劉天雄 周鴻偉 聶欣 盧鋆 劉成

(1 中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部，北京 100094)(2 北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

2020年11月23日，第11屆中國衛(wèi)星導航年會在成都勝利召開，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)四大核心供應商的主管部門在大會上就系統(tǒng)建設、運行和發(fā)展情況給出了詳實的介紹，主要包括星座部署、定位精度、信號精度、星基增強、當前狀態(tài)、未來發(fā)展和PNT政策等內(nèi)容。美國國務院空間事務辦公室指出從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現(xiàn)代化，其中空間段導航衛(wèi)星從提高信號精度和信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性、播發(fā)第四民用信號L1C、延長工作壽命、配置性能更優(yōu)星載原子鐘等6個方面升級能力。歐盟國防工業(yè)與空間局在大會上給出了Galileo第二代系統(tǒng)(G2G)的任務目標和服務模式，全面解讀了歐洲對彈性衛(wèi)星導航系統(tǒng)的理解。俄羅斯聯(lián)邦航天局(Roscosmos)給出GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展路線圖，從精度、可用性、穩(wěn)健性和創(chuàng)新發(fā)展4個維度建設下一代的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)的國家主管部門的大會報告內(nèi)容十分精彩，在當前四大GNSS提供全球服務之際，各大系統(tǒng)都在謀劃下一代系統(tǒng)升級換代，采用新技術、研發(fā)新衛(wèi)星、構建新體系，GNSS新一輪競爭態(tài)勢凸顯。北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為我國第一個面向全球提供公共服務的重大空間基礎設施，一方面要制定措施保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，另一方面要開展下一代系統(tǒng)的關鍵技術的攻關，確保北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的先進性。本文系統(tǒng)地解讀了國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)在第11屆中國衛(wèi)星導航年會大會報告，結(jié)合當前衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研究熱點問題，總結(jié)了GNSS的發(fā)展趨勢，給出了建設下一代北斗系統(tǒng)的建議。

1 系統(tǒng)建設

1.1 星座部署

對于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)來說，導航信號(SIS)對服務區(qū)4重以上覆蓋是無線電導航業(yè)務(RNSS)的基本要求。衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座設計主要包括單顆導航衛(wèi)星軌道設計的權衡(軌道高度、軌道傾角、軌道周期)、性能臺階的目標及與緯度的關系、4重以上覆蓋、覆蓋幾何對幅寬的限制、星座覆蓋的綜合權衡(衛(wèi)星數(shù)量、軌道平面數(shù)量、性能臺階、平均響應時間)等因素；基于以上考量，四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)均采用地球中圓軌道(MEO)衛(wèi)星，組成特定的Walker衛(wèi)星星座，用24顆衛(wèi)星對全球形成均勻覆蓋。例如美國GPS空間星座設計為24顆MEO衛(wèi)星形成Walker24/6/2星座；俄羅斯GLONASS系統(tǒng)星座設計為24顆MEO衛(wèi)星形成Walker24/3/2星座；歐洲Galileo系統(tǒng)星座設計為24顆MEO衛(wèi)星形成Walker24/3/1星座，3個軌道面每個軌道面2顆備份衛(wèi)星。GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)星座主要特征總結(jié)如表1所示[1]。

表1 GPS、Galileo和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座主要特征Table 1 Main constellation characteristics of GPS, Galileo and GLONASS

同其他星座相比，Walker星座設計能用更少的衛(wèi)星提供相同的覆蓋水平。在星座設計中，另一個重要的問題是要求將軌道參數(shù)維持在一個特定范圍內(nèi)，稱為“相位保持”，這就要求在一顆衛(wèi)星工作壽命期間所需機動的頻度和幅度最小。為了確保導航星座的可靠性，一般全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在每個軌道面配置在軌備份衛(wèi)星，而不是采用一般的Walker星座。例如，GPS空間星座24顆衛(wèi)星配置在6個軌道面，在其中的3個軌道面中各配置1顆備份衛(wèi)星，采用非標準Walker24/6/2星座設計方案，6個軌道平面且依次以A、B、C、D、E、F命名，每一個軌道上分布著4顆工作衛(wèi)星，處于同一個軌道上的衛(wèi)星，如圖1所示[2]。

