摘要：為促進(jìn)低軌星座納入國家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)(PNT)體系，基于近年來國內(nèi)外低軌通信星座的建設(shè)發(fā)展態(tài)勢與提供PNT服務(wù)的相關(guān)研究，探尋將低軌星座納入國家綜合PNT體系的可行性。低軌星座在信號強(qiáng)度、對地運(yùn)動速度、魯棒性等方面的優(yōu)勢，有助于解決傳統(tǒng)天基信息源(如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS))的脆弱性，使得其越來越受到導(dǎo)航領(lǐng)域的青睞。相關(guān)研究表明，低軌星座可以輔助增強(qiáng)GNSS的導(dǎo)航性能，也能獨(dú)立提供性能可觀的PNT服務(wù)。基于以上分析，提出了國家綜合PNT體系下低軌星座的系統(tǒng)組成與服務(wù)架構(gòu)，對關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析并提出了解決方案。

　　關(guān)鍵詞：國家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系;低軌通信星座;服務(wù)架構(gòu);天基信息源;通導(dǎo)一體化

　　引言

　　綜合定位導(dǎo)航授時(shí)(positioning,navigationandtiming,PNT)體系是國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的基石，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、金融、通信、電力等國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供統(tǒng)一、準(zhǔn)確、可靠的空間和時(shí)間框架。綜合PNT[1]包括三個(gè)重要組成部分：①基于不同物理原理的多種信息源及相應(yīng)的傳感器系統(tǒng);②云平臺控制的多源信息融合處理系統(tǒng);③為全天時(shí)、全人類活動空間，提供穩(wěn)健、連續(xù)、可靠的PNT信息的服務(wù)系統(tǒng)。構(gòu)建完整的國家PNT體系是困難的：

　　首先，不同活動場景、不同用戶對時(shí)間和空間位置信息的精度和可靠性需求不同，如民航飛機(jī)精密進(jìn)近需要極高的可靠性;大地測量、地學(xué)研究等科學(xué)研究對空間位置的準(zhǔn)確性有很高的要求。其次，在信號拒止環(huán)境下，提供連續(xù)動態(tài)的PNT服務(wù)十分困難。再者，多源信息融合處理需要考慮不同來源的數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理模型的穩(wěn)健性以及數(shù)據(jù)處理云平臺調(diào)度等問題。

　　通信工程評職知識：寫移動通信技術(shù)論文投稿期刊

　　2020年提供全球服務(wù)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)是我國綜合PNT體系建設(shè)的核心，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。但BDS與美國的全球定位系統(tǒng)(globalpositioningsystem,GPS)、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileonavigationsatellitesystem,Galileo)、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)等一樣，天然具有落地信號弱、穿透能力差、易被干擾等弱點(diǎn)。這些弱點(diǎn)使得BDS在信號拒止環(huán)境下，難以滿足用戶對PNT服務(wù)的需求。在彌補(bǔ)BDS脆弱性方面，已有許多專家學(xué)者做了大量的研究工作，并提出了卓有成效的方案，作為綜合PNT體系的補(bǔ)充。在增強(qiáng)BDS方面，涌現(xiàn)出了星基增強(qiáng)和地基增強(qiáng)等技術(shù)，來提高精度和完好性等[2-5]。

　　在多系統(tǒng)導(dǎo)航(BDS聯(lián)合GPS、Galileo等)方面[6-10]，改善系統(tǒng)間偏差、快速選星等算法后，定位精度和穩(wěn)定性都優(yōu)于單一系統(tǒng)。在組合導(dǎo)航方面，國內(nèi)外學(xué)者致力于提出滿足復(fù)雜環(huán)境下精度和可靠性需求的改進(jìn)濾波算法，如集中式容錯(cuò)卡爾曼濾波[11]、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)輔助的擴(kuò)展卡爾曼濾波[12]等。在其他信息源導(dǎo)航方面，涌現(xiàn)出了機(jī)會信號導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertialnavigationsystem,INS)、匹配導(dǎo)航、類腦導(dǎo)航、水下聲納信標(biāo)導(dǎo)航等技術(shù)[13-14]，為水下、地下、室內(nèi)等場景提供PNT服務(wù)。近年來，基于激光雷達(dá)、相機(jī)、慣性測量單元等多傳感器融合的同時(shí)定位與建圖(simultaneouslocalizationandmapping,SLAM)技術(shù)得到迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在三維重建、室內(nèi)導(dǎo)航、無人駕駛等領(lǐng)域[15-18]。

