李德仁：低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)——機(jī)遇與挑戰(zhàn)

在我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗系統(tǒng)）初步實(shí)現(xiàn)全球能力覆蓋的背景下，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)（LEO-NA）技術(shù)因其易于與北斗系統(tǒng)協(xié)同來(lái)提高全球自主導(dǎo)航精度、拓展全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)的巨大潛力而成為研究熱點(diǎn)。

中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院李德仁院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2020年第2期發(fā)表《低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)——機(jī)遇與挑戰(zhàn)》一文。文章梳理了發(fā)展導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求，分析了導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)以及LEO-NA技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了我國(guó)“珞珈一號(hào)”關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證的進(jìn)展情況。在此基礎(chǔ)上，研判了LEO-NA系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，如導(dǎo)航增強(qiáng)頻率的兼容互操作、通信/導(dǎo)航信號(hào)一體化設(shè)計(jì)、低軌衛(wèi)星星座管控、高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)捕獲與跟蹤、與現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)的融合等。研究提出，針對(duì)我國(guó)發(fā)展LEO-NA技術(shù)的迫切需求，可著重在以下方面開展工作：加強(qiáng)系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)并充分利用現(xiàn)有資源，注重LEO-NA系統(tǒng)與北斗系統(tǒng)的協(xié)同增效；促進(jìn)通信、導(dǎo)航、遙感功能融合，分步驟分層次構(gòu)建天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)；將衛(wèi)星工程與地面基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一規(guī)劃考慮，實(shí)行星地一體化建設(shè)。

1. 實(shí)現(xiàn)全球定位服務(wù)更高性能的需求

目前，北斗系統(tǒng)能夠提供覆蓋全球范圍的米級(jí)基本導(dǎo)航服務(wù)、覆蓋國(guó)土周邊區(qū)域的星基增強(qiáng)和廣域精密單點(diǎn)定位（PPP）服務(wù)。依托中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星的 PPP 定位，受到衛(wèi)星與地面用戶之間幾何構(gòu)型變化緩慢的影響，一般需要 30 min 甚至更長(zhǎng)時(shí)間的收斂過(guò)程才能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位。如采用低軌衛(wèi)星進(jìn)行 PPP 定位服務(wù)，可將收斂過(guò)程耗時(shí)壓縮至分鐘級(jí)。因此，北斗系統(tǒng)未來(lái)在全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)方面的能力提升，需要利用低軌衛(wèi)星輔助、對(duì)其基本導(dǎo)航服務(wù)的性能進(jìn)行升級(jí)。

2. 提升北斗系統(tǒng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的需求

全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)市場(chǎng)中，美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GALILEO）以及若干區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（RNSS）的基礎(chǔ)能力重疊明顯，且不斷提升各自服務(wù)能力以加強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)是繼美國(guó)、俄羅斯之后第三個(gè)提供全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)的國(guó)家，為參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)并取得優(yōu)勢(shì)，北斗系統(tǒng)在滿足國(guó)內(nèi)導(dǎo)航需求的基礎(chǔ)上，還需面向全球市場(chǎng)，從定位精度、易用性、連續(xù)性、可靠性、抗干擾能力和完好性等方面來(lái)提升導(dǎo)航服務(wù)能力。導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)是北斗系統(tǒng)應(yīng)對(duì)上述需求的可行解決方案。

3. 擴(kuò)展 PNT 服務(wù)綜合性能的需求

PNT 服務(wù)體系作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施和重要戰(zhàn)略資源，從國(guó)家安全的角度來(lái)看，需要由多源異構(gòu)的導(dǎo)航源形成空 / 天 / 地 / 海一體化的綜合能力，彈性、堅(jiān)韌性和抗毀性是其可靠應(yīng)用的重要方面。未來(lái)PNT服務(wù)將不能完全依賴北斗系統(tǒng)，需要資源分散、能力互補(bǔ)的備份方案。從服務(wù)的角度來(lái)看，導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)可作為北斗系統(tǒng)的擴(kuò)展、補(bǔ)充和備份，在北斗系統(tǒng)基本導(dǎo)航服務(wù)無(wú)法滿足應(yīng)用需求的特殊場(chǎng)景下，發(fā)揮功能等效的關(guān)鍵作用。

