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标题：低轨卫星导航增强需求与关键技术 作者：杨元喜*，毛悦，任夏，贾小林，孙碧娇 关键词：低轨导航星座；精度增强；轨道测定；完好性
图片来自作者 Demand and key technology for a LEO constellation as augmentation of satellite navigation systems Yuanxi Yang*, Yue Mao, Xia Ren, Xiaolin Jia and Bijiao Sun Satellite Navigation (2024) 5: 11 引用文章: Yang, Y. X., Mao, Y., Ren, X. et al. Demand and key technology for a LEO constellation as augmentation of satellite navigation systems. Satell Navig 5, 11 (2024). https:///10.1186/s43020-024-00133-w PDF文件下载链接： https://satellite-navigation./articles/10.1186/s43020-024-00133-w -长按识别二维码查看/下载全文- Editorial Summary LEO Augmentation: Demand and Key TechnologyGNSS augmented by LEO constellations can improve not only the accuracy of PNT, but also the consistency and reliability of secure PNT. This paper mainly analyzes the diverse demands of different PNT users for LEO augmented GNSS, including the precision demand in real-time, the availability demand in special areas, the navigation signal enhancement demand in complex electromagnetic environments, and the integrity demand with high security. Correspondingly, the possible contributions of LEO constellations to PNT performance are analyzed from multiple aspects. A particular attention is paid to the special PNT requirements that cannot be fulfilled with existing GNSS, such as the PNT service demand in the polar regions and the onboard GNSS orbit determination demand of some LEO satellites. The key technologies to be considered in the constellation design, function realization, and payload development of the LEO-augmented navigation system are summarized. 1.本文梳理了低轨导航卫星在PNT服务能力提升方面的主要优势，分析了高精度用户精度增强、南北极用户定位、其他低轨卫星自主测定轨、复杂电磁环境服务、泛在完好性等对低轨导航增强星座建设的需求。 2.本文提出了8项低轨导航增强星座可能的贡献，并通过仿真数据量化分析了其对南北两极用户定位和星载GNSS定轨的贡献。 3.本文提出了需要特别关注的低轨导航增强星座建设关键技术，包括频率兼容、功率增强、自主测定轨、小型化设计和多载荷共用等。 内容简介 近地轨道（LEO）星座增强卫星导航在全球导航卫星系统（GNSS）的未来发展中具有重要意义。