基于低轨星座的PNT性能提升技术与能力分析

卢鋆 宿晨庚 吕飞仁 姜坤 杨晓珩 唐成盼

(1 北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094)(2 中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都 610036)(3 中国科学院上海天文台,上海 200030)

全球卫星导航系统的技术发展和应用产业极大地牵引了卫星导航发展需求,使各卫星导航国家愈加关注更高精度、更加可靠的PNT服务。我国北斗三号全球卫星导航系统已经建设完成并顺利提供服务。如何进一步提升卫星导航系统的服务能力以及提供弹性PNT服务能力成为未来工作重点。综合PNT体系建设中也明确提出了以北斗为核心,多手段融合的体系建设新架构[1]。为形成高性能和弹性PNT新能力,发展相互赋能、有效互补的融合增强和备份定位手段成为未来综合PNT体系建设的重要组成部分[2]。

低轨星座具备运行速度快、信号传输路径短、功率损耗低等特点,受到世界卫星导航领域的关注和青睐,有望成为新一代卫星导航系统发展的新增量。利用低轨星座实现PNT能力提升,主要有两方面贡献:一是导航增强,重点提升空间信号精度、完好性、安全性、加快精密单点定位(Precise Point Position,PPP)收敛速度等;二是提供弹性应急PNT服务,在卫星导航系统短时区域拒止情况下,通过非导航频段,如通信频段信号为GNSS提供弹性备份能力。具体有三种实现方式:①可通过低轨导航卫星平台及轨道设计,播发与GNSS兼容互操作的导航增强信号;②可利用低轨通信卫星播发导航通信(导通)融合信号;(二者均可实现导航增强,主要区别是播发信号频段不同,播发信号与GNSS兼容互操作性能不同,最终实现的代价和效能也有区别)③在低轨星座规模较大时,低轨星座如希望独立提供定位导航授时服务,则星座规模要保证全球至少四重以上均匀覆盖且具备良好的空间位置精度因子(Position Dilution of Precision,PDOP)值,同时,也需要高精度时空基准独立建立与维持、巨型星座运行维护和终端适应低轨卫星频繁切换。第三种方式星座规模大、低轨独立定位需求不显著,见诸文献较少,本文重点讨论前两种方式,现有文献[3-9]分析了低轨卫星导航增强能力,文献[10-13]对低轨导通融合实现导航增强和弹性PNT服务开展了研究,尚未有论文综合全面分析两种低轨导航增强的能力特点、关键技术和实现代价。本文旨在系统阐述基于低轨星座的PNT性能提升能力,并深入分析对应的关键技术和实现代价,以此提出低轨导航发展的相关建议。通过本文研究,有助于进一步探索低轨星座的潜力,促进卫星导航系统的发展,并为低轨PNT性能提升技术的研究和应用提供参考。

1 国内外低轨研究现状

国内外对低轨卫星开展了大量研究工作,如表1和表2所示。总体来看,美国肖那(XONA)、真点(TrustPoint)低轨导航增强系统和国内的微厘空间系统等,采用了低轨导航卫星平台及轨道设计,星上实现含导航频段在内的导航增强。美国的星链系统和国内的虹云系统等,重点基于通信星座的导通融合,可实现弹性PNT服务。