4. 構(gòu)建 PNTRC 來(lái)提升“通導(dǎo)遙”一體化協(xié)同服務(wù)能力的需求

從我國(guó) PNTRC 構(gòu)建的角度來(lái)看，遙感和通信這兩類服務(wù)需要與導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)進(jìn)行功能融合，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效。通過(guò)導(dǎo)航、遙感、通信等天基信息服務(wù)之間的相互協(xié)同、相互支撐，可以構(gòu)建集空間信息獲取、傳輸、處理、指揮控制于一體的實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)，形成空間信息產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的新格局。這是我國(guó)由航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)跨越轉(zhuǎn)變的迫切需要和能力標(biāo)桿。

導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)不是新興概念，發(fā)展歷程較長(zhǎng)，泛指用于提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)能力的各種技術(shù)方案。現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的分類見(jiàn)圖 1，主要有信息型增強(qiáng)系統(tǒng)和信號(hào)型增強(qiáng)系統(tǒng)兩大類。

圖 1 衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)的分類及典型導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng) 

注：WAAS 表示美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)；EGNOS 表示歐洲歐洲地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)；SDCM 表示俄羅斯差分改正監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；MSAS 表示日本多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)；GAGAN 表示印度 GPS 輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)；GDGPS 表示全球差分 GPS 系統(tǒng)；NBASS 表示國(guó)家北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)；QZSS 表示日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)；Luojia-1A 表示中國(guó)“珞珈一號(hào)”低軌衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)衛(wèi)星；Loran 表示遠(yuǎn)距離無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)；TACAN 表示戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)；OMEGA 表示超遠(yuǎn)程連續(xù)波雙曲線相位差無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)；VOR 表示甚高頻全向信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)。

1. 信息型增強(qiáng)系統(tǒng)

信息型增強(qiáng)系統(tǒng)通過(guò)地面監(jiān)測(cè)站計(jì)算誤差改正數(shù)或完好性信息，將這些數(shù)據(jù)播發(fā)給用戶，由用戶接收后輔助提升定位精度或服務(wù)完好性。這類服務(wù)的特點(diǎn)在于，導(dǎo)航定位仍然使用現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，而增強(qiáng)信息通過(guò)天基或地基通信鏈路來(lái)傳輸。

從增強(qiáng)信息的傳輸方式來(lái)看，信息型增強(qiáng)系統(tǒng)可分為地基增強(qiáng)和星基增強(qiáng)兩種方式。①地基增強(qiáng)方式利用地面互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線電臺(tái)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸改正信息，如國(guó)家北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)（NBASS）、千尋地基增強(qiáng)網(wǎng)、省市級(jí)北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)等。②星基增強(qiáng)方式通過(guò)租用通信衛(wèi)星的廣播信道以實(shí)現(xiàn)大范圍的廣播，改正數(shù)播發(fā)不依賴于地面通信設(shè)施，覆蓋范圍更廣。目前多數(shù)星基增強(qiáng)系統(tǒng)提供全球精密單點(diǎn)定位服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度（見(jiàn)表 1）；但在沒(méi)有區(qū)域增強(qiáng)的條件下，精密單點(diǎn)定位的收斂過(guò)程往往耗時(shí)較長(zhǎng)。此外，不同服務(wù)提供商的星基增強(qiáng)系統(tǒng)往往需要使用專用的接收機(jī)，跨系統(tǒng)的兼容互操作比較困難。

