近年来，随着美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗卫星导航系统和欧洲Galileo等四大卫星导航系统提供全球服务，世界卫星导航步入新时代。各主要卫星导航国家瞄准更高服务精度、更加多样功能、更加可靠服务，正在着手开展新一代系统建设和新一轮竞技。
低轨卫星（LEO）以其星座和信号的独特优势，逐步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。低轨卫星可以增强卫星导航信号，作为GNSS（全球卫星导航系统）的增强与补充；也可以通过通信系统和导航系统融合，播发独立测距信号，形成备份的定位导航能力。目前，国际卫星导航领域，对如何应用低轨卫星技术实现PNT（定位导航授时）的增强、备份和补充的研发和实践方兴未艾。美国铱星系统与GPS系统共同研发推出新型卫星授时与定位服务(STL)，已成为GPS系统的备份或补充；欧洲Galileo系统技术团队，也在积极推进开普勒系统研究，通过4-6颗低轨卫星构成的低轨星座，通过星间链路对中高轨卫星进行监测和高精度测量，以大幅提高Galileo星座的定轨精度。与此同时，国内的低轨卫星技术发展也如火如荼。在有关部门、大型央企、研究院所、民营企业的推动下，鸿雁、天地一体化网络、微厘空间等低轨卫星星座已开展试验卫星在轨试验。本文主要聚焦低轨增强星座对卫星导航系统能力提升和备份方面的技术和效果的分析。
一、世界主要卫星导航系统通过低轨增强提升能力
1、美国通过铱星系统实现对GPS定位授时服务能力的备份
为提升GPS系统的能力，美国在新一代铱星系统上实现了与GPS系统的融合发展，为用户提供STL（Satellites Time and Location）服务，由Satelles公司提供，可对GPS能力进行备份和增强。
铱星系统最初是美国摩托罗拉公司设计的全球移动通信系统。包括6个轨道面，每条轨道均匀分布11颗卫星，组成完整星座，能够覆盖包括极地在内的全球区域。设计之初主要为用户提供卫星通信服务，但由于高昂的系统建设费用和市场的冷遇，铱星系统的发展较为迟缓。2019年1月，美国完成新一代铱星系统发射部署。在通信业务以外，铱星星座提供STL服务，可实现室内和峡谷地区的定位导航授时。STL服务性能,定位精度30～50米、授时精度约为200ns，原信号落地功率比GPS L1 C/A码信号强300～2400倍（24.8～33.8dB），室内可用性大幅提升，增强了复杂地形环境和复杂电磁环境下的导航可用性和安全性。通过铱星以及GNSS接收机，STL服务既可增强GPS在内的多GNSS导航服务，也可在信号不可用或者不好用的时候作为一种备用手段。
2、欧洲专家提出以开普勒低轨系统大幅增强Galileo系统能力
开普勒系统（Kepler）是欧洲Galileo系统技术团队提出的新构想，在实现对Galileo系统完好性和精度增强的同时，减轻对地面系统的依赖。
开普勒系统的技术核心，是用4-6颗低轨卫星构成小规模星座，以及激光星间链路（ISL）来完善现有星座体系。MEO卫星不需配备原子钟，通过激光星间链路连接所有卫星，使得导航卫星能够在极高精度水平上实现直接同步，之后再进一步为定轨提供高精度的距离测量而不是伪距，以期得到mm级的定轨精度和nm级的相位测量精度，从而实现能力大幅提升。同时，系统通过LEO卫星星座对无电离层、对流层扰动的导航信号进行观测，可提升MEO系统的完好性和精度。在开普勒系统架构下，地面运控系统的测量通信设施大多不再必要，仅需少量地面站维持与地球坐标框架的一致，以及特殊情况下操控系统的能力。
3、国内多家开展低轨增强研究和技术试验