　　以長基線、短基線和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(globalnavigationsatellitesystem，GNSS)智能浮標(biāo)系統(tǒng)為代表的水下聲學(xué)定位技術(shù)，提供了基本的水下位置服務(wù)[19-20]。導(dǎo)航技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為綜合PNT體系提供了更豐富的信息源和傳感器，但與成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航相比，以上技術(shù)多處于發(fā)展階段，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定可靠的全球覆蓋。

　　綜合PNT體系的核心仍然是覆蓋行業(yè)最廣、用戶數(shù)量最多、綜合技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。因此，充分發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢，有效解決信號脆弱性等問題，對建設(shè)PNT體系十分重要。較GNSS和INS，運(yùn)行軌道高度為120~2000km的低軌衛(wèi)星(lowEarthorbit，LEO)有綜合優(yōu)勢，有助于解決GNSS信號脆弱性、實(shí)時(shí)高精度定位收斂慢等問題。

　　LEO相對中高軌衛(wèi)星有研制周期短、發(fā)射成本低、通信時(shí)延短等優(yōu)勢，有望提供低成本、覆蓋全球、近實(shí)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。近年來，商業(yè)低軌通信系統(tǒng)得到了蓬勃發(fā)展。世界各國都已經(jīng)或者正在建設(shè)自己的低軌通信星座，如美國的銥星二代(IridiumNEXT)、太空探索公司(SpaceX)的星鏈(Starlink)等;國內(nèi)低軌通信星座建設(shè)起步較晚，但在技術(shù)積累和資金投入方面具有明顯優(yōu)勢，目前多個(gè)規(guī)劃中的低軌星座已完成試驗(yàn)星驗(yàn)證工作，如航天科技的鴻雁、航天科工的虹云等。

　　此外，LEO軌道高度低，信號波束集中，在同等衛(wèi)星發(fā)射等效全向輻射功率(equivalentisotropic radiatedpower，EIRP)的情況下，比GNSS信號受到的自由損耗低，信號落地功率能提升30dB以上[21-23]，在彌補(bǔ)BDS信號脆弱性上有天然優(yōu)勢，有望在室內(nèi)、城市峽谷和茂密森林等信號拒止環(huán)境下，提供PNT服務(wù)。如能將商業(yè)低軌通信星座拓展為集通信、定位、授時(shí)于一體的系統(tǒng)，作為國家PNT體系的一部分，將大幅度提高商業(yè)低軌星座的效費(fèi)比和PNT體系的服務(wù)能力與魯棒性，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

　　因此，有必要對商業(yè)低軌通信星座納入綜合PNT體系的可行性進(jìn)行分析。本文著眼于當(dāng)前商業(yè)低軌通信星座的建設(shè)情況，從輔助增強(qiáng)GNSS和獨(dú)立提供PNT服務(wù)兩方面，對低軌星座提供PNT服務(wù)情況進(jìn)行分析研究，進(jìn)而提出了低軌星座納入綜合PNT體系的服務(wù)架構(gòu)，對關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析并提出解決方案。