表 1 國(guó)內(nèi)外星基信息增強(qiáng)系統(tǒng)性能對(duì)比

注：星座的字母組合中，G 表示 GPS，R 表示 GLONASS，B 表示 BDS，E 表示 GALILEO，Q 表示 QZSS。

從增強(qiáng)信息的內(nèi)容來(lái)看，星基信息增強(qiáng)系統(tǒng)可分為完好性增強(qiáng)和精度增強(qiáng)兩種類型。①完好性增強(qiáng)系統(tǒng)主要面向民用航空行業(yè)，用于提供更高的導(dǎo)航完好性，也可一定程度上提升導(dǎo)航定位的精度（米級(jí)至亞米級(jí)）。②精度增強(qiáng)系統(tǒng)主要播發(fā)實(shí)時(shí)的精密軌道鐘差產(chǎn)品，用于提供精密定位服務(wù)；還有播發(fā)載波相位小數(shù)偏差、區(qū)域電離層和對(duì)流層增強(qiáng)等信息。

2. 信號(hào)型增強(qiáng)系統(tǒng)

信號(hào)型增強(qiáng)系統(tǒng)中，導(dǎo)航增強(qiáng)源能夠產(chǎn)生測(cè)距信號(hào)并與現(xiàn)有 GNSS 信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合定位，從而提升衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的可用性、可靠性和連續(xù)性。信號(hào)型增強(qiáng)系統(tǒng)主要分為地基增強(qiáng)和星基增強(qiáng)兩大類。

地基信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)能夠解決城市峽谷、露天礦、樹林、室內(nèi)、地下空間甚至水下的定位問(wèn)題，有效擴(kuò)展了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)范圍和應(yīng)用場(chǎng)景。澳大利亞 Locata 系統(tǒng)作為地面?zhèn)涡l(wèi)星系統(tǒng)，是典型的地基信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)。

星基信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)利用非導(dǎo)航衛(wèi)星產(chǎn)生測(cè)距信號(hào)，與導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同提供導(dǎo)航服務(wù)。典型代表是日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS） ，采用了傾斜地球同步軌道（IGSO）。基于中高軌導(dǎo)航衛(wèi)星的衛(wèi)星定位系統(tǒng)由于站 / 星幾何構(gòu)型變化緩慢，導(dǎo)致精密定位收斂時(shí)間較長(zhǎng)。而低軌衛(wèi)星平臺(tái)用作導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)源具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：星 / 地相對(duì)幾何關(guān)系變化較快，有助于精密定位過(guò)程的快速收斂。

在早期，國(guó)外重點(diǎn)研究并驗(yàn)證了 LEO 衛(wèi)星在提高實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）性能方面的潛力。2002 年，美國(guó)波音公司提出了將 GPS 與銥星系統(tǒng)相結(jié)合的增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)（iGPS）方案，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)近地軌道 / 中軌道衛(wèi)星相結(jié)合的導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)。2007 年，波音公司完成了 iGPS 抗干擾試驗(yàn)，良好的實(shí)測(cè)結(jié)果促成了第二代銥星系統(tǒng)（Iridium Next）的建設(shè)。

2016 年 5 月，銥星公司宣布開通衛(wèi)星時(shí)間和位置（STL）服務(wù)，銥星系統(tǒng)利用下行的信令信道波束來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的播發(fā)，其衛(wèi)星信號(hào)功率增強(qiáng)了 25~30 dB，大幅度提升了抗干擾能力。據(jù)報(bào)道，銥星 STL 服務(wù)的公開定位精度為20~50 m，授時(shí)精度約為 50 ns；雖然銥星 STL 服務(wù)在精度方面尚不能與 GNSS 定位相提并論，但其優(yōu)勢(shì)在于位置認(rèn)證和抗干擾能力。隨著大規(guī)模低軌通信星座計(jì)劃的提出，國(guó)外團(tuán)隊(duì)完成了基于未來(lái)寬帶 LEO 星座的導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)性能仿真分析，但尚未見(jiàn)國(guó)外低軌寬帶通信星座運(yùn)營(yíng)方宣稱提供導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)。

