商业低轨通信星座纳入国家综合PNT体系的可行性分析

　　摘要：为促进低轨星座纳入国家综合定位导航授时(PNT)体系，基于近年来国内外低轨通信星座的建设发展态势与提供PNT服务的相关研究，探寻将低轨星座纳入国家综合PNT体系的可行性。低轨星座在信号强度、对地运动速度、鲁棒性等方面的优势，有助于解决传统天基信息源(如全球卫星导航系统(GNSS))的脆弱性，使得其越来越受到导航领域的青睐。相关研究表明，低轨星座可以辅助增强GNSS的导航性能，也能独立提供性能可观的PNT服务。基于以上分析，提出了国家综合PNT体系下低轨星座的系统组成与服务架构，对关键技术问题进行分析并提出了解决方案。

　　关键词：国家综合定位导航授时体系;低轨通信星座;服务架构;天基信息源;通导一体化

　　引言

　　综合定位导航授时(positioning,navigationandtiming,PNT)体系是国家空间信息基础设施的基石，为工业互联网、金融、通信、电力等国民经济建设提供统一、准确、可靠的空间和时间框架。综合PNT[1]包括三个重要组成部分：①基于不同物理原理的多种信息源及相应的传感器系统;②云平台控制的多源信息融合处理系统;③为全天时、全人类活动空间，提供稳健、连续、可靠的PNT信息的服务系统。构建完整的国家PNT体系是困难的：

　　首先，不同活动场景、不同用户对时间和空间位置信息的精度和可靠性需求不同，如民航飞机精密进近需要极高的可靠性;大地测量、地学研究等科学研究对空间位置的准确性有很高的要求。其次，在信号拒止环境下，提供连续动态的PNT服务十分困难。再者，多源信息融合处理需要考虑不同来源的数据质量、数据处理模型的稳健性以及数据处理云平台调度等问题。

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　　2020年提供全球服务的北斗卫星导航系统(BeiDounavigationsatellitesystem,BDS)是我国综合PNT体系建设的核心，在国民经济建设中发挥巨大作用。但BDS与美国的全球定位系统(globalpositioningsystem,GPS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileonavigationsatellitesystem,Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,GLONASS)等一样，天然具有落地信号弱、穿透能力差、易被干扰等弱点。这些弱点使得BDS在信号拒止环境下，难以满足用户对PNT服务的需求。在弥补BDS脆弱性方面，已有许多专家学者做了大量的研究工作，并提出了卓有成效的方案，作为综合PNT体系的补充。在增强BDS方面，涌现出了星基增强和地基增强等技术，来提高精度和完好性等[2-5]。

　　在多系统导航(BDS联合GPS、Galileo等)方面[6-10]，改善系统间偏差、快速选星等算法后，定位精度和稳定性都优于单一系统。在组合导航方面，国内外学者致力于提出满足复杂环境下精度和可靠性需求的改进滤波算法，如集中式容错卡尔曼滤波[11]、长短期记忆网络辅助的扩展卡尔曼滤波[12]等。在其他信息源导航方面，涌现出了机会信号导航、惯性导航系统(inertialnavigationsystem,INS)、匹配导航、类脑导航、水下声纳信标导航等技术[13-14]，为水下、地下、室内等场景提供PNT服务。近年来，基于激光雷达、相机、惯性测量单元等多传感器融合的同时定位与建图(simultaneouslocalizationandmapping,SLAM)技术得到迅速发展，广泛应用在三维重建、室内导航、无人驾驶等领域[15-18]。

　　以长基线、短基线和全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem，GNSS)智能浮标系统为代表的水下声学定位技术，提供了基本的水下位置服务[19-20]。导航技术的蓬勃发展，为综合PNT体系提供了更丰富的信息源和传感器，但与成熟的卫星导航相比，以上技术多处于发展阶段，成本较高，难以实现连续稳定可靠的全球覆盖。

　　综合PNT体系的核心仍然是覆盖行业最广、用户数量最多、综合技术指标最优的卫星导航技术。因此，充分发挥卫星导航技术的优势，有效解决信号脆弱性等问题，对建设PNT体系十分重要。较GNSS和INS，运行轨道高度为120~2000km的低轨卫星(lowEarthorbit，LEO)有综合优势，有助于解决GNSS信号脆弱性、实时高精度定位收敛慢等问题。