表2 国内部分低轨导通融合星座Table 2 Fusion constellation of LEO satellites in China

1.1 国外低轨导航增强研究情况

美国计划在现有铱星通信系统中,增加广播授时和导航信号的载荷能力,备份现有GPS能力[14]。根据美国2016年发布的授时和定位服务白皮书,铱星定位精度仅能达到20～50m,所以美国将铱星星座最终定位于静态定位和授时[15]。星链是美国SpaceX公司的项目,旨在通过约4.2万颗卫星组成的“星链”网络提供互联网服务。国外学者对星链卫星信号进行盲捕,并通过载波跟踪的方式进行测距,三维定位精度最终能达到33.5m;在高程辅助条件下静态水平定位可达10m,但这需要通过较大口径高增益相控阵天线,保障多星的快速切换接收,并通过静态长时间接收累积[16]。SpaceX公司随后投资了美斯坦福大学设计研发的肖那低轨导航增强系统,计划2026年前建成面向高精度领域的低轨卫星导航星座[17]。2023年4月14日,美国初创公司的真点系统发射首颗商业资助的PNT低轨导航增强卫星, 名为“是时候了”(It’s About Time),开展低轨导航增强星座的先期验证。该星座利用低轨星座高动态和高功率的特点,以低成本实现安全的分米级高精度PNT服务,可提升GPS服务的定位性能、安全性和可靠性。

2022年,俄罗斯国家航天集团(Roscosmos)宣布,俄罗斯联邦政府已批准联邦“Sphere/Sfera”(球体)多卫星轨道星座项目,用于卫星定位导航、地球监测和通信[18]。英国脱欧后曾考虑利用一网(OneWeb)通信系统替代伽利略系统,但由于无法提供准确的定位服务,2022年宣布放弃。欧洲航天局(ESA)部长理事会于2022年宣布“未来导航”(FutureNAV)专项计划,通过投资商业航天企业,研制并发射12颗低轨导航卫星,与中高轨导航卫星协同工作,进一步验证基于低轨导航星座的快收敛、高精度、高安全、高完好性等关键技术[19]。加拿大Telesat计划部署298颗低轨通信卫星,采用了极地轨道和倾斜轨道的混合星座,播发Ka频段的通信信号,同时可通过多普勒定位的方式提供备份的定位服务。2023年慕尼黑导航峰会,印度介绍了其低轨卫星发展意向,通过8颗可见低轨通信卫星,采用多普勒定位的方式可实现20m以下的定位精度。阿联酋在国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)第18次609磋商会议中加入了其低轨试验卫星NSAT01.001资料,后续将发展12个轨道面,每个轨道面8颗卫星的低轨星座,以实现通信和导航备份能力。

1.2 国内低轨导航增强研究情况

在基于低轨卫星实现PNT性能提升方面,我国学者也开展了相关研究以及在轨试验。多位学者对低轨卫星提升完好性、优化卫星几何构型、提升精密单点定位性能等方面开展了仿真研究。微厘空间采用低轨导航卫星平台及轨道设计,开展了低轨导航增强在轨验证,为形成高性能PNT能力积累了关键技术突破和工程建设经验[20]。我国国家卫星互联网系统正式启动建设,也充分考虑了通信导航协同发展需求,可通过导通融合实现移动通信与导航定位相互赋能。

2 低轨星座对PNT能力提升

低轨卫星位于低地球轨道,轨道高度一般在100～1200km。相较于GNSS,低轨卫星具备以下独特的优势:①制造与发射成本低,低轨卫星质量轻,可通过一箭多星等方式发送,单颗全球卫星导航系统卫星的平均制造与发射成本相当于几十颗甚至数百颗低轨卫星的成本;②信号传播损耗小,抗干扰性能强,低轨卫星信号传输路径短,传播损耗小,相同发射功率情况下,落地功率比中高轨卫星高1000倍,可显著改善复杂地形环境和电磁环境的定位精度,提升抗干扰和反欺骗能力;③运动速度快,高精度定位收敛时间短,低轨卫星绕地球旋转一周时间远小于中高轨卫星(飞行速度6～8km/s),几何构型变化比中高轨卫星快40倍左右,易于高精度定位快速收敛[5-6]。基于低轨卫星这些独特的优势,低轨卫星逐步形成了导航增强和实现弹性PNT两种PNT性能提升能力,如图1所示。

图1 基于低轨星座对PNT能力的提升Fig.1 Navigation augmentation capabilities based on LEO constellations