圖1 GPS標稱星座導航衛(wèi)星配置Fig.1 Constellation design of GPS

衛(wèi)星導航系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，最明顯區(qū)別的就是為實現(xiàn)定位服務要求導航衛(wèi)星4重覆蓋，為可靠地保證這種覆蓋水平，實際的衛(wèi)星導航星座可提供4重以上的覆蓋。導航星座穩(wěn)健性要求在每個軌道面配置多顆衛(wèi)星，而不是一般化的Walker星座，且這些衛(wèi)星位于不同的軌道面上。例如，第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室給出GPS在軌衛(wèi)星數(shù)量為36顆，30顆在軌工作(Ops capable)，6顆設置為“不健康”(not set healthy)，這30顆工作衛(wèi)星分別為8顆BLOCK-IIR衛(wèi)星、7顆BLOCK-IIR-M衛(wèi)星、12顆BLOCK-IIF衛(wèi)星、3顆BLOCK-III衛(wèi)星[3]。目前，歐州航天局給出Galileo系統(tǒng)空間段由30顆衛(wèi)星組成，星座設計方案是Walker24/3/1，每個軌道面有2顆備份衛(wèi)星[4]。2019年，在第10屆中國衛(wèi)星導航年會上，歐洲GNSS辦公室給出Galileo在軌衛(wèi)星數(shù)量為26顆，其中22顆在軌工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆不可用，Galileo星座導航衛(wèi)星配置如圖2所示[5-6]。第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS在軌衛(wèi)星數(shù)量為28顆，其中24顆在軌工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆在軌維護[7]。由此可知，為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段導航衛(wèi)星的數(shù)量比標稱數(shù)量多，實際在軌衛(wèi)星數(shù)量如表2所示。

圖2 Galileo星座導航衛(wèi)星配置Fig.2 Constellation design of Galileo

表2 GPS、Galileo和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)量Table 2 Number of in-orbit satellites of GPS, Galileo and GLONASS

1.2 定位精度

衛(wèi)星導航系統(tǒng)利用導航信號傳播的到達時間(TOA)來確定用戶的位置?；居^測量是導航信號從位置已知的衛(wèi)星發(fā)出時刻到達用戶接收該信號時刻所經(jīng)歷的時間，時間乘以信號傳播速度，就可以得到衛(wèi)星和用戶之間的距離。用戶測量4個位置已知的衛(wèi)星到接收機之間的距離，通過4個球面交匯就能夠確定自己的位置。對于用戶來說，評價一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)性能優(yōu)劣的最直觀的指標就是定位精度。定位精度或者說用戶接收機解算位置的標準偏差是用戶等效測距誤差(UERE)和衛(wèi)星空間幾何分布的函數(shù)。導航衛(wèi)星空間幾何分布的影響被稱為幾何精度因子(GDOP)，它反映了由于星座中導航衛(wèi)星空間幾何關系的影響造成的偽距測量與定位精度之間的比例因子，是對用戶等效測距誤差的放大程度。用戶的定位精度(σA)由UERE(σUERE)和GDOP共同決定，UERE包含用戶測距誤差(URE)和用戶設備誤差(UEE)2部分誤差。URE主要取決于衛(wèi)星的位置和星鐘的精度，不會因為用戶位置變化，即與用戶位置無關系；而UEE取決與電離層、對流層延遲誤差等與空間物理環(huán)境相關的誤差以及多徑、接收機噪聲等與用戶設備相關的誤差，會因為用戶所處位置，環(huán)境不同而不同。URE定義為導航衛(wèi)星位置與鐘差的實際值與導航電文給出的預測之差，投影在衛(wèi)星到用戶視線上的等效距離誤差，反映了預報的導航星歷及鐘差精度，并最終影響用戶定位精度，也稱為導航信號測距誤差(SISRE)。衛(wèi)星始終在軌道空間運動，GDOP也是時間的函數(shù)，研究表明，對導航衛(wèi)星星座而言，觀測4顆導航衛(wèi)星時，GDOP典型解為2～3，因此，如果系統(tǒng)的定位精度要求為10 m，則偽UERE必須低于3.3 m，這是對導航系統(tǒng)設計提出要求的最原始依據(jù)。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室給出GPS信號用戶距誤差(URE)平均為52.2 cm(RMS)，最好為38.5 cm(RMS)，最差為90.2 cm(RMS)，觀測時間段是2019年11月7日—2020年11月7日[3]。也就是說，當GDOP值為3時，GPS的平均定位精度優(yōu)于5 m(RMS)。歐盟國防工業(yè)與空間局給出Galileo系統(tǒng)信號URE為0.25 m(95%)，全球平均定位精度小于1 m[8]，授時精度小于5 ns,觀測時間段是2020年7月。俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS系統(tǒng)信號URE最優(yōu)為0.63 m，觀測時間段是2020年5月13日—21日，公開服務(Open Service)定位精度是5.6 m[7]。由此可知，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位精度已進入米級時代，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的核心技術是高精度時空基準建立維持和傳遞、進一步提升導航信號精度以及電離層和對流層時延改正精度。國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務精度如表3所示。