　　LEO相对中高轨卫星有研制周期短、发射成本低、通信时延短等优势，有望提供低成本、覆盖全球、近实时的互联网服务。近年来，商业低轨通信系统得到了蓬勃发展。世界各国都已经或者正在建设自己的低轨通信星座，如美国的铱星二代(IridiumNEXT)、太空探索公司(SpaceX)的星链(Starlink)等;国内低轨通信星座建设起步较晚，但在技术积累和资金投入方面具有明显优势，目前多个规划中的低轨星座已完成试验星验证工作，如航天科技的鸿雁、航天科工的虹云等。

　　此外，LEO轨道高度低，信号波束集中，在同等卫星发射等效全向辐射功率(equivalentisotropic radiatedpower，EIRP)的情况下，比GNSS信号受到的自由损耗低，信号落地功率能提升30dB以上[21-23]，在弥补BDS信号脆弱性上有天然优势，有望在室内、城市峡谷和茂密森林等信号拒止环境下，提供PNT服务。如能将商业低轨通信星座拓展为集通信、定位、授时于一体的系统，作为国家PNT体系的一部分，将大幅度提高商业低轨星座的效费比和PNT体系的服务能力与鲁棒性，带来显著的经济与社会效益。

　　因此，有必要对商业低轨通信星座纳入综合PNT体系的可行性进行分析。本文着眼于当前商业低轨通信星座的建设情况，从辅助增强GNSS和独立提供PNT服务两方面，对低轨星座提供PNT服务情况进行分析研究，进而提出了低轨星座纳入综合PNT体系的服务架构，对关键技术问题进行分析并提出解决方案。

　　1国内外低轨星座建设情况

　　与中高轨道相比，LEO离地面更近，传播时延小，能够满足某些业务对通信实时性的高要求;信号传输损耗小，便于实现用户终端小型化，例如日前发布的Starlink地面终端，在直径约48cm的圆盘上，集成了时钟、基带、射频等电路，以及超过1300个单元组成的有源相控阵天线。在卫星制造和发射上，LEO体积小、重量轻、研制周期短，可一箭多星发射，例如SpaceX用“猎鹰9号”实现“一箭60星”的发射任务;成本较低，为大规模低轨星座的构建提供技术支撑。自1987年摩托罗拉提出“铱星(Iridium)”系统后，国内外低轨通信星座快速发展。

　　按照市场定位、发展程度等可以将其划分为三个阶段[24]：1)1987年至2000年，以Iridium、全球星(Globalstar)、轨道通信(Orbcomm)、泰利迪斯(Teledesic)等星座为代表的第一阶段，力图设计一套完全替代当时并不发达的地面通信的系统，面向个人消费者提供独立的卫星电话和全球通信服务，但随着地面电信运营商的迅速发展，多以服务和终端价格高昂、用户少而失败;2)2000年至2014年，以IridiumNEXT为代表的第二阶段，市场定位为服务地面通信未覆盖到的地区，以及海事、航空等极端条件下的移动通信服务;3)2014年至今，以一网(OneWeb)、Starlink、柯伊柏(Kuiper)为代表的第三阶段，业务转向宽带互联网接入服务，计划部署上万颗卫星向全球用户提供真正无缝覆盖的卫星通信网络，部分还提供位置、遥感等服务。

　　IridiumNEXT除提供更大容量、更高业务速率的通信服务外，兼有多光谱对地成像、空间气象监视、导航增强等功能[31]。受新冠肺炎影响，2020年OneWeb在美申请破产。英国政府为应对脱欧后Galileo的使用限制，于2020年7月联合印度电信运营商收购了OneWeb，有意将其改造为兼有导航功能的系统。2021年4月，SpaceX用多次回收的“猎鹰9号”火箭，成功发射了新一批卫星，将Starlink在轨卫星总数提高到1378颗;此外，Starlink下一代系统已获准发射3万颗卫星，实现对地全覆盖。

　　与地面第五代移动通信技术(5thgenerationmobilecommunicationtechnology,5G)网络相比，低轨卫星通信将凭借优质的通信服务(大容量、高速率、低延时)、低廉的通信费用(更低的电量消耗)、全球无缝覆盖的能力应用到各行各业，促进物联网、人工智能等技术的发展。此外，低轨星座还将提供导航增强、航空航海监视、空间气象监视等更加丰富的业务，提高其效费比与服务能力。

　　2低轨星座纳入国家综合PNT体系的服务架构

　　鉴于低轨星座在信号强度、传输时延、覆盖区域、鲁棒性等方面的优势，有望将其作为天基信息源纳入国家综合PNT体系。首先梳理和分析国内外低轨星座提供PNT的研究现状;继而提出通导一体化的低轨系统框架;最后基于对PNT体系的内涵与框架的分析，提出综合PNT体系下的低轨星座的服务架构。