1. 依托銥星星座的導(dǎo)航性能仿真分析

基于 LEO-NA 技術(shù)拓展 GNSS 信號(hào)全球監(jiān)測(cè)效能的研究，為低軌星座搭載 GNSS 監(jiān)測(cè)接收機(jī)開展全球天基監(jiān)測(cè)提供了理論依據(jù)。基本研究思路是將銥星星座視為導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，開展 GNSS 系統(tǒng)與低軌衛(wèi)星星座協(xié)同工作時(shí)的基本導(dǎo)航性能分析，獲得可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、精度衰減因子、偽距定位精度和完好性等性能數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)采用仿真方法研究了銥星增強(qiáng) GPS 系統(tǒng)后的抗干擾、完好性、可用性和精度，顯示了低軌增強(qiáng)的潛力。文獻(xiàn)分析了基于 LEO-NA 技術(shù)的北斗系統(tǒng)抗干擾性能，播發(fā)的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)可以容忍約 50 dB 的干信比，顯著提高了系統(tǒng)抗干擾能力。基于銥星增強(qiáng)的 GPS 系統(tǒng)接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)（RAIM）性能、LEO-NA技術(shù)對(duì)北斗系統(tǒng) RAIM 檢測(cè)率和識(shí)別率的增強(qiáng)效果等方面也有研究涉及。

2. 低軌星座加速 PPP 收斂的仿真分析

隨著 PPP 技術(shù)的發(fā)展和成熟，低軌衛(wèi)星有望從根本上解決 PPP 收斂速度過(guò)慢的問(wèn)題。現(xiàn)有研究表明，在 GPS、GLONASS、GALILEO、BDS 全球?qū)Ш较到y(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，若采用288 顆 LEO-NA 衛(wèi)星進(jìn)行增強(qiáng)，首次固定時(shí)間從7.1 min 顯著改善到 0.7 min， PPP 收斂時(shí)間可縮短至1.3 min；對(duì)于單一 BDS 系統(tǒng)，PPP 收斂時(shí)間也可壓縮至 3.0 min，且模糊度固定效率也可進(jìn)一步改善；低軌衛(wèi)星對(duì) PPP 收斂時(shí)間的貢獻(xiàn)主要取決于可視的低軌衛(wèi)星個(gè)數(shù)，（見(jiàn)圖 2）。另外，LEO-NA 衛(wèi)星的廣播電文參數(shù)也是研究熱點(diǎn)。低軌衛(wèi)星受到的軌道攝動(dòng)力比傳統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星更為復(fù)雜，現(xiàn)有的導(dǎo)航衛(wèi)星廣播星歷模型不能直接應(yīng)用到低軌衛(wèi)星的星歷擬合中，為此有學(xué)者提出了狀態(tài)參數(shù)拓展的軌道狀態(tài)型 LEO 廣播星歷模型。

圖 2 PPP 收斂時(shí)間與可視低軌衛(wèi)星數(shù)的關(guān)系

3. LEO-NA 關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證

北斗系統(tǒng)投入運(yùn)行后，如何進(jìn)一步提升導(dǎo)航服務(wù)的綜合性能成為新的研究亟需。國(guó)內(nèi)部分高校、科研院所和商業(yè)公司高度重視 LEO-NA 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和在軌試驗(yàn)，期望通過(guò)技術(shù)驗(yàn)證來(lái)完善技術(shù)體系，為 LEO-NA 系統(tǒng)的工程建設(shè)“鋪平道路”。代表性的工作有：武漢大學(xué)牽頭研制的“珞珈一號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，東方紅衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司建設(shè)運(yùn)營(yíng)的“鴻雁”星座首顆實(shí)驗(yàn)星，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所牽頭研制的“網(wǎng)通一號(hào)”A、B 雙星，這些衛(wèi)星在軌試驗(yàn)的成功進(jìn)行，體現(xiàn)了我國(guó) LEO-NA 技術(shù)在關(guān)鍵原理、體制驗(yàn)證等方面的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