表3 GPS、Galileo和GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)服務精度Table 3 Positioning accuracy and URE of service of GPS, Galileo and GLONASS

1.3 星基增強

GNSS不能全面滿足航空及精密測繪用戶的導航性能要求，特別是在涉及生命安全的精密進近和自動著陸導航過程中，GNSS定位精度和完好性指標均不能滿足要求。以GPS標準定位服務(SPS)為例，SPS全球平均定位精度水平誤差≤9 m(95%置信度)、垂直誤差≤15 m(95%置信度)，可以滿足民航非精密進近階段的定位精度要求(220 m)，但不能滿足I類精密進近操作(CAT-I)的精密進近垂直精度6.0～4.0 m要求。從完好性指標要求看，GPS可以提供一定程度的完好性服務，GPS在正常運行控制模式下，任意一小時內(nèi)，當SPS導航信號的瞬時用戶測距誤差超過導航容差(NTE)時，系統(tǒng)沒有及時向用戶告警的概率≤1×10-5，延遲告警的最壞情況為6 h，不能滿足CAT-I精密進近完好性要求(1-2×10-7/進近，且告警為6 s)[9]。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是一個以導航衛(wèi)星為核心的開環(huán)系統(tǒng)，導航衛(wèi)星播發(fā)調(diào)制有測距碼和導航數(shù)據(jù)的無線電導航信號，用戶接收導航信號就能解算自身的位置并獲取系統(tǒng)完好性信息。衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)的任務是建立天地一體閉環(huán)控制系統(tǒng)，將導航系統(tǒng)的偽距、鐘差、軌道、電離層和對流層延遲差分改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息同步播發(fā)給用戶，由此實現(xiàn)提高系統(tǒng)的定位精度和增強系統(tǒng)的完好性的目標。星基增強系統(tǒng)(SBAS)在廣域差分(WAD)系統(tǒng)基礎上，利用矢量差分技術和完好性檢測技術，提升系統(tǒng)性能。SBAS通過地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星播發(fā)差分改正數(shù)、完好性信息和測距信號來增強GNSS的性能，是一種廣域增強系統(tǒng)。目前提供SBAS服務的有美國廣域增強系統(tǒng)(WAAS)，歐洲地球靜止軌道衛(wèi)星導航中繼服務系統(tǒng)(EGNOS)，俄羅斯差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)(SDCM)，日本基于多功能運輸衛(wèi)星(MTSAT)的增強系統(tǒng)(MSAS)，印度GPS和GEO地球靜止軌道衛(wèi)星增強導航系統(tǒng)(GAGAN)，各SBAS對美國GPS的L1導航信號進行導航增強，播發(fā)GPS L1頻點的增強信號[10]。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室指出WAAS為北美4700多個民航機場提供帶垂直引導的航向道進近程序(LPV)服務，其中1000多個民航機場具備決斷高度為200 ft(60.96 m)的帶垂直引導的航向道進近程序(LPV-200)能力，達到CAT-I服務水平。為了保持WAAS服務可用性，WAAS正在研發(fā)新的3顆GEO衛(wèi)星，以取代目前北美地區(qū)上空租約到期的3顆GEO衛(wèi)星，計劃在2022年發(fā)射GEO-7衛(wèi)星。為了在電離層紊亂期間持續(xù)提高WAAS的垂直引導服務水平，目前WAAS正在開展雙頻多星座(DFMC)和先進接收機自主完好性監(jiān)測(ARAIM)研發(fā)工作[3]。俄羅斯聯(lián)邦航天局指出SDCM空間段有3顆GEO衛(wèi)星，其中2顆GEO衛(wèi)星(Luch-5B和Luch-5V)播發(fā)GPS L1導航增強信號，1顆GEO衛(wèi)星(Luch-5A)開展SBAS研究，SDCM測量俄羅斯上空電離層延遲，評估GLONASS、GPS和SDCM的完好性，提供精度為1.0 m的導航增強服務[7]。目前俄羅斯ISS Reshetnev公司利用Ekspress-1000N三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺，研發(fā)3顆新一代SDCM靜止軌道衛(wèi)星(Luch-5M)，替代即將到壽的Luch-5A、Luch-5B和Luch-5V衛(wèi)星，并計劃在160°E增加1顆SDCM靜止軌道衛(wèi)星，實現(xiàn)符合國際民航組織(ICAO)標準的DFMC星基增強服務[11]。歐盟國防工業(yè)與空間署指出EGNOS提供GPS L1導航信號增強服務,主要為涉及生命安全的應用提供完好性數(shù)據(jù)，用戶主要包括民航機場飛機精確著陸和鐵路運輸、公路收費以及無人機，同時為精準農(nóng)業(yè)用戶提供精度優(yōu)于0.5 m的導航增強服務[8]。EGNOS為民航提供民航機場提供一類垂直引導進近(APV-1)服務[12]。由此可知，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的星基增強系統(tǒng)一方面增強系統(tǒng)完好性為涉及生命安全的民航提供精密進近服務，一方面提高定位精度為精準農(nóng)業(yè)等用戶服務。國外衛(wèi)星導航星基增強系統(tǒng)的服務性能如表4所示。