　　2.1低轨星座提供PNT服务情况

　　按照低轨星座提供PNT服务的模式，可以将国内外的相关研究分为两种：①通过联合定轨、缩短精密定位收敛时间、信息增强等途径，辅助提高GNSS的导航性能;②播发导航测距信号，在信号拒止环境下，提供基本导航服务，实现导航备份。

　　2.1.1辅助增强GNSS性能

　　近年来，国内外学者[33-39]分析了联合定轨对GPS/BDS轨道精度的提升效果。研究表明，联合LEO星载接收机、地面监测站、星间链路等多源观测信息进行定轨，可以提供较好的几何观测结构，降低对地面站的依赖;BDS地球静止轨道卫星定轨精度由分米级提升到厘米级，倾斜地球同步轨道卫星的定轨精度由厘米至分米级提升到厘米级至毫米级。

　　但研究中LEO观测数据多基于仿真，部分结果可能比较理想，需要实测数据来测定实际的改善情况;即使有部分利用LEO实测数据的研究，却存在实测卫星数目少(7颗左右)、分布不均匀等问题;轨道面类型、卫星数量、轨道高度等因素对定轨提升效果的结论不够充分。低轨卫星的轨道多样性减弱了定位过程中历元间观测方程的相关性，有助于解决载波相位模糊度参数收敛和固定慢的问题。

　　1998年，文献[40]指出，Globalstar信号有利于GPS短基线差分定位的快速模糊度固定。2015年，文献[41]指出，融合低轨仿真观测值比仅使用GPS收敛时间缩短了51.31%。文献[42]仿真分析了不同卫星数目、轨道高度、轨道类型的低轨星座对精密单点定位(precisepointpositioning,PPP)收敛速度的提升效果，指出在288颗LEO卫星增强下，GNSSPPP收敛时间能从9.6min缩短到1.3min，同时水平定位精度优于10cm。

　　在信息增强方面，通过低轨星座的通信链路近实时地播发精密轨道、精密钟差、完好性等导航增强信息，有助于改善GNSS信号的脆弱性，提高导航性能。2009年，美国波音公司和斯坦福大学等机构提出了利用IridiumNEXT通信信道播发导航增强信息的GPS高完好性参数[43-45]，利用铱星几何变化快的特点辅助模糊度的快速固定，利用信号冗余性增强接收机的自主完好性监测性能。

　　文献[43]仿真分析了鸿雁星座播发增强信息对导航性能的提升效果，将PPP首次收敛时间从30min缩短到5min以内，同时精度可达动态分米级、静态厘米级。该类服务模式在不改造或少改动卫星载荷的情况下，实现了对GNSS导航性能的增强，较易实现，但不能脱离GNSS单独工作，即在GNSS信号拒止环境下无法提供PNT服务。

　　2.1.2独立提供PNT服务

　　除增强GNSS外，低轨卫星可以自己产生导航测距信号，独立提供导航服务和备份。20世纪美国提出的海军卫星导航系统(U.S.navynavigationsatellitesystem,NNSS)，亦称为子午仪(Transit)低轨卫星定位系统，通过对一段时间内卫星信号的多普勒频偏曲线进行拟合解算本地位置，一颗星即可实现定位，单频定位误差200~300m，双频消电离层后约为50m，授时精度约50ms。

　　但定位时间较长，单历元定位一般需要10~16min的完整观测，用户需要等待30~100min才能观测到第二次卫星入境，难以满足实时、高动态的要求，该系统运行32a后于1996年被GPS替代。法国于20世纪80年代中期建设的地基多普勒无线电定轨定位系统(Dopplerorbitographyandradiopositioningintegratedbysatellite,DORIS)[46]，基于单向双频多普勒测速，提供低轨卫星轨道和地面信标位置的精密确定，测速精度为0.3~0.5mm/s，实时轨道精度为厘米级。

　　IridiumNEXT在其卫星通信体制内，改造部分时频资源，产生了一个安全定位授时信号(satellitetimeandlocation，STL)，2016年开始在GNSS信号拒止环境下，独立提供次级精度的PNT服务(50m定位精度，相比协调世界时(coordinateduniversaltime,UTC)授时精度达200ns[47])。2018年，运营STL服务的Satelles公司测试了STL在高层建筑物室内的性能[21]，指出在最顶层(13楼)靠窗位置只能接收到1~2颗GPS卫星信号，而在大厦第二层仍能接收到与GPS在开阔环境下相当的信号功率。