2.1 导航增强服务

低轨卫星搭载星载GNSS接收机,并播发导航信号,可实现导航增强服务,主要包括全球天基监测和全球准实时高精度等。

1)全球天基监测

全球天基监测是利用全球组网的低轨星座对GNSS卫星实时观测、实时处理并提供性能分析与评估的一项服务。该服务将使GNSS空间信号精度、完好性等指标得到大幅提升。

(1)空间信号精度提升

低轨卫星搭载星载GNSS接收机形成天基监测站,与地面监测网相比较,低轨卫星接收GNSS卫星信号时所受电离层、对流层影响较小,具备跟踪弧段长、多重覆盖和多路径效应小等优点,可以明显改善GNSS卫星观测几何构型。因此,联合地基与低轨监测站数据,通过高中低轨卫星联合精密定轨与钟差处理,可提高GNSS轨道以及钟差解算精度,有效弥补地基监测网在空间覆盖上的不足[21]。表3显示了高中低地联合定轨的仿真评估情况。加入12颗轨道倾角为55°的低轨卫星后,利用文献[4]的方法计算平均轨道测量误差(User Range Error, URE)和空间信号测量误差(Signal-In-Space Range Error,SISRE),高中低地联合定轨后北斗卫星的URE提升到0.012m,SISRE提升到0.118m。

表3 高中低地联合定轨精度评估Table 3 Accuracy evaluation of combination orbit determination m

(2)全球完好性增强

低轨星座卫星之间配备星间链路,具备高速、大容量、实时传输信息能力,可支撑导航信息常态化、低延迟、高并发传输,实现全球范围内低轨星载GNSS接收机整网观测数据实时下传以及星座整网数据同步。借助低轨星座全球分布以及常态化运行的“信息高速公路”,理论上可将完好性告警时间缩短至6s以内,符合一类精密进近(CAT-I)指标,实现相比于传统导航星座更高等级的完好性服务[4]。低轨卫星配置SAIM载荷,可一定程度保证自身完好性,对中高轨卫星全球五重覆盖,可容忍双故障。仿真分析轨道倾角为55°,星座分别为Walk 30/3/1、Walk 33/3/1、Walk 36/3/1的LEO卫星对北斗卫星的覆盖重数,如表4所示。其中,33颗LEO卫星则可实现对中高轨卫星全球五重覆盖,实现完好性监测。

表4 全球完好性仿真情况Table 4 Global integrity simulation

2)全球准实时高精度

全球快速高精度定位服务的关键点在于:①导航卫星增强信息的播发,根据香农定理,信道容量与信噪比正相关,低轨卫星信号落地功率高,因此可播发更高速率的增强信息;②GNSS信号结合低轨卫星测距信号可以改善卫星几何构型变化,降低参数间耦合性,从而缩短精密定位所需时间,实现全球快速高精度定位。搭建仿真场景,验证低轨星座对精密定位的提升情况。仿真星座为北斗三号空间星座叠加144颗1100km高度的近圆低轨卫星组成的空间星座,其中低轨星座为平均分布于12个轨道平面的Walker星座,轨道倾角为55°。仿真场景构建参数见表5。

表5 仿真参数Table 5 Simulation parameters

加入低轨星座前后,站心坐标系中的东向(E),北向(N)和天向(U)的定位误差如图2所示,图中地面站选择为位于中国武汉的接收机。加入低轨星座后,厘米级定位精度的收敛时间由20min提升到小于1min,可显著提升用户体验,扩展高精度定位应用场景。

图2 高精度收敛情况Fig.2 High precision positioning convergence

3)基于导航增强信号的可信认证

卫星导航系统通过接口控制文件公布信号的细节,推广了卫星导航的应用,但是也使得信号面临被伪造攻击的威胁。随着卫星导航应用越来越广泛,时空信息的可信度变得越来越重要,可信认证正逐步成为GNSS设计发展的趋势。