　　1國內(nèi)外低軌星座建設(shè)情況

　　與中高軌道相比，LEO離地面更近，傳播時(shí)延小，能夠滿足某些業(yè)務(wù)對通信實(shí)時(shí)性的高要求;信號傳輸損耗小，便于實(shí)現(xiàn)用戶終端小型化，例如日前發(fā)布的Starlink地面終端，在直徑約48cm的圓盤上，集成了時(shí)鐘、基帶、射頻等電路，以及超過1300個(gè)單元組成的有源相控陣天線。在衛(wèi)星制造和發(fā)射上，LEO體積小、重量輕、研制周期短，可一箭多星發(fā)射，例如SpaceX用“獵鷹9號”實(shí)現(xiàn)“一箭60星”的發(fā)射任務(wù);成本較低，為大規(guī)模低軌星座的構(gòu)建提供技術(shù)支撐。自1987年摩托羅拉提出“銥星(Iridium)”系統(tǒng)后，國內(nèi)外低軌通信星座快速發(fā)展。

　　按照市場定位、發(fā)展程度等可以將其劃分為三個(gè)階段[24]：1)1987年至2000年，以Iridium、全球星(Globalstar)、軌道通信(Orbcomm)、泰利迪斯(Teledesic)等星座為代表的第一階段，力圖設(shè)計(jì)一套完全替代當(dāng)時(shí)并不發(fā)達(dá)的地面通信的系統(tǒng)，面向個(gè)人消費(fèi)者提供獨(dú)立的衛(wèi)星電話和全球通信服務(wù)，但隨著地面電信運(yùn)營商的迅速發(fā)展，多以服務(wù)和終端價(jià)格高昂、用戶少而失敗;2)2000年至2014年，以IridiumNEXT為代表的第二階段，市場定位為服務(wù)地面通信未覆蓋到的地區(qū)，以及海事、航空等極端條件下的移動通信服務(wù);3)2014年至今，以一網(wǎng)(OneWeb)、Starlink、柯伊柏(Kuiper)為代表的第三階段，業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)接入服務(wù)，計(jì)劃部署上萬顆衛(wèi)星向全球用戶提供真正無縫覆蓋的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，部分還提供位置、遙感等服務(wù)。

　　IridiumNEXT除提供更大容量、更高業(yè)務(wù)速率的通信服務(wù)外，兼有多光譜對地成像、空間氣象監(jiān)視、導(dǎo)航增強(qiáng)等功能[31]。受新冠肺炎影響，2020年OneWeb在美申請破產(chǎn)。英國政府為應(yīng)對脫歐后Galileo的使用限制，于2020年7月聯(lián)合印度電信運(yùn)營商收購了OneWeb，有意將其改造為兼有導(dǎo)航功能的系統(tǒng)。2021年4月，SpaceX用多次回收的“獵鷹9號”火箭，成功發(fā)射了新一批衛(wèi)星，將Starlink在軌衛(wèi)星總數(shù)提高到1378顆;此外，Starlink下一代系統(tǒng)已獲準(zhǔn)發(fā)射3萬顆衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對地全覆蓋。

　　與地面第五代移動通信技術(shù)(5thgenerationmobilecommunicationtechnology,5G)網(wǎng)絡(luò)相比，低軌衛(wèi)星通信將憑借優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)(大容量、高速率、低延時(shí))、低廉的通信費(fèi)用(更低的電量消耗)、全球無縫覆蓋的能力應(yīng)用到各行各業(yè)，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展。此外，低軌星座還將提供導(dǎo)航增強(qiáng)、航空航海監(jiān)視、空間氣象監(jiān)視等更加豐富的業(yè)務(wù)，提高其效費(fèi)比與服務(wù)能力。

　　2低軌星座納入國家綜合PNT體系的服務(wù)架構(gòu)

　　鑒于低軌星座在信號強(qiáng)度、傳輸時(shí)延、覆蓋區(qū)域、魯棒性等方面的優(yōu)勢，有望將其作為天基信息源納入國家綜合PNT體系。首先梳理和分析國內(nèi)外低軌星座提供PNT的研究現(xiàn)狀;繼而提出通導(dǎo)一體化的低軌系統(tǒng)框架;最后基于對PNT體系的內(nèi)涵與框架的分析，提出綜合PNT體系下的低軌星座的服務(wù)架構(gòu)。