　　此外，STL系统采用专门的加密信号增强其抗欺骗能力，可由低成本、低功耗的集成导航芯片接收处理，已被美国国防部纳入国家战略PNT体系中，在GPS受到影响和干扰的情况下提供备份导航。文献[23,4849]从星座、信号、误差建模、星历设计等角度，研究低轨通信星座如何用于导航，重点讨论了卫星导航有效载荷和接收机的设计问题。

　　2.2通导一体化低轨星座的系统组成

　　国内外相关研究揭示了低轨星座提供PNT服务的潜能，具体表现为：在解决信号的脆弱性方面，低轨卫星固有的传播路径短、信号损耗小、受高空电磁环境影响小等特点，有助于解决信号落地功率低的问题;卫星数量多，系统受单星故障的影响小，有效提高系统的抗干扰、抗摧毁能力;相对地面运动速度快、几何图形变化快的特点，有利于实现快速精密定位，以及利用多普勒观测信息定位;高速大容量的通信链路可以为卫星间、用户与卫星间、地面与卫星间的近实时数据传输提供通道，为差分改正信息的广播、实时精密星历的生成与播发等提供网络支撑;充分利用频谱和功率资源设计通导一体信号，在不降低通信性能的基础上，提供高精度的导航服务。结合低轨通信星座和导航卫星的系统设计。

　　兼具通信和导航功能的低轨星座系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由分布在不同轨道面上的多颗LEO卫星组成，部分星座有星间链路、星上处理和交换功能。卫星主要功能有通信、保持标称位置和姿态、搭载BDS接收机实现轨道和钟差的确定等。地面段一般包括卫星测控中心及相应的卫星测控网，系统控制中心，数据处理中心，注入站、监测站、信关站等若干地面站。

　　系统控制中心主要负责管理地面测控网，分配信道资源，监视卫星在轨工作情况，规避空间碰撞等。数据处理中心主要负责处理大规模星座的传输数据与地面测控网的观测数据，以及与用户段的交互信息。信关站负责把卫星网和地面公网连接起来，从而使得用户终端可以通过一颗或几颗卫星和信关站实现全球通信。用户段由手持机、车/船/机载站、移动便携站、固定站等各种用户终端组成，向用户提供话音、数据、短信息和定位等业务。

　　3低轨星座纳入国家综合

　　PNT体系需要解决的关键问题低轨星座纳入国家综合PNT体系首先需要统一的时间空间基准，而我国综合PNT体系的核心是BDS。因此，低轨星座纳入综合PNT体系首先要解决的问题是，如何获得与BDS保持一致的时空基准，这涉及大规模低轨星座的轨道和钟差确定。其次，商业低轨通信星座的轨道高度和频率是专门为通信设计的，将其用于导航需要在卫星端和用户端将通信和导航进行一体化设计。此外，还面临着多传感器集成、多源数据融合处理、数据传输和访问安全等方面的技术挑战。

　　3.1大规模低轨星座的轨道和钟差确定

　　低轨系统的地面运控系统需要调度卫星避免与空间碎片发生碰撞，管理星间链路，处理大量的数据信息，调控通信与导航服务等，更为重要的是保持与BDS一致的时空基准。这涉及通过地面信关站、锚固站、数据处理中心等进行大规模低轨星座的轨道和钟差确定。为保证时空基准的统一和降低运营成本，轨道和钟差宜利用BDS来确定，因此每颗低轨卫星均需配备BDS接收机。根据低轨星座的特点，本文分别讨论低轨卫星集中式和分布式轨道和钟差确定方案。

　　地面集中式定轨方案需要在地面设置若干锚固站和数据处理中心，并将观测数据通过通信链路传输到数据处理中心。数据处理中心利用BDS观测数据和地面锚固站的跟踪数据，联合确定低轨卫星的轨道及其搭载的BDS接收机的钟差，并对轨道和钟差进行预报，生成相应的广播星历上注到低轨卫星。该方案充分利用低轨卫星之间、地面与低轨卫星之间的高速通信链路进行数据传输;集中处理可以兼顾各低轨卫星间的相关性;整网解算能维持整个星座的构型，使得各个低轨卫星的轨道和钟差具有较好的一致性。

　　但是，大规模低轨星座的轨道和钟差解算任务会给数据处理中心带来巨大的计算和存储压力;而且集中处理鲁棒性不高，一旦数据处理中心出现错误，会影响整个星座的服务能力。该方案鲁棒性好，将计算压力分散到每颗卫星，每颗卫星只负责解算自身的轨道和钟差，解算完成后再对自身的轨道和钟差进行预报，并编制和播发广播星历，避免了地面站频繁上注广播星历对通信链路的压力。