“珞珈一號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星主要用于開展夜光遙感和 LEO-NA 技術(shù)的在軌試驗(yàn)（見(jiàn)圖 3）。衛(wèi)星配置了 2 套 GPS/BDS 接收天線，可接收 GPS、北斗雙模四頻觀測(cè)數(shù)據(jù)，用于在軌數(shù)據(jù)處理、精密軌道和時(shí)鐘信息計(jì)算，生成雙頻測(cè)距信息播發(fā)至地面。地面接收機(jī)同時(shí)接收 GPS、北斗、“珞珈一號(hào)”的測(cè)距信號(hào)，進(jìn)行聯(lián)合定位以提升定位性能，尤其是縮短 PPP 收斂時(shí)間。

圖 3 “珞珈一號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星外形圖 

“珞珈一號(hào)”配置的適用于微小衛(wèi)星搭載的專用導(dǎo)航增強(qiáng)載荷，在星上信號(hào)收發(fā)隔離、星上高精度時(shí)間維持、載荷小型化、低功耗設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破。地面配置的接收機(jī)樣機(jī)為全新研制，根據(jù) LEO-NA 信號(hào)的特性進(jìn)行了優(yōu)化，提升了低軌衛(wèi)星捕獲靈敏度和跟蹤精度，并可同時(shí)捕獲和跟蹤 GPS、北斗導(dǎo)航信號(hào)以及“珞珈一號(hào)”導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)（見(jiàn)圖 4）。

圖 4 “珞珈一號(hào)”LEO-NA 載荷 ( 上 ) 和地面接收機(jī) ( 下 )

“珞珈一號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功完成在軌導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)試驗(yàn)，地面接收機(jī)成功捕獲并跟蹤 LEO-NA 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)載噪比的大幅提升。衛(wèi)星信號(hào)過(guò)境期間的天空?qǐng)D和雙頻導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的載噪比見(jiàn)圖 5，體現(xiàn)了珞珈一號(hào)雙頻導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)（H1 信號(hào)和 H2 信號(hào)）跟蹤的連續(xù)和穩(wěn)定。試驗(yàn)過(guò)程中，“珞珈一號(hào)”衛(wèi)星信號(hào)載噪比始終處于正常區(qū)間，由此體現(xiàn)了“珞珈一號(hào)”衛(wèi)星 LEO-NA 方案的技術(shù)可行性。另外，“珞珈一號(hào)”衛(wèi)星的雙頻信號(hào)評(píng)估表明，導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的偽距和載波相位的測(cè)量精度，與衛(wèi)星高度角之間存在顯著的相關(guān)性；利用低成本晶振所產(chǎn)生的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，對(duì)其載波相位的觀測(cè)精度也達(dá)到了毫米級(jí)。“珞珈一號(hào)”衛(wèi)星的導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為我國(guó)LEO-NA 技術(shù)領(lǐng)域積累了第一手的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和在軌測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。

圖 5 “珞珈一號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)載噪比

綜合來(lái)看，“珞珈一號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)在載荷設(shè)計(jì)、信號(hào)體制設(shè)計(jì)、關(guān)鍵元器件選型與指標(biāo)論證、低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)接收機(jī)設(shè)計(jì)、信號(hào)監(jiān)測(cè)與評(píng)估以及 LEO-NA 數(shù)據(jù)處理等多個(gè)方面取得重要進(jìn)展，為我國(guó)未來(lái) LEO-NA 系統(tǒng)的建設(shè)提供了借鑒。

目前，L 頻段已經(jīng)沒(méi)有空余的頻率資源供導(dǎo)航增強(qiáng)使用，因此 LEO-NA 系統(tǒng)建設(shè)必須考慮與現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的兼容互操作，具體包括：頻帶選擇，信號(hào)功率控制，落地電平控制，信號(hào)帶外抑制、雜散抑制、互調(diào)干擾的控制，衛(wèi)星端信號(hào)的收發(fā)隔離等，由此確保在提供 LEO-NA 服務(wù)的同時(shí)，不會(huì)干擾現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正常使用。