通过低轨导航信号可实现对GNSS信号的认证,主要认证方式有电文认证和扩频码认证两种[22]。电文认证常用的TESLA认证,通过在低轨导航信号中发送GNSS电文密钥信息,扩频码认证是将GNSS信号的部分伪码加密,然后通过低轨导航信号发送密钥信息,二者主要目标是使干扰方无法进行生成式欺骗[23]。

2.2 弹性PNT服务

弹性PNT服务是指不依赖GNSS的独立定位授时或者对GNSS服务的可信认证。在导航频段短时区域拒止的情况下,低轨通信卫星通过信息传输链路可快速播发可信认证信息,告知用户GNSS信号的可信状况。同时,低轨卫星通过播发导航频段以外的信号,可为用户提供备份服务。

1)导航应急备份服务

卫星导航信号所在信号频段是公开的,在传统GNSS信号短时区域拒止情况下,用户终端可利用导通融合信号实现独立于GNSS的降阶备份导航。低轨星座实现降阶备份导航的主要工作模式是:用户终端识别卫星导航信号不可用的告警信息后(可通过可信认证等手段实现),转为使用低轨卫星播发的导通融合信号实现独立导航(导通融合信号所在频段未受到干扰)。目前,L频段、S频段(2～4GHz)被广泛应用于卫星移动通信,无线电测定业务、无线电测控链路等,频谱资源较为紧张。Ka频段(27～40GHz)带宽资源多,可支持更大的业务容量、信号增益大,成为了宽带互联网的优先选择。低轨卫星利用宽带互联网Ka频段播发导通融合信号,信号频率带宽可达到3GHz,落地功率比传统导航信号高30dB,使信号的抗干扰能力极强,可作为我国北斗导航授时服务的备份手段,大幅拓展定位授时服务应用场景和范围,提高服务可靠性和连续性。导通融合信号以通信无失真高速传输为前提,在低轨卫星低成本,大规模的约束下,定位能力有限,提供导航降阶备份服务。分别选取两颗低轨卫星对单星定位进行仿真,其中低轨卫星轨道高度1150km,轨道精度1m,多普勒观测精度为1Hz,经过长时间收敛后,单星定位精度可达到50m以下的定位精度,实现降阶的导航服务,如图3所示。

图3 单星定位性能Fig.3 Single satellite positioning performance

2)基于通信信号的可信认证

基于低轨通信信号也可实现对GNSS信号的可信认证。在电文认证中,导航信息的低符号率限制了电文认证的安全性,可能面临重放攻击的威胁。扩频码认证可免疫重放攻击,但是需要向接收机授权密钥分配或存储信号样本,对通信容量或存储能力提出了要求。低轨通信信号通过通信高速传输链路,可提高信息播发速率,提升电文认证的安全性,同时也解决了密钥分配通信容量问题,能够及时有效的为用户提供可信认证服务。

3 低轨导航增强关键技术

低轨星座为用户提供导航增强和弹性PNT服务,前者重点是性能提升,一是要接收GNSS信号完成全球天基监测,二是播发与GNSS兼容互操作的导航信号,可大幅改善用户终端兼容性,提升应用范围;后者突出弹性服务,通过非导航频段信号提供降阶备份服务,关键在于导通融合信号设计与终端接收处理。

3.1 导航增强关键技术

1)星载GNSS接收及处理技术

低轨卫星实现导航增强,首先要建立与GNSS统一的时空基准。考虑到低轨卫星低成本、大规模的特点,在低轨卫星上搭载高稳晶振,并通过星载GNSS接收机向中高轨GNSS卫星溯源,是解决低轨卫星时空基准问题的理想解决手段。