　　2.1低軌星座提供PNT服務(wù)情況

　　按照低軌星座提供PNT服務(wù)的模式，可以將國內(nèi)外的相關(guān)研究分為兩種：①通過聯(lián)合定軌、縮短精密定位收斂時(shí)間、信息增強(qiáng)等途徑，輔助提高GNSS的導(dǎo)航性能;②播發(fā)導(dǎo)航測距信號，在信號拒止環(huán)境下，提供基本導(dǎo)航服務(wù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航備份。

　　2.1.1輔助增強(qiáng)GNSS性能

　　近年來，國內(nèi)外學(xué)者[33-39]分析了聯(lián)合定軌對GPS/BDS軌道精度的提升效果。研究表明，聯(lián)合LEO星載接收機(jī)、地面監(jiān)測站、星間鏈路等多源觀測信息進(jìn)行定軌，可以提供較好的幾何觀測結(jié)構(gòu)，降低對地面站的依賴;BDS地球靜止軌道衛(wèi)星定軌精度由分米級提升到厘米級，傾斜地球同步軌道衛(wèi)星的定軌精度由厘米至分米級提升到厘米級至毫米級。

　　但研究中LEO觀測數(shù)據(jù)多基于仿真，部分結(jié)果可能比較理想，需要實(shí)測數(shù)據(jù)來測定實(shí)際的改善情況;即使有部分利用LEO實(shí)測數(shù)據(jù)的研究，卻存在實(shí)測衛(wèi)星數(shù)目少(7顆左右)、分布不均勻等問題;軌道面類型、衛(wèi)星數(shù)量、軌道高度等因素對定軌提升效果的結(jié)論不夠充分。低軌衛(wèi)星的軌道多樣性減弱了定位過程中歷元間觀測方程的相關(guān)性，有助于解決載波相位模糊度參數(shù)收斂和固定慢的問題。

　　1998年，文獻(xiàn)[40]指出，Globalstar信號有利于GPS短基線差分定位的快速模糊度固定。2015年，文獻(xiàn)[41]指出，融合低軌仿真觀測值比僅使用GPS收斂時(shí)間縮短了51.31%。文獻(xiàn)[42]仿真分析了不同衛(wèi)星數(shù)目、軌道高度、軌道類型的低軌星座對精密單點(diǎn)定位(precisepointpositioning,PPP)收斂速度的提升效果，指出在288顆LEO衛(wèi)星增強(qiáng)下，GNSSPPP收斂時(shí)間能從9.6min縮短到1.3min，同時(shí)水平定位精度優(yōu)于10cm。

　　在信息增強(qiáng)方面，通過低軌星座的通信鏈路近實(shí)時(shí)地播發(fā)精密軌道、精密鐘差、完好性等導(dǎo)航增強(qiáng)信息，有助于改善GNSS信號的脆弱性，提高導(dǎo)航性能。2009年，美國波音公司和斯坦福大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出了利用IridiumNEXT通信信道播發(fā)導(dǎo)航增強(qiáng)信息的GPS高完好性參數(shù)[43-45]，利用銥星幾何變化快的特點(diǎn)輔助模糊度的快速固定，利用信號冗余性增強(qiáng)接收機(jī)的自主完好性監(jiān)測性能。

　　文獻(xiàn)[43]仿真分析了鴻雁星座播發(fā)增強(qiáng)信息對導(dǎo)航性能的提升效果，將PPP首次收斂時(shí)間從30min縮短到5min以內(nèi)，同時(shí)精度可達(dá)動態(tài)分米級、靜態(tài)厘米級。該類服務(wù)模式在不改造或少改動衛(wèi)星載荷的情況下，實(shí)現(xiàn)了對GNSS導(dǎo)航性能的增強(qiáng)，較易實(shí)現(xiàn)，但不能脫離GNSS單獨(dú)工作，即在GNSS信號拒止環(huán)境下無法提供PNT服務(wù)。