表4 WAAS、EGNOS和SDCM衛(wèi)星導航星基增強系統(tǒng)服務性能Table 4 Approach type and positioning accuracy of WAAS, EGNOS and SDCM

2 系統(tǒng)發(fā)展

2.1 GPS現(xiàn)代化

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室指出從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現(xiàn)代化，空間段導航衛(wèi)星的重點是部署10顆GPS BLOCK-III和22顆BLOCK-IIIF衛(wèi)星，BLOCK-III衛(wèi)星在提高信號精度和信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性、播發(fā)第四民用信號L1C、延長工作壽命、配置性能更優(yōu)星載原子鐘等6個方面實現(xiàn)導航衛(wèi)星的能力升級和效能提升。BLOCK-IIIF衛(wèi)星從統(tǒng)一S頻段跟蹤遙測和遙控、配置搜索救援載荷、安裝激光發(fā)射器3個方面進一步提升衛(wèi)星效能?？刂贫蔚闹饕蝿帐菍⑦\行控制系統(tǒng)(OCS)分階段升級為新一代的運控系統(tǒng)(OCX)，支持空間段GPS BLOCK-III和BLOCK-IIIF衛(wèi)星的運控。用戶段的主要任務是配置接收現(xiàn)代化民用導航信號L1C(支持多GNSS之間的兼容互操作)、L2C(不同的商業(yè)應用)、L5(受保護的頻帶，應用涉及生命安全的服務)的用戶終端[3]。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)源于軍事需求。GPS BLOCK-III衛(wèi)星進一步強化GPS的軍事裝備屬性，BLOCK-III衛(wèi)星的特點是配置數(shù)字化載荷、大功率放大器、先進原子鐘以及星間鏈路(Commanding/Crosslinks)，較上一代GPS BLOCK-II衛(wèi)星，定位精度提高3倍，抗干擾能力改善8倍[13]。與此同時，美國空軍研究實驗室(AFRL)制定了先鋒計劃(Vanguard program)，研制導航技術衛(wèi)星3號(NTS-3)，NTS-3衛(wèi)星的敏捷波形平臺(agile waveform platform)是一個信號數(shù)字生成器，可以在軌可編程(reprogramed onboard)，由此可以實現(xiàn)軟件更新(update)、修改(modification)以及切換(switch)。利用大型相控陣L頻段天線，可以播發(fā)多個點波束(multiple spot beams)導航信號，導航天線如圖3所示；同時保留當前賦球波束導航信號(earth coverage broadcast capability)，導航信號播發(fā)示意如圖4所示。NTS-3衛(wèi)星的任務是測試新型導航信號體制，驗證以戰(zhàn)時彈性可用為目標的導航戰(zhàn)能力、支撐快速多變的戰(zhàn)時任務[14]。

圖3 NTS-3衛(wèi)星大型相控陣L頻段天線Fig.3 Large phased-array L band antenna of NTS-1

圖4 NTS-3衛(wèi)星導航信號播發(fā)示意圖Fig.4 SIS broadcast of NTS-1

2.2 第二代Galileo系統(tǒng)

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，歐盟國防工業(yè)與空間署指出歐盟二代Galileo系統(tǒng)(G2G)的屬性是彈性。G2G服務模式、任務目標已同相關投資方達成一致，服務模式演進包括先進授時服務、空間服務規(guī)模、先進接收機自主完好性監(jiān)測、緊急告警服務、搜索救援(具有返向鏈路的創(chuàng)新服務)、電離層延遲預測服務、導航信號演進(在用戶終端層次提高性能，包括降低功耗、縮短首次定位時間、提高精度、服務鑒權認證等)、第二代搜索救援信標機、播發(fā)L3導航信號、公開新的INAV接口控制文件(主要用于生命安全服務)并向后兼容[8]。

