基於「鴻雁」星座的全球導航增強系統

近年來，隨著低軌通信星座的興起，基於低軌通信星座的全球導航增強系統成為衛星導航增強領域的熱點。「鴻雁」系統是中國航天科技集團有限公司推出的一個低軌移動通信及寬頻互聯網星座，該星座將融合導航增強功能，期望通過低軌導航增強，使得高性能導航服務從行業用戶進入大眾市場。

經充分挖掘「鴻雁」低軌星座在導航定位中的應用潛力，結合我國國家定位導航授時（PNT）體系建設需求，「鴻雁」系統將配置導航增強功能。作為「天基監測站」，通過在低軌「鴻雁」衛星上配置高精度GNSS 監測接收機，採用地面區域監測網+ 天基全球監測網的觀測體制實現中高軌導航衛星與低軌通信衛星的聯合精密定軌與鐘差確定，解決我國海外建站的不足；作為「導航信息源」，通過播發精密軌道、精密鐘差、完好性信息以及導航增強信號，實現動態分米級、靜態厘米級的全球精密單點定位（GPPP），收斂時間從30min 左右縮短到1min 以內，同時提供類似「下一代銥星」系統的安全定位授時功能。可以看出，相比「下一代銥星」系統，「鴻雁」導航增強在「天基監測站」和「導航信息源」兩個方面均有增量。

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系統方案

「鴻雁」全球導航增強系統由空間段、地面段及用戶段組成。空間段主要包括GNSS 系統和「鴻雁」衛星星座；地面系統主要由監測站、中心處理站、信息傳輸與分發網路組成；用戶段為聯合接收導航衛星及「鴻雁」衛星進行定位的用戶接收機。採用四大GNSS 系統雙頻監測，全球稀疏地面監測站，播發GPPP 增強信息和雙頻增強信號實現精度、完好性、可用性和定位實時性增強。

1） 天地一體高精度GNSS 監測處理。基於地面區域稀疏監測站+ 天基全球監測站（低軌高精度GNSS 接收機），進行高中低地聯合精密軌道與鐘差確定，實時獲取四大GNSS 系統及低軌星座的精密軌道鐘差等參數。

2） 實時高精度PNT、安全PNT。用戶接收GNSS/LEO 信號實現全球動態分米級、靜態厘米級的GPPP，收斂時間小於1min；獨立接收LEO 星座信號實現導航備份，增強複雜地形環境和複雜電磁環境下的導航服務能力。

系統工作原理與流程如下：「鴻雁」衛星通過配置高精度GNSS 監測接收機，生成馴服到GNSS系統的時頻基準信號（10MHz 和1PPS），衛星通信載荷基於該時頻信號產生測量通信一體化信號向用戶播發。同時，監測接收機觀測數據通過星間鏈路下傳到境內中心處理站，中心處理站利用地面監測站聯合「鴻雁」衛星移動監測站觀測數據生成精密星曆，通過饋電鏈路和星間鏈路上傳至衛星，然後通過用戶通信鏈路廣播。用戶通過接收衛星通信鏈路播發的測量通信一體化信號實現精密星曆的獲取，實現全球精密單點定位。

基於「鴻雁」星座的全球導航增強系統原理框圖

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主要的技術體制

（1） 高中低地聯合精密定軌技術體制

傳統的導航衛星精密定軌是利用全球布設的監測站對導航衛星進行偽距和載波相位測量，然後通過定軌處理實現導航衛星的精密定軌。我國由於國土疆域的限制及其他因素，難以實現全球建站。「鴻雁」系統在我國建設區域地面監測站，並通過在低軌衛星上配置高精度GNSS 監測接收機實現全球移動監測，從而構成了一個天地一體的監測網。低軌衛星將導航衛星測量數據通過星間鏈路和星地鏈路傳回國內數據處理中心，聯合地面區域監測站監測數據通過數據綜合處理完成中高軌導航衛星和低軌衛星精密定軌。「鴻雁」衛星作為「天基監測站」可以有效填補我國海外站的不足，通過高中低地聯合精密定軌實現實時精密星曆獲取。

採用BDS 星座（5GEO+3IGSO+27MEO） 與「鴻雁」星座相結合進行了模擬，分別對國內8 個站，國內8 個站聯合3 顆LEO 衛星和國內8 個站聯合10 顆LEO 衛星三種方案的精密定軌的結果進行比較。僅用8 個地面區域測站，GEO 衛星能夠達到米級的定軌精度。當加入3 顆LEO 之後，GEO 衛星得到了極大的改善，特別是切向方向。其位置RMS 從262.98cm 降為3.55cm， 軌道精度提高了98.7%。當LEO 數量增加為10 顆時，GEO 衛星的軌道精度得到了進一步的提升。對於MEO 衛星，僅利用中國區域8 個測站的定軌精度為24.28cm，這是由於使用了中國區域測站。相比於僅用地面測站的結果，當分別加入3 顆、10 顆LEO 衛星之後，MEO 衛星的軌道精度均得到了大幅度的提升，分別提升了84.8%、92.1%。