国内多家单位开展了低轨卫星增强的相关理论研究、仿真计算和在轨卫星验证，并提出了相应的星座计划。“鸿雁”“虹云”“天地一体化信息网络”等通信星座均考虑了低轨卫星增强的需求，微厘空间、箭旅镜像主打低轨高精度增强；同时“鸿雁星座试验星”“珞珈一号”“微厘空间” “网通一号”等低轨试验卫星的在轨技术试验，为低轨卫星导航信号增强技术、精度增强等技术积累了试验数据。
二、低轨增强为卫星导航带来的新赋能
1、低轨星座和信号具有独特优势
1）低轨卫星轨道低、重量小，卫星造价和发射成本较低
低轨卫星比中高轨卫星的重量轻、轨道更低，可通过一箭多星方式发射，卫星的研发成本和火箭发射成本较低。
2）落地信号强度更高，可改善遮挡遮蔽条件下定位效果，提升可用性
低轨卫星轨道高度一般为1000km左右，相较于20000km以上高度的中高轨导航卫星，低轨卫星信号传输路径更短、信号时延和功率损耗更小。简单来说，如果低轨卫星和中高轨卫星发射相同的信号功率，低轨卫星发射抵达地球表面的信号功率将比中高轨卫星高出30dB（即1000倍）。更强的落地信号功率，可在复杂地形环境和复杂电磁环境下改善定位的效果，提升抗干扰和反欺骗能力。
3）低轨卫星运行速度快，加快高精度定位收敛时间，用户体验更优
中高轨卫星星座几何构型变化慢，相邻历元间观测方程之间的相关性太强，因此在进行定位参数估计时，需要较长的时间才能估计和分离各类误差，进而固定载波相位模糊度、实现精密定位。因此，传统高精度定位的收敛时间一般为15分钟~30分钟。
而低轨卫星绕地球旋转一周的时间远小于中高轨卫星，在相同时间段内过的轨迹更长，几何构型变化快。理论上，低轨卫星运行1分钟，约相当于目前中轨卫星运行20分钟的几何变化。低轨卫星的轨道特性，有助于加快高精度定位的收敛时间，达到1分钟级收敛，用户体验更加优异。
图1 相同时间内低轨与中轨卫星划过的轨迹，其中红色为中高轨卫星轨迹，蓝色为低轨卫星轨迹
4）更高的信息速率，能播发更多的精密改正信息
由于落地信号功率的提升，低轨增强信号可以承载更高的信息速率或更大的信号带宽，作为卫星导航基本电文及差分改正电文的播发通道。
5）终端小型化、集成化、低功耗，易于用户使用
低轨增强信号功率的提升，有利于地面用户使用更小型化的终端设备；同时，作为通信使用时，地面用户以更小的信号功率，就能被低轨卫星正常接收。
2、助力构建GNSS全球天基监测网
一般来说，GNSS需要全球分布的地面监测站进行观测支持，美国、俄罗斯和欧洲基本都采用全球建站的途径来满足全球连续观测要求。美国GPS系统监测站大都分布在赤道附近，包括科罗拉多、迪戈加西亚、阿森松、卡瓦加林、夏威夷五个监测站；俄罗斯东西跨度大，基本可解决GLONASS系统全球观测问题；欧洲Galileo系统可以在海外殖民地建站，实现全球观测。我国北斗系统当前主要是立足国内建站，通过星间链路实现全球观测和运行支持。
基于低轨卫星星座，可助力构建GNSS全球天基监测网。
1）实现对卫星导航信号的高质量全球监测
相比于地面监测网络，低轨卫星对导航信号的观测具备受电离层、对流层等影响小，跟踪弧段长、覆盖次数多，多径效应影响小等特点。低轨卫星作为GNSS的高精度天基监测站，可极大改善观测几何，削弱切向轨道与相位模糊度的相关性，提高导航卫星轨道和钟差精度，并有效弥补地基监测网在空间覆盖上的不足，实现全球高质量监测。
图2 天基监测与地面监测
2）可有效提升卫星定轨精度
通过选取30颗导航卫星，对仅地面监测站，以及低轨星基监测与地面联合监测两种情况的定轨能力进行仿真分析。仅地面监测站进行定轨的空间信号精度约0.3米；加上12颗低轨卫星组成天基监测站联合定轨仿真，信号精度约0.1米。初步分析可知，地基与基于低轨星座的天基联合监测和定轨，可使星座定轨精度提升1倍以上。
图3 地面定轨以及地基天基联合定轨的精度仿真比对结果
3、助力提供全球准实时高精度服务
1）高精度定位服务供应商多样化，服务模式层次化
目前，高精度定位服务（精密单点定位，PPP）主要包括商业PPP服务和卫星导航系统内嵌PPP服务两种类型。