　　2.1.2獨(dú)立提供PNT服務(wù)

　　除增強(qiáng)GNSS外，低軌衛(wèi)星可以自己產(chǎn)生導(dǎo)航測距信號，獨(dú)立提供導(dǎo)航服務(wù)和備份。20世紀(jì)美國提出的海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(U.S.navynavigationsatellitesystem,NNSS)，亦稱為子午儀(Transit)低軌衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過對一段時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星信號的多普勒頻偏曲線進(jìn)行擬合解算本地位置，一顆星即可實(shí)現(xiàn)定位，單頻定位誤差200~300m，雙頻消電離層后約為50m，授時(shí)精度約50ms。

　　但定位時(shí)間較長，單歷元定位一般需要10~16min的完整觀測，用戶需要等待30~100min才能觀測到第二次衛(wèi)星入境，難以滿足實(shí)時(shí)、高動態(tài)的要求，該系統(tǒng)運(yùn)行32a后于1996年被GPS替代。法國于20世紀(jì)80年代中期建設(shè)的地基多普勒無線電定軌定位系統(tǒng)(Dopplerorbitographyandradiopositioningintegratedbysatellite,DORIS)[46]，基于單向雙頻多普勒測速，提供低軌衛(wèi)星軌道和地面信標(biāo)位置的精密確定，測速精度為0.3~0.5mm/s，實(shí)時(shí)軌道精度為厘米級。

　　IridiumNEXT在其衛(wèi)星通信體制內(nèi)，改造部分時(shí)頻資源，產(chǎn)生了一個(gè)安全定位授時(shí)信號(satellitetimeandlocation，STL)，2016年開始在GNSS信號拒止環(huán)境下，獨(dú)立提供次級精度的PNT服務(wù)(50m定位精度，相比協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinateduniversaltime,UTC)授時(shí)精度達(dá)200ns[47])。2018年，運(yùn)營STL服務(wù)的Satelles公司測試了STL在高層建筑物室內(nèi)的性能[21]，指出在最頂層(13樓)靠窗位置只能接收到1~2顆GPS衛(wèi)星信號，而在大廈第二層仍能接收到與GPS在開闊環(huán)境下相當(dāng)?shù)男盘柟β省?/p>

　　此外，STL系統(tǒng)采用專門的加密信號增強(qiáng)其抗欺騙能力，可由低成本、低功耗的集成導(dǎo)航芯片接收處理，已被美國國防部納入國家戰(zhàn)略PNT體系中，在GPS受到影響和干擾的情況下提供備份導(dǎo)航。文獻(xiàn)[23,4849]從星座、信號、誤差建模、星歷設(shè)計(jì)等角度，研究低軌通信星座如何用于導(dǎo)航，重點(diǎn)討論了衛(wèi)星導(dǎo)航有效載荷和接收機(jī)的設(shè)計(jì)問題。