低轨卫星运动速度快,接收GNSS信号多普勒大,给星载GNSS接收带来一定的挑战,需要综合权衡环路带宽和测量精度需求,通常可以采取动态环路参数或者辅助跟踪的方式。除此之外,星载GNSS处理技术涉及到低轨卫星精密定轨与钟差解算,主要方法包括星上自主定轨与地面联合定轨两种。星上自主定轨技术是利用GNSS星载接收机数据以及地面上注的GNSS增强信息,实现低轨卫星的精密定轨与钟差确定;此方法一般采用星上精密单点定位+动力学的方式,由每颗卫星自主计算各自轨道和钟差,适合超大型低轨星座的时空统一与维持。地面联合定轨技术实时传输星载GNSS接收机数据至地面信息处理系统,由地面信息处理系统实现高精度轨道与钟差解算,如图4所示。

图4 星上自主定轨与地面联合定轨Fig.4 On-board autonomous orbit determination and ground joint orbit determination

2)低轨导航增强信号体制设计

导航频段和通信频段的低轨信号均可实现导航增强,但导航频段的低轨信号对传统中高轨GNSS信号可较好兼容与互操作。为在用户接收终端层面实现良好的兼容共用,低轨导航增强应重点选择导航频段的信号,适当兼顾通信频段播发。设计低轨导航增强信号,需要综合权衡载波频率、调制方式、码速率和电文编排等因素[24]。

低轨导航增强信号的载波频率设计需要满足频率资源和ITU规则约束,同时需要考虑与已存同频带业务(或邻近频段业务)的兼容性与互操作性。目前1575.42MHz和1176.45MHz是兼容互操作主用频段,可作为推荐的低轨导航增强信号频段。

调制方式决定了导航信号功率谱包络形状,从体制上对于码跟踪精度、抗干扰能力、多径误差、兼容性方面起到决定性作用。GNSS引入了先进的BOC类调制方式,在设计灵活性和兼容性、测距精度等方面有一定的提升。但先进的调制方式提升了实现复杂度。低轨导航增强信号调制方式的设计需要综合权衡性能提升与实现复杂度。

码速率在一定程度上决定了信号的功率谱密度,进而决定了信号跟踪精度、抗多径能力和抗干扰能力。码速率的选择需要在测距性能和终端成本、功耗、体积之间进行权衡,并兼顾到系统间的兼容性和互操作性。

导航电文设计方案的优劣将直接影响系统的通信资源的利用率和电文结构的可扩展性。低轨导航增强信号落地功率高,具备更强的通信容量。同时考虑到低轨导航增强需求,低轨导航增强电文应包括基本导航信息、卫星历书、中高轨卫星星历钟差改正数、以及中高轨卫星精密星历钟差等信息。

3)同时同频干扰抑制技术

低轨卫星接收GNSS信号,同时向地面辐射导航频段的增强信号。星载接收机天线口面GNSS信号强度远低于导航增强信号。因此,增强信号对星载接收机是同时同频的强干扰,应通过干扰抑制技术保证星载接收机的正常工作,如天线隔离、射频和数字干扰抵消等[25]。

天线隔离是一种有效的被动干扰抑制方法。天线的旁瓣抑制可以对星载接收机天线口面的干扰信号进行有效的抑制,其隔离度主要受到天线、卫星布局等影响。

射频干扰抵消是一种特征模拟技术。将干扰信号的特征信息传递到星载接收机,星载接收机对干扰信号进行特征模拟,得到与干扰信号延迟和功率相同,而相位相反的本地信号,随后在射频端将模拟信号与接收信号进行合成,可抑制大部分的干扰信号。

残留的干扰信号可通过数字干扰抵消进行处理。数字干扰抵消主要采用信道估计和自适应滤波等算法。干扰残留信号通常是非高斯的,相近采样值之间具备较强相关性,所以可利用样本对残留信号进行预测,然后将预测信号与接收信号进行合成,以达到干扰抑制的目的。

3.2 弹性PNT关键技术

1)导通融合信号体制设计

导通融合信号体制设计是导通融合的核心部分,也是两者融合程度的集中体现。通信卫星的核心业务是实现信息的无失真高速传输,所以导通融合信号的设计,应以通信受影响程度可控为前提,适度融合导航信号,以免导航能力有限,而通信能力过度降级。

