向通信进行野外数据的快速传输。具有定位精度高、抗干扰能力强等优点，并可将激光双向主被动星地测量用于地面设备定位，其技术指标要求为：广播星历精度优于1m，广播星历更新频率优于1h，广播星历生命周期优于4h，星载激光载荷尺寸优于500mm。

2）在通信方面，系统需支持手机通信的卫星互联网服务，具备手机直连能力，并支持基本的话音、短消息、中低速数据通信等基本功能。其技术指标要求为：卫星上行通信速率优于100kbit/s，接收灵敏度优于-140dBm；卫星下行通信速率优于1000kbit/s，天线口面发射功率优于41dBW。在高速通信方面，支持人员、车辆和轮船的应用，考虑人、车、船的状态监控方面位置与状态报告频率优于1秒，星座系统在中国区域可支持1800 万辆无人车、无人船和无人机及80 万～100 万人的高速通信。在低速通信与物联网应用方面，位置与状态报告频率优于300 秒，星座系统在全球区域可支持1.2 亿个低速终端，单星在应急通信方面支持2000 用户的并发概率，星座系统在中国区域可支持1 千万人的应急通信服务。

3）在遥感方面，能够支持对业务对象的亚米级快速数据采集，高时敏性的动态调度，可以考虑部署小型化SAR 载荷。系统的技术指标为，空间分辨率0.5m@5km×5km；2m@20km；10m@100km。时间分辨率为30 分钟内的数据快速处理与分发@星间链路支持。星上存储容量优于10TB。对天面星间链路可采用Ka 波段星间链路，速率优于20Mbit/s@15000km，激光星间通信速率为10Gbit/s@5000km。具备星云网络的数据解析能力。

四、结束语

随着导航定位、卫星互联网技术的发展和巨型星座建设工程实践的推进，在一个星座中同时具备通信、导航、遥感等多功能的趋势越来越明显，以商业航天的方式建设低轨卫星导航系统，能够在较短的时间内以更加高效的方式实现系统的快速建设与服务的提供。在低轨卫星导航系统的建设中，必须克服系统功能单一、卫星成本高、应用效益低等问题，根据应用场景的需求确定系统的功能架构与性能指标，开展系统的设计、建设和运营，以行业应用为牵引，逐步扩展到大众应用。在此思路下开展低轨卫星导航系统的建设，将成为我国综合PNT体系的重要组成部分，具有广阔的发展空间。