　　2.2通導(dǎo)一體化低軌星座的系統(tǒng)組成

　　國內(nèi)外相關(guān)研究揭示了低軌星座提供PNT服務(wù)的潛能，具體表現(xiàn)為：在解決信號的脆弱性方面，低軌衛(wèi)星固有的傳播路徑短、信號損耗小、受高空電磁環(huán)境影響小等特點(diǎn)，有助于解決信號落地功率低的問題;衛(wèi)星數(shù)量多，系統(tǒng)受單星故障的影響小，有效提高系統(tǒng)的抗干擾、抗摧毀能力;相對地面運(yùn)動速度快、幾何圖形變化快的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)快速精密定位，以及利用多普勒觀測信息定位;高速大容量的通信鏈路可以為衛(wèi)星間、用戶與衛(wèi)星間、地面與衛(wèi)星間的近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸提供通道，為差分改正信息的廣播、實(shí)時(shí)精密星歷的生成與播發(fā)等提供網(wǎng)絡(luò)支撐;充分利用頻譜和功率資源設(shè)計(jì)通導(dǎo)一體信號，在不降低通信性能的基礎(chǔ)上，提供高精度的導(dǎo)航服務(wù)。結(jié)合低軌通信星座和導(dǎo)航衛(wèi)星的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　兼具通信和導(dǎo)航功能的低軌星座系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成。空間段由分布在不同軌道面上的多顆LEO衛(wèi)星組成，部分星座有星間鏈路、星上處理和交換功能。衛(wèi)星主要功能有通信、保持標(biāo)稱位置和姿態(tài)、搭載BDS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)軌道和鐘差的確定等。地面段一般包括衛(wèi)星測控中心及相應(yīng)的衛(wèi)星測控網(wǎng)，系統(tǒng)控制中心，數(shù)據(jù)處理中心，注入站、監(jiān)測站、信關(guān)站等若干地面站。

　　系統(tǒng)控制中心主要負(fù)責(zé)管理地面測控網(wǎng)，分配信道資源，監(jiān)視衛(wèi)星在軌工作情況，規(guī)避空間碰撞等。數(shù)據(jù)處理中心主要負(fù)責(zé)處理大規(guī)模星座的傳輸數(shù)據(jù)與地面測控網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)，以及與用戶段的交互信息。信關(guān)站負(fù)責(zé)把衛(wèi)星網(wǎng)和地面公網(wǎng)連接起來，從而使得用戶終端可以通過一顆或幾顆衛(wèi)星和信關(guān)站實(shí)現(xiàn)全球通信。用戶段由手持機(jī)、車/船/機(jī)載站、移動便攜站、固定站等各種用戶終端組成，向用戶提供話音、數(shù)據(jù)、短信息和定位等業(yè)務(wù)。

　　3低軌星座納入國家綜合

　　PNT體系需要解決的關(guān)鍵問題低軌星座納入國家綜合PNT體系首先需要統(tǒng)一的時(shí)間空間基準(zhǔn)，而我國綜合PNT體系的核心是BDS。因此，低軌星座納入綜合PNT體系首先要解決的問題是，如何獲得與BDS保持一致的時(shí)空基準(zhǔn)，這涉及大規(guī)模低軌星座的軌道和鐘差確定。其次，商業(yè)低軌通信星座的軌道高度和頻率是專門為通信設(shè)計(jì)的，將其用于導(dǎo)航需要在衛(wèi)星端和用戶端將通信和導(dǎo)航進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。此外，還面臨著多傳感器集成、多源數(shù)據(jù)融合處理、數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

　　3.1大規(guī)模低軌星座的軌道和鐘差確定

　　低軌系統(tǒng)的地面運(yùn)控系統(tǒng)需要調(diào)度衛(wèi)星避免與空間碎片發(fā)生碰撞，管理星間鏈路，處理大量的數(shù)據(jù)信息，調(diào)控通信與導(dǎo)航服務(wù)等，更為重要的是保持與BDS一致的時(shí)空基準(zhǔn)。這涉及通過地面信關(guān)站、錨固站、數(shù)據(jù)處理中心等進(jìn)行大規(guī)模低軌星座的軌道和鐘差確定。為保證時(shí)空基準(zhǔn)的統(tǒng)一和降低運(yùn)營成本，軌道和鐘差宜利用BDS來確定，因此每顆低軌衛(wèi)星均需配備BDS接收機(jī)。根據(jù)低軌星座的特點(diǎn)，本文分別討論低軌衛(wèi)星集中式和分布式軌道和鐘差確定方案。