根据对无线信号时频资源的分配方式,可将低轨导通融合信号分为时分、频分、功分、复合等方式[26]。时分体制是指通信和导航信号共用整个频段,但在通信的空闲时隙播发导航信号。其优点是对通信无影响,且导航信号的Gabor带宽较大,测距精度高。但由于导航信号在时域上不连续,且不均匀,难以实现稳定的PNT服务。频分体制中,导航和通信信号分别占据部分频段,优点为导航信号是时域连续信号,可以实现信号稳定跟踪,但由于信号带宽较小导致测距精度有限。功分体制是指导航信号在时域和频域上均连续,但功率谱密度比通信信号低。导航相对于通信信号引入了额外的白噪声,将引起通信信号载噪比下降,可能引起通信误码问题,所以导航信号功率必须受限,不能获得通信信号高功率播发带来的好处。复合体制的特点是导航信号占据特定带宽,在时域上采用独立时隙。其优点在于导航信号占用资源少,铱星STL信号即采用这种体制[27]。该方式对原有通信体制改动较少,仅需在已有系统上进行改进升级,其缺点是收敛后定位精度仅能达到50m以内,可作为导航降阶备份。

2)导通融合信号定位技术

通信卫星覆盖重数与星座规模有关,在星座规模不能满足全球至少4种以上均匀覆盖时,需考虑单星情况下的定位技术。单星多普勒定位是通过累计一段时间内的多普勒观测量进行最小二乘解算来获得位置的最优估计。传统单星多普勒定位算法往往要求载体处于静止状态。通过累计一段时间的观测量来进行定位解算。对于运动载体来说,由于载体位置时刻变化,其待求解未知量个数也随着观测量的增加同步增加,这时则需要引入惯性测量信息,采用单星多普勒/INS紧组合体制来估计位置参数。惯性器件作用是对不同时刻的位置建立联系,从而提高整个组合导航系统的可观测能力。组合导航系统一般采用卡尔曼滤波算法进行导航解算[28],卡尔曼滤波需要量测噪声满足高斯白噪声假设,考虑到在复杂电磁干扰环境下观测量噪声非高斯化问题,需要对卡尔曼滤波算法进行改进,结合广义极大似然估计理论设计鲁棒滤波器量测更新过程,对滤波残差进行鲁棒加权,根据加权结果分配滤波增益,提高扰动环境下组合导航精度。此外,在星座规模满足四重独立定位条件下,可以通过配置独立的导航载荷,由低轨通信卫星播发导航测距信号,用户在一个时间历元接收多个测距信号,通过比较信号接收时延和解调信号给出的星历和钟差,实现标准非线性伪距定位。

3)弹性终端融合设计

低轨弹性终端接收导通融合信号,相对于GNSS终端设计更加复杂,对算法鲁棒性和稳定性要求更高。导通融合终端关键技术的突破能有效提高备份定位授时服务的精度和可靠性,进一步完善终端应用型谱。

多普勒定位难点在于导通信号通常为突发式信号,持续时间为毫秒量级,采用锁频环和锁相环处理很难保证跟踪状态稳定,导致直接从锁频环中提取多普勒测量值噪声过大,影响后续定位精度。由于采用单星多普勒定位体制通常需要累计几分钟观测数据才能进行定位授时,通过对一段时间内同一颗卫星的多普勒观测数据进行后处理,平滑观测数据噪声,可间接提高观测数据精度[28-29]。

定位授时的难点在于突发式信号跟踪环路并不能连续稳定地跟踪信号,在信号出现或消失时量测数据往往会存在跳变,影响定位授时精度。因此需要采用改进定位授时算法,利用数据跳变产生的残差异常进行数据权重分配,抑制异常数据对定位授时结果影响,提高导航终端定位授时服务的精度和鲁棒性。