LEO星座增强GNSS不仅可以提高定位、导航和定时（PNT）的准确性，还可以提高安全PNT系统的一致性和可靠性。本文主要分析了不同PNT用户对LEO增强GNSS的不同需求，包括实时精度需求、特殊区域可用性需求、复杂电磁环境下的导航信号增强需求以及高安全性的完整性需求。相应地，从多个方面分析了低轨星座对PNT性能的可能贡献。特别关注现有全球导航卫星系统无法满足的特殊PNT用户需求，例如极地的PNT服务需求和一些低轨卫星的机载全球导航卫星导航卫星系统定轨需求。总结了低轨增强导航系统在星座设计、功能实现和有效载荷开发中需要考虑的关键技术。 图文展示 I 低轨卫星导航增强需求 （1）低轨导航卫星精度增强需求。现有GNSS实时定位精度一般只有米级或分米级，尽管可以满足绝大多数用户需求，但是在地壳变形监测、地质灾害实时监测预警、智能自主控制、无人驾驶汽车航行等领域（如无人机的高精度时间同步与定位控制、精准农业的农田信息管理与农机作业、高铁安全运行与控制、汽车自动驾驶），对厘米级或毫米级的定位精度和纳秒级的授时精度也有很高的需求。LEO增强星座的应用不仅可以实现厘米级的精确定位、分米级的导航和纳秒级的定时，还可以提高PNT服务的可靠性。 （2）极地低轨导航卫星的可用性需求。现有GNSS星座在低纬度地区具有很好的覆盖性，观测几何构型良好，但是对于高纬度地区，尤其是南北极地区覆盖性较差。单一星座（如GPS、BDS等）尽管可以覆盖南北极地区，但是用户观测的卫星数相对较少，而且卫星仰角相对较低，例如北斗卫星对极地用户的最大仰角为55.12°。对于PNT用户来说，如果只应用BDS星座，尤其是当某颗BDS卫星处于不健康状态时，会导致精度较差，甚至服务不连续。 （3）其他低轨卫星自主测定轨需求。低轨遥感卫星、低轨通信卫星和其他低轨感知卫星用户通常采用星载GNSS接收机实现实时轨道测定，然而单个GNSS系统的可见性通常不够好。在实际的LEO工程应用中，有时会出现由于可见卫星数量少于4颗而无法实现运动学轨道确定的情况。因此单个GNSS星座很难满足LEO卫星的实时和连续轨道确定需求，尤其是极地轨道卫星。  图1a 500km高度低轨卫星在极区平均可见北斗卫星数  图1b 1000km高度低轨卫星在极区平均可见北斗卫星数 （4）低轨导航星座复杂电磁环境服务能力需求。复杂电磁环境下PNT高性能服务要求星基PNT具有较强的抗干扰能力和防欺骗能力，因此对卫星信号的增强提出了很高的要求。北斗卫星B1、B2、B3频点落地电平一般在-152dB到-158dB之间，比接收机热噪声还要低约20dB，无论是刻意干扰还是无意干扰都可能导致用户无法正常使用北斗PNT服务。面对强对抗电磁环境，北斗常规服务模式更难发挥作用。低轨卫星由于轨道高度相对较低，即使与北斗同样的发射功率，信号落地电平也会显著提升。但是，面对高强度电磁对抗，低于20dB的信号增强勉强抵偿接收机热噪声影响，不具备强对抗能力；此外，如果采用低轨通信与导航增强集成卫星，如果导航信号功率过强，还可能导致通信信号受到干扰。 （5）低轨导航卫星泛在完好性需求。这里的“泛在完好性”是指包括航空PNT服务安全、高铁PNT服务安全、电力PNT服务安全、无人驾驶汽车和无人飞机自动飞行PNT服务安全等在内的广泛需求的卫星PNT完好性和自主完好性。大多数情况下人们只关注航空飞行的完好性，实际上载人飞船、高速铁路航行等也需要完好性信息支持。仅依靠GNSS单一系统提供的完好性，有时不足以支撑各类用户的完好性需求。 II 低轨导航增强星座可能的贡献 （1）低轨导航增强卫星往往采用小卫星构成低轨导航增强系统，卫星重量较轻，卫星制造成本和发射成本一般相对较低。 （2）低轨卫星轨道高度低，信号空间传播损耗小，落地信号强度往往高于中高轨卫星信号（例如，780km轨道高度的铱星落地信号比GPS强30dB），具有更强的穿透能力和抗干扰能力，在强对抗环境和非暴露空间中具有更高的可用性。 （3）低轨卫星数量多，可与中高轨导航卫星一起提供PNT服务，进而显著增加地面用户PNT服务的可见卫星数量，优化观测几何结构，提高服务精度。 （4）合理设计低轨导航星座，还可以显著优化南北极地区用户的卫星PNT服务的几何强度，提高南北极用户的PNT服务精度，弥补中高轨GNSS星座在极区的服务劣势。如果低轨导航星座适当提高轨道高度和轨道倾角，则可提高其他低轨卫星的采用星载GNSS实现自主定轨的精度。 