　　BDS精密轨道和钟差信息可从已建设完成的BDS地基增强或星基增强系统获取，并通过地面信关站和星间链路传输到每颗低轨卫星。该过程中，BDS精密轨道和钟差信息实际上已经蕴含了BDS的时空基准。该方案需要每颗低轨卫星配备高精度双频BDS接收机、接收BDS精密轨道和钟差信息、采用高精度的低轨卫星轨道力模型(包括大气阻力、太阳辐射光压、热辐射光压等)。

　　双频BDS接收机可实现每秒解算一次卫星的轨道和钟差，通过高频率的解算大幅度减少预报时长，降低对原子钟性能的依赖。BDS精密轨道的精度可达2~3cm[50]，精密钟差约为0.1ns[51]，预计星上分布式方案可实现5cm的低轨卫星定轨精度。与集中式相比，星上分布式定轨方案成本低、具有较好的鲁棒性和灵活性，可作为大规模低轨星座轨道和钟差确定的首选方案。

　　3.2通导一体化卫星信号设计

　　低轨通信星座建成后，便可以利用星地通信链路向地面用户近实时地播发差分改正信息和完好性信息，实现对GNSS的信息增强。但在接收不到GNSS信号的情况下，只能通过播发测距信号提供基本导航服务。一种方式是除通信信号外，低轨卫星产生并播发单独的导航信号。

　　为了不干扰现有导航系统的正常使用，信号的频段要与传统的L波段区分开;且需要改造信号的产生/接收电路、天线等。另一种方式是对通信与导航信号进行一体化设计，在不新增时频资源需求的基础上，将导航信号融入通信信号中进行播发。已有学者从信号融合的层面上提出了四种通导一体化信号结构[52]，分别是正交化调制、分段调制、在通信信号的导频帧中插入导航消息和码分多址。此外，在设计信号时，必须考虑与其他信号的兼容互操作，确保不会干扰其他导航技术的正常使用，便于接收机端对多种数据进行融合处理。

　　3.3用户终端和算法设计

　　用户终端和算法的设计是低轨星座提供PNT服务的重要一环，在不替换或少改动现有设备的基础上，用同一个终端实现对中高轨道和低轨卫星的接入，尤其是高动态低轨信号的捕获与跟踪;实现多传感器的集成、多源观测数据的融合处理;同时满足低成本、低功耗、兼容多系统等需求。低轨卫星的高动态运动特性导致了更为明显的多普勒效应，使得接收机需要扩大多普勒搜索范围;且地面接收机在相同时间段内观测到的卫星数量更多，增加了信号跟踪捕获难度。

　　因此，急需通过改进的锁相环等算法，解决高动态低轨信号的快速捕获与跟踪问题。由于低轨卫星可观测弧段短，如何在更短时间内收集定位所需的卫星星历，也是终端需要解决的问题。低轨卫星定位解算时，其较低的轨道高度使得初始位置坐标需要满足一定的精度，否则定位易出现收敛不稳定现象。

　　4结束语

　　低轨星座在信号强度、运动特性、鲁棒性等方面的优势，有助于解决传统GNSS信号的脆弱性，提供PNT服务。本文首先介绍了国内外商业低轨通信星座的建设发展态势，梳理了低轨星座辅助增强GNSS和独立提供PNT服务的相关情况。

　　继而综合考虑时空基准统一、多源信息融合、传感器集成、核心技术突破、综合性服务等，提出了国家综合PNT体系下低轨星座的系统组成与服务架构，并指出低轨星座纳入综合PNT体系的三种主要方式，分别是辅助增强GNSS、独立提供导航(备份)服务、联合其他技术实现组合导航。

　　最后对涉及的关键技术问题进行分析并提出解决方案，包括大规模低轨星座的轨道和钟差确定、通导一体化信号设计、数据传输和访问安全等。后续工作将围绕不同低轨星座提供导航服务的性能、多源数据融合处理算法等开展研究。低轨星座纳入国家综合PNT体系，不仅能提高低轨星座的效费比和综合PNT体系的服务能力，还能带动其他产业的发展。

　　高中低轨卫星互补形成丰富的天基信号源，与其他信号源一起促进泛源导航的发展;多种定位导航技术的融合与协同，催生出高能效的数据融合处理算法和高度集成的一体化终端设计;通导一体化的不断加深，促进物联网、自动驾驶等产业的发展;丰富的低轨观测信息，可用于大气监测、地球重力场建模等，推动“通导遥”一体化系统的建成。

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　　作者：张雨露1,2，范磊2，刘江梅3，李桢2