4 低轨导航增强实现途径

低轨卫星实现导航增强主要有两种实现途径,分别是低轨导航增强和基于低轨通信卫星的导通融合。两种实现途径均可实现导航增强,导通融合还可实现导航降阶备份,但是能力特点各异,载荷和终端的实现代价也不同,如表6和表7所示。

表6 导航与通信卫星比对分析Table 6 Comparison analysis of navigation and communication satellite

表7 低轨PNT能力提升及实现代价分析Table 7 Analysis of LEO navigation augmentation capabilities and implementation cost

4.1 低轨导航增强

低轨导航增强系统采用低轨导航卫星平台及轨道设计,搭载星载GNSS接收机,并播发与GNSS信号兼容互操作的导航增强信号。

低轨导航增强平台设计,有利于实现星载GNSS接收和导航增强信号播发的隔离,减少了星载GNSS载荷的射频前端和数字处理部分的资源需求,载荷的质量功耗要求也随之降低。低轨导航增强轨道的设计,有利于实现导航增强对用户的多重覆盖。导航增强信号载荷,播发与GNSS兼容互操作的导航增强信号,让接收终端进行软件升级即可享受到导航增强服务。但是,若导航频段受到干扰,难以提供可信定位和弹性导航降阶备份服务。

总体而言,低轨导航增强载荷在载荷质量功耗可控,接收终端小幅升级的前提下,可高效实现全球天基监测、全球准实时高精度增强等导航增强服务。但由于导航增强信号位于导航频段,难以保证导航应急备份服务。

4.2 基于低轨通信卫星的导通融合

低轨通信和导航技术在信号调制等方面存在共性特征,为导通融合提供了可能。但通导本质上具有不同业务需求和技术体制。通信核心目标是无失真和高速地传输信息,为此综合运用了信道编码、分集和复用等技术以提升误码率和信道容量。而导航技术关注重点是距离测量的精度和准确度,通过高速测距码和多频信号等提升测距的性能。基于不同的业务需求,通信和导航在信号生成和接收处理等方面具有不同的特性,为通信和导航的融合带来了挑战。

相比低轨导航增强,通信卫星首先应保证通信信息的无失真和高速传输,并综合分析权衡融合带来的增量和复杂度。一方面,导通采用统一的频段,电磁兼容问题更为复杂,对星载GNSS接收提出了更高的要求,同时导通融合很可能对高质量通信用户造成影响。为了解决这些问题,势必增加卫星的质量功耗,不符合低轨卫星低成本、大规模的优势。另一方面,GNSS接收机已广泛应用于各个行业,导通融合信号提高了接收终端的设计复杂度和成本,不利于大范围的推广。

综上所述,低轨导通融合可重点实现基于通信信道的可信认证播发和弹性导航应急备份功能,作为卫星导航系统的有益备份和补充。

5 结束语

2035年前,我国将建成以北斗系统为核心,更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系[30]。低轨星座以其独特的轨道特性、高费效比的制造与发射成本,以及在PNT能力提升方面的重要贡献度,将成为国家综合PNT体系中的重要组成部分。结合文中关于低轨对PNT能力提升、关键技术和实现途径的综合分析,以及国内外低轨导航发展现状趋势,低轨星座实现PNT性能提升可瞄准两个方向、各有侧重:一是低轨导航卫星平台及轨道设计,接收GNSS信号,并播发与GNSS信号兼容互操作的导航增强信号,重点实现准实时高精度、高完好及安全可信能力;二是基于通信星座的导通融合,播发导通融合信号,以通信受影响程度可控为导向,重点实现卫星导航短时区域拒止情况下的弹性应急服务和基于通信的可信认证。二者均可实现PNT性能的提升,工程实现中可结合应用需求、平台能力、实现代价等综合权衡,实现兼容发展、融合共用、相互增能。