（2）GNSS/LEO 聯合PPP 技術體制

基於載波相位的PPP 技術是目前全球範圍內開展精密定位的主要技術手段，導航衛星由於軌道高，幾何圖形變化慢，在建立精密定位法方程時相鄰曆元方程之間的相關性太強，在進行定位參數估計時需要較長的時間估計各類誤差之後才能進行載波相位模糊度的固定，從而實現精密定位。低軌衛星具有軌道低、運動快的特點，衛星幾何圖形變化快，短時間曆元間方程的相關性較導航衛星弱。因此，低軌衛星聯合導航衛星進行PPP 有利於定位誤差參數的估計，從而可以加速精密定位的快速收斂。「鴻雁」系統為縮短PPP 收斂時間將播發雙頻導航增強信號，300 顆星左右收斂時間將優於1min（收斂偏差10cm），當收斂偏差降低時，收斂時間也將大幅縮短。

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關鍵技術

低軌導航增強系統相比當前的SBAS 系統是一種全新的技術體制，是在低軌通信星座蓬勃發展的歷史機遇背景下提出的。因此，除了導航增強技術相關的關鍵技術，如何與低軌通信星座融合將是系統成功運行的關鍵所在。主要的關鍵技術如下：

1）區域監測站條件下的低軌衛星與中高軌導航衛星聯合定軌。考慮我國地基監測站無法全球均勻布設的現實條件，需要在低軌衛星上配置監測接收機，並聯合地面區域監測站實現天地一體聯合監測，用於GNSS 衛星和低軌衛星的精密軌道與鐘差確定。需要設計並選擇合理分布的區域地面跟蹤站網，綜合考慮計算負荷、低軌星座的構型等要求，優化參與聯合定軌的低軌衛星。融合區域地面跟蹤網和星基跟蹤站等多源觀測數據，彌補地面跟蹤站的不足，改善整個跟蹤網的圖形結構，實現不同軌道高度衛星群精密軌道的快速確定以滿足實時應用的需求，從而豐富並發展導航衛星與低軌衛星精密聯合定軌的理論與方法，生成厘米級實時精密軌道與鐘差改正數。

2）低軌星座增強北斗/GNSS 實時精密單點定位技術。由於低軌衛星觀測弧段短、運行速度快、大氣阻力影響大，導致地面站所接收到的低軌衛星觀測數據中周跳較多、粗差影響大。因此，探究適用於低軌衛星數據預處理與質量控制方法是實現穩健可靠的精密定位服務的關鍵和首要環節，旨在為後續高精度數據處理提供「乾淨」的觀測資料。多源異構星座的融合，既帶來了成倍增長的觀測值，也產生了各種各樣的偏差，如碼間、頻間、系統間等偏差。在確定了低軌增強北斗/GNSS 精密定位數學模型後，就需要對觀測模型中各偏差參數的可估條件進行分析。在多種星座融合的條件下，進一步分析低軌衛星和導航衛星觀測值中的各類偏差的時域與空域特性，幫助確定精密定位中這些偏差的隨機模型，如是採用常數估計，還是採用白雜訊、隨機遊走等估計，以及這些偏差估計時約束的鬆緊程度，這些均影響精密定位的估計結果。聯合低軌衛星增強GNSS 精密定位時，處理高維及低軌衛星高動態、短弧段條件下的模糊度快速解算問題是待突破的難點。最終，需論證和評估低軌星座增強北斗/GNSS 實時精密單點定位性能。

3）衛星導航與衛星移動通信深度融合關鍵技術。頻率資源是低軌通信星座最核心的資源，移動通信下行採用L 頻段播發，導航增強應充分與移動通信頻段兼容以降低成本及風險，因此衛星導航與衛星移動通信深度融合成為系統建設的關鍵。移動通信衛星一般採用多波束天線對地形成多個蜂窩小區，並採用頻率多色復用技術提升用戶容量，因此需突破基於多波束天線的通導信號一體化設計，充分利用通信頻率資源和功率資源，在L 頻段上實現通信和導航信號一體播發。

4）小型化、輕量化、低功耗和低成本導航增強載荷技術。低軌通信衛星平台小，質量、功耗和成本均需要精細控制，因此在進行載荷設計時要面向低體積質量功耗（SWaP）進行設計，「鴻雁」衛星在進行導航增強載荷設計時，採用高精度載荷硬體架構技術+ 片上系統晶元技術+ 可重構軟體系統技術，實現高精度時空基準、載荷小型化低功耗，降低成本，採用軟體定義載荷技術，實現在軌維護和升級擴展。

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展 望

當前，低軌通信星座的蓬勃發展為衛星導航增強帶來了新的歷史機遇，低軌衛星具有空衰小、幾何變化快的優勢，與當前中高軌GNSS 衛星可形成互補。基於「鴻雁」星座的全球導航增強系統有望解決當前增強系統在全球覆蓋、低落地功率和PPP 收斂時間過長的問題，服務於未來以電網、銀行、證券、軍事等高價值安全用戶，以及以自動駕駛為代表的實時精密定位用戶，隨著智能手機、移動設備等處理能力日益增長，最終有望走進千家萬戶，實現大眾應用。

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