導(dǎo)航與通信在信號(hào)層面的融合，是解決導(dǎo)航信號(hào)頻譜資源緊張，信號(hào)功率增強(qiáng)和高帶寬信息傳輸受限的主要方向。然而，LEO 衛(wèi)星的通信鏈路與導(dǎo)航鏈路，其需求和技術(shù)途徑差異顯著，需要開展技術(shù)攻關(guān)以推動(dòng)融合應(yīng)用。通信信號(hào)通常采用空分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用和碼分復(fù)用等多種復(fù)用方式，以最大程度地提升有效通信帶寬和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)；而導(dǎo)航信號(hào)需要考慮結(jié)合復(fù)雜的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。

對(duì)于 LEO-NA 信號(hào)的誤差源建模，不能簡(jiǎn)單套用目前 GNSS 信號(hào)的誤差建模方法，應(yīng)深入展開研究。相比 GNSS 衛(wèi)星，LEO 衛(wèi)星的導(dǎo)航增強(qiáng)載荷、元器件及所處空間環(huán)境存在一定差異，導(dǎo)致導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)的硬件延遲時(shí)變特性也有所不同。另外，LEO-NA 系統(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)維持方式、運(yùn)動(dòng)特性和信號(hào)傳播路徑上的大氣延遲特性等，都異于當(dāng)前的 GNSS 信號(hào)。

未來(lái)的 LEO-NA 星座計(jì)劃都是包含有數(shù)百顆衛(wèi)星的大型星座，且同軌和異軌衛(wèi)星之間需要分別建立星間通信鏈路，由此帶來(lái)的星座管控問(wèn)題將異常復(fù)雜。目前在軌運(yùn)行的低軌通信星座，如銥星星座和全球星星座分別僅有幾十顆衛(wèi)星，問(wèn)題處理相對(duì)簡(jiǎn)便。因此，亟需構(gòu)建長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行、穩(wěn)健的衛(wèi)星測(cè)運(yùn)控機(jī)制和指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，通過(guò)開展星座維持、故障恢復(fù)、資源調(diào)度、負(fù)載均衡和地面站優(yōu)化等技術(shù)攻關(guān)，形成與大規(guī)模低軌通信星座需求相適應(yīng)的地面運(yùn)行管控支持能力。

LEO 衛(wèi)星平臺(tái)距離地面近、運(yùn)動(dòng)速度快，使得衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的視線方向多普勒變化與加速度變化范圍都大于中高軌衛(wèi)星。在 LEO-NA 地面接收機(jī)的方案設(shè)計(jì)中，需關(guān)注高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航信號(hào)的捕獲靈敏度問(wèn)題，采取多種途徑來(lái)保持并提升信號(hào)跟蹤精度這一關(guān)鍵因素。

LEO-NA 系統(tǒng)既是對(duì)現(xiàn)有北斗系統(tǒng)的擴(kuò)展和增強(qiáng)，又是其導(dǎo)航功能的備份和補(bǔ)充，因而 LEO 衛(wèi)星在未來(lái)綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中扮演著“用戶”“信號(hào)源”雙重角色。鑒于低軌星座規(guī)模龐大、星間鏈路復(fù)雜、過(guò)境測(cè)控時(shí)間窗口短的現(xiàn)狀，應(yīng)進(jìn)一步開展 LEO-NA 系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)之間的集成架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)兼容互操作、時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一、星地接口統(tǒng)一，同時(shí)兼顧各自星座的自主維持能力。

作者簡(jiǎn)介

李德仁

· 《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》創(chuàng)始人：劉雨菲

· 《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》副社長(zhǎng)：王俊峰