提供商业服务的主要有美国喷气推进实验室（JPL）的用于卫星定轨、科学研究和高端商业服务的全球差分GPS（GDGPS）系统，Navcom公司的StarFire系统，Trimble公司 OmniSTAR系统和RTX系统，Fugro公司StarFix/SeaStar系统，Oceaneering International公司C-Nav系统，Hexagon公司 Veripos系统和TerraStar系统等，包含米级、分米级、厘米级等多种服务能力。
近年来，随着行业和大众高精度应用需求的日益增加，欧洲Galileo、日本QZSS和我国北斗在卫星导航系统中也内嵌设计和提供PPP服务。Galileo基于E6B信号提供免费PPP服务，播发速率500bps，对GPS和Galileo两系统进行增强，实现分米级定位。QZSS精密定位分为亚米级增强服务（SLAS）和厘米级增强服务（CLAS）两类，均为免费服务，分别由L1和L6信号提供，其中CLAS服务播发速率达到2000bps，能够同时对四大GNSS和QZSS共五系统进行增强。我国北斗系统利用GEO卫星，向中国及周边地区用户提供高精度定位免费服务，播发频点为B2b，速率500bps，实现实时分米级、事后厘米级定位。
2）低轨卫星精度增强具有快速收敛特性，可提升高精度用户体验
目前，GNSS通过中高轨卫星提供的PPP服务，因其轨道变化慢，收敛时间通常为15~30分钟。虽然日本QZSS系统采用PPP-RTK技术，将PPP服务的收敛时间缩短到1分钟以内，但需要大量高度密集的地面监测站支持，仅日本国土范围内就需要建设上千个监测站。而低轨卫星具备全球GNSS高精度监测能力，且几何变化大，易于高精度定位快速收敛。相关研究表明，融合低轨卫星星座后，卫星导航系统PPP服务的收敛时间，可缩短到1分钟以内，用户可准实时获取高精度服务。
4、助力提供全球高完好性监测服务
1）各星基增强系统当前主要提供区域完好性服务
完好性（Integrity）服务是指在导航卫星发生故障和风险时及时向用户告警，以提高用户使用安全性的能力，对民航等涉及生命安全用户来说尤为重要。
目前各星基增强系统（SBAS）主要包括美国联邦航空局广域增强系统（WAAS），欧洲地球静止卫星导航重叠服务系统（EGNOS）、我国北斗星基增强系统（BDSBAS）、俄罗斯差分校正和监测系统（SDCM）、日本多功能卫星增强系统（MSAS）、印度GPS辅助型对地静止轨道扩增导航系统（GAGAN）、韩国卫星增强系统（KASS）系统等，均播发差分改正数，对某一区域进行GNSS精度和完好性增强。各系统覆盖如下图所示。
图4 SBAS服务供应商及覆盖范围
2）具备更高质量的天基完好性监测能力
通过低轨星座的GNSS全球天基监测网，可实现对导航卫星完好性的天基监测，而且低轨星座的轨道特性，使其不受电离层、对流层影响，多径影响也比地面小，可提升对导航卫星完好性的监测能力。
3）可向全球播发完好性告警信息
未来，用户对SBAS服务的需求将不仅满足于区域，而是向全球扩展。低轨星座的全球覆盖特性，使其天然具备播发全球完好性服务的能力。
三、结语
问渠哪得清如许，为有源头活水来。当前，各大世界卫星导航系统也在规划部署新一代系统发展，积极寻找新的能力增长点。美国通过低轨铱星系统增强和补充GPS能力，并加速推进GPS III星座部署，启动高轨（GEO）NTS-3导航技术卫星试验计划；俄罗斯将SDCM（差分改正和监测系统）高轨卫星，纳入GLONASS系统体系，并计划发射6颗IGSO倾斜轨道卫星，构建中高轨混合星座；欧洲也着手开展第二代Galileo系统研发，考虑LEO来增强系统服务能力。各种不同轨道卫星的融合，将为世界卫星导航带来新变化、新发展，而其中低轨星座因其独特优势，可能成为一缕清泉、一股活水，为世界卫星导航发展注入新的动力源泉。
GNSS服务创新发展，永不止步！（卢鋆）