表1 极区低轨导航星座以及BDS+低轨导航星座PNT精度衰减因子  表2 极区可见卫星数计算结果统计值  （5）低轨卫星相对用户运动速度快，具有更显著的多普勒效应，可以提高用户测速精度；同样，由于低轨星座的观测构型变化快，可以降低观测方程的历元相关性，进而降低PNT数据处理的随机模型难度。 （6）低轨导航星座与中高轨导航星座进行联合定轨，可以同时提高中高轨卫星和低轨导航卫星的轨道测定精度，进而提升PNT服务性能。 （7）如果低轨卫星再播发GNSS轨道改正参数和时间改正参数，则可以作为中高轨卫星的增强，可显著提高精密单点定位载波相位模糊度参数的收敛速度。通过仿真分析，与仅使用GPS的PPP相比，使用LEO和GPS星座的浮点解PPP的收敛时间可以缩短50%以上；与单独使用BDS的PPP相比，利用LEO和BDS星座的收敛时间可以从30分钟缩短到1分钟；使用60颗卫星组成的LEO星座，多GNSS PPP固定解决方案的首次固定时间可以缩短50%以上；如果应用更多的LEO卫星，可以获得更好的结果。此外，如果LEO能够广播精确的参数校正，LEO星座还可以增强BDS PPP-B2b服务，并将其从区域扩展到全球。 （8）低轨导航增强星座可以播发GNSS星基增强改正数和完好性信息，提高星基增强的PNT服务的可靠性和安全性；进一步，当GNSS星座与低轨导航增强星座联合服务于低轨卫星、航空、地面和海面用户时，用户的自主完好性会得到显著提升，虚警率会显著降低，尤其是基于抗差估计的高低轨联合PNT服务的自主完好性更高。  图2a 500km高度卫星在极区平均可见低轨导航星数 图2b 500km高度卫星在极区平均可见低轨导航星和北斗星总数 图1c 1000km高度卫星在极区平均可见低轨导航星数 图1d 1000km高度卫星在极区平均可见低轨导航星和北斗星总数III 低轨导航增强星座建设关键技术 （1）星座设计技术：低轨增强导航星座的设计应主要考虑当前GNSS的覆盖弱点，满足多个特殊用户（如极地用户和低轨卫星用户）对PNT服务的新要求，并减轻用户在特定地区应用卫星PNT服务时的负载负担。在此基础上，星座规模应尽可能合理，以减轻系统的运维负担，节省建设成本。 （2）LEO、MEO和HEO导航卫星的兼容性和互操作性技术：涉及信号频率选择、信号调制方式、发射功率等。LEO、MEO和HEO信号的设计应满足兼容性和互操性的要求，以确保信号不会相互干扰，并易于用户接收和处理。为了适应特殊时期的需求，导航卫星必须解决信号调制方式的自适应转换问题和软件定义频率的困难。此外，导航信号还应考虑与其他车载无线电设备的电磁兼容性，尤其是对于多功能低轨星座。 （3）低轨导航卫星的信号功率增强技术：现有的MEO导航卫星由于轨道高度的限制，信号功率增强能力通常比原始信号高8-15dB。在复杂的电磁环境中，基于卫星的导航信号通常需要增强30dB以上。因LEO比MEO具有更强的落地电平，而成为合理的选择。该技术不仅旨在实现更强的功率增强能力，还旨在解决在特殊时期、特殊区域、特殊电磁环境下的弹性快速信号增强问题。 （4）低轨增轨导航卫星自主运行技术：根据现有的仿真分析和星座建设规划，低轨导航星座通常由分布在不同高度和平面的数十颗甚至数百颗低轨卫星组成。在地面资源有限，尤其是只有区域地面跟踪系统的情况下，操作如此大规模星座县的困难。因此，有必要解决大型低轨星座的自主定轨、自主计时和授时问题，以及大型星座自主遥测、跟踪和指挥（TT&C）的挑战。 （5）关键有效载荷小型化和多有效载荷共享技术：卫星小型化和低功耗是大规模星座建设的必要条件。低轨导航星座必须利用小型卫星平台是实现多PNT功能，以控制整个星座的建设成本，这也是共享实现快速组网能力的前提。 
杨元喜 院士 本文第一和通讯作者 西安测绘研究所 地理信息工程国家重点实验室 ▍作者简介 杨元喜，1956.07，江苏泰县人，中国科学院院士（2007），北斗卫星导航系统工程副总设计师；国际大地测量协会会士，美国导航协会会士，全球前2%高影响力学者；《测绘学报》《Satellite Navigation》主编。先后获求是杰出青年实用工程奖、全国优秀共产党员、何梁何利基金科学与技术进步奖（地球科学奖）、航天基金钱学森杰出贡献奖等荣誉。2项成果获得国家科技进步二等奖，8项成果获得省部级科技进步一等奖以上奖励。共完成学术专著3部，合著5部，发表论文400余篇，其中SCI收录论文90余篇，论文引用超15000次。 撰稿：本文作者 编辑：李心怡 校对：毛悦 研究员 |
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