　　地面集中式定軌方案需要在地面設(shè)置若干錨固站和數(shù)據(jù)處理中心，并將觀測數(shù)據(jù)通過通信鏈路傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心利用BDS觀測數(shù)據(jù)和地面錨固站的跟蹤數(shù)據(jù)，聯(lián)合確定低軌衛(wèi)星的軌道及其搭載的BDS接收機(jī)的鐘差，并對軌道和鐘差進(jìn)行預(yù)報(bào)，生成相應(yīng)的廣播星歷上注到低軌衛(wèi)星。該方案充分利用低軌衛(wèi)星之間、地面與低軌衛(wèi)星之間的高速通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;集中處理可以兼顧各低軌衛(wèi)星間的相關(guān)性;整網(wǎng)解算能維持整個(gè)星座的構(gòu)型，使得各個(gè)低軌衛(wèi)星的軌道和鐘差具有較好的一致性。

　　但是，大規(guī)模低軌星座的軌道和鐘差解算任務(wù)會給數(shù)據(jù)處理中心帶來巨大的計(jì)算和存儲壓力;而且集中處理魯棒性不高，一旦數(shù)據(jù)處理中心出現(xiàn)錯(cuò)誤，會影響整個(gè)星座的服務(wù)能力。該方案魯棒性好，將計(jì)算壓力分散到每顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星只負(fù)責(zé)解算自身的軌道和鐘差，解算完成后再對自身的軌道和鐘差進(jìn)行預(yù)報(bào)，并編制和播發(fā)廣播星歷，避免了地面站頻繁上注廣播星歷對通信鏈路的壓力。

　　BDS精密軌道和鐘差信息可從已建設(shè)完成的BDS地基增強(qiáng)或星基增強(qiáng)系統(tǒng)獲取，并通過地面信關(guān)站和星間鏈路傳輸?shù)矫款w低軌衛(wèi)星。該過程中，BDS精密軌道和鐘差信息實(shí)際上已經(jīng)蘊(yùn)含了BDS的時(shí)空基準(zhǔn)。該方案需要每顆低軌衛(wèi)星配備高精度雙頻BDS接收機(jī)、接收BDS精密軌道和鐘差信息、采用高精度的低軌衛(wèi)星軌道力模型(包括大氣阻力、太陽輻射光壓、熱輻射光壓等)。

　　雙頻BDS接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)每秒解算一次衛(wèi)星的軌道和鐘差，通過高頻率的解算大幅度減少預(yù)報(bào)時(shí)長，降低對原子鐘性能的依賴。BDS精密軌道的精度可達(dá)2~3cm[50]，精密鐘差約為0.1ns[51]，預(yù)計(jì)星上分布式方案可實(shí)現(xiàn)5cm的低軌衛(wèi)星定軌精度。與集中式相比，星上分布式定軌方案成本低、具有較好的魯棒性和靈活性，可作為大規(guī)模低軌星座軌道和鐘差確定的首選方案。

　　3.2通導(dǎo)一體化衛(wèi)星信號設(shè)計(jì)

　　低軌通信星座建成后，便可以利用星地通信鏈路向地面用戶近實(shí)時(shí)地播發(fā)差分改正信息和完好性信息，實(shí)現(xiàn)對GNSS的信息增強(qiáng)。但在接收不到GNSS信號的情況下，只能通過播發(fā)測距信號提供基本導(dǎo)航服務(wù)。一種方式是除通信信號外，低軌衛(wèi)星產(chǎn)生并播發(fā)單獨(dú)的導(dǎo)航信號。

　　為了不干擾現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)的正常使用，信號的頻段要與傳統(tǒng)的L波段區(qū)分開;且需要改造信號的產(chǎn)生/接收電路、天線等。另一種方式是對通信與導(dǎo)航信號進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在不新增時(shí)頻資源需求的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)航信號融入通信信號中進(jìn)行播發(fā)。已有學(xué)者從信號融合的層面上提出了四種通導(dǎo)一體化信號結(jié)構(gòu)[52]，分別是正交化調(diào)制、分段調(diào)制、在通信信號的導(dǎo)頻幀中插入導(dǎo)航消息和碼分多址。此外，在設(shè)計(jì)信號時(shí)，必須考慮與其他信號的兼容互操作，確保不會干擾其他導(dǎo)航技術(shù)的正常使用，便于接收機(jī)端對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

　　3.3用戶終端和算法設(shè)計(jì)

　　用戶終端和算法的設(shè)計(jì)是低軌星座提供PNT服務(wù)的重要一環(huán)，在不替換或少改動現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，用同一個(gè)終端實(shí)現(xiàn)對中高軌道和低軌衛(wèi)星的接入，尤其是高動態(tài)低軌信號的捕獲與跟蹤;實(shí)現(xiàn)多傳感器的集成、多源觀測數(shù)據(jù)的融合處理;同時(shí)滿足低成本、低功耗、兼容多系統(tǒng)等需求。低軌衛(wèi)星的高動態(tài)運(yùn)動特性導(dǎo)致了更為明顯的多普勒效應(yīng)，使得接收機(jī)需要擴(kuò)大多普勒搜索范圍;且地面接收機(jī)在相同時(shí)間段內(nèi)觀測到的衛(wèi)星數(shù)量更多，增加了信號跟蹤捕獲難度。

　　因此，急需通過改進(jìn)的鎖相環(huán)等算法，解決高動態(tài)低軌信號的快速捕獲與跟蹤問題。由于低軌衛(wèi)星可觀測弧段短，如何在更短時(shí)間內(nèi)收集定位所需的衛(wèi)星星歷，也是終端需要解決的問題。低軌衛(wèi)星定位解算時(shí)，其較低的軌道高度使得初始位置坐標(biāo)需要滿足一定的精度，否則定位易出現(xiàn)收斂不穩(wěn)定現(xiàn)象。

　　4結(jié)束語

　　低軌星座在信號強(qiáng)度、運(yùn)動特性、魯棒性等方面的優(yōu)勢，有助于解決傳統(tǒng)GNSS信號的脆弱性，提供PNT服務(wù)。本文首先介紹了國內(nèi)外商業(yè)低軌通信星座的建設(shè)發(fā)展態(tài)勢，梳理了低軌星座輔助增強(qiáng)GNSS和獨(dú)立提供PNT服務(wù)的相關(guān)情況。

　　繼而綜合考慮時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、多源信息融合、傳感器集成、核心技術(shù)突破、綜合性服務(wù)等，提出了國家綜合PNT體系下低軌星座的系統(tǒng)組成與服務(wù)架構(gòu)，并指出低軌星座納入綜合PNT體系的三種主要方式，分別是輔助增強(qiáng)GNSS、獨(dú)立提供導(dǎo)航(備份)服務(wù)、聯(lián)合其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航。

　　最后對涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析并提出解決方案，包括大規(guī)模低軌星座的軌道和鐘差確定、通導(dǎo)一體化信號設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全等。后續(xù)工作將圍繞不同低軌星座提供導(dǎo)航服務(wù)的性能、多源數(shù)據(jù)融合處理算法等開展研究。低軌星座納入國家綜合PNT體系，不僅能提高低軌星座的效費(fèi)比和綜合PNT體系的服務(wù)能力，還能帶動其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　高中低軌衛(wèi)星互補(bǔ)形成豐富的天基信號源，與其他信號源一起促進(jìn)泛源導(dǎo)航的發(fā)展;多種定位導(dǎo)航技術(shù)的融合與協(xié)同，催生出高能效的數(shù)據(jù)融合處理算法和高度集成的一體化終端設(shè)計(jì);通導(dǎo)一體化的不斷加深，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;豐富的低軌觀測信息，可用于大氣監(jiān)測、地球重力場建模等，推動“通導(dǎo)遙”一體化系統(tǒng)的建成。

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　　作者：張雨露1,2，范磊2，劉江梅3，李楨2