針對2019年Galileo系統(tǒng)服務中斷問題，問題咨詢委員會給出G2G的彈性屬性建議。歐盟國防工業(yè)與空間局定義G2G的彈性屬性包括2個方面。①加強控制段運行控制系統(tǒng)的程序指導，包括5個環(huán)節(jié)：在系統(tǒng)發(fā)生多重故障時，系統(tǒng)要保持導航功能，系統(tǒng)性能允許適度降級(graceful degradation)；改善在軌升級能力；根據(jù)現(xiàn)有服務和新的服務，審查保證正常服務的要素冗余情況；審查控制段運行控制的過程和程序；持續(xù)加強網(wǎng)絡安全。②提高當前定義的授時服務的穩(wěn)健性[8]。(2019年7月11日，Galileo系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)生導航電文信息中斷問題，導致全球范圍所有利用Galileo系統(tǒng)進行定位、導航和授時等服務的用戶無法獲得位置和時間信息。此次服務中斷117 h 10min。2019年7月14日4時15分，Galileo系統(tǒng)發(fā)布第2次公告稱“UTC時間2019年7月12日1時50分起，伽利略系統(tǒng)所有衛(wèi)星導航信號不能使用，在下一次公告前，所有用戶將經(jīng)歷伽利略服務中斷”。在2019年ICG大會上，歐盟對此次服務中斷的原因解釋是“owing to the rejection of expired NAV messages”[15]。)根據(jù)歐盟的解釋，可以認為2019年Galileo系統(tǒng)服務中斷是地面控制中心數(shù)據(jù)處理軟件故障導致，造成處理的衛(wèi)星精密軌道、精密鐘差等導航電文信息錯誤。此外，時間同步是衛(wèi)星導航系統(tǒng)正常運行的前提，因此，Galileo地面控制中心的時間統(tǒng)一系統(tǒng)也有可能出現(xiàn)異常，造成控制中心所有業(yè)務運行混亂或運行錯誤。

2.3 GLONASS現(xiàn)代化

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展路線圖，從精度、可用性、穩(wěn)健性和創(chuàng)新發(fā)展四個維度建設下一代的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。從為GLONASS-M和GLONASS-K衛(wèi)星配置星間鏈路(Inter-Satellite Links)和新一代高精度原子鐘、全球部署導航信號監(jiān)測網(wǎng)絡、公布對流層和電離層延遲模型四個維度提升系統(tǒng)精度。創(chuàng)新發(fā)展包括發(fā)射GLONASS-K2系列導航衛(wèi)星和研發(fā)多頻接收機兩個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)魯棒性包括建設導航信號干擾監(jiān)測和控制系統(tǒng)以及研發(fā)彈性導航接收機兩個環(huán)節(jié)?？捎眯园槭褂脽o人機立法和為多個通道用戶播發(fā)導航信息兩個環(huán)節(jié)[7]。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明GLONASS的現(xiàn)代化包括研制新一代導航衛(wèi)星和地面控制段兩個環(huán)節(jié)，導航衛(wèi)星現(xiàn)代化又包括研制GLONASS-K、GLONASS-K2、GLONASS-B和LUCH 4個系列的導航衛(wèi)星，其中GLONASS-K2系列導航衛(wèi)星是GLONASS系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的關鍵，包括采用Ekspress-1000N三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺、衛(wèi)星設計壽命大于10年、星載原子鐘頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-14/天、采用一副相控陣天線播發(fā)雙頻(L1、L2)FDMA體制導航信號和三頻(L1、L2、L3)CDMA體制導航信號、配置無線電星間鏈路天線(Radio cross-links)、激光星間鏈路天線(Optical cross-links)、雙向/單向激光測距設備以及國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)(COSPAS-SARSAT)搜索救援等載荷[7]。

3 發(fā)展趨勢

3.1 配置激光星間鏈路

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的特征之一是導航衛(wèi)星全球組網(wǎng)，借助星間鏈路技術，一方面可以實現(xiàn)衛(wèi)星之間的雙向距離測量和數(shù)據(jù)傳輸，提升衛(wèi)星廣播星歷和廣播鐘差的精度，縮短衛(wèi)星廣播電文的更新周期，從而實現(xiàn)自主導航。具體來說是衛(wèi)星星間鏈路收發(fā)信機可以觀測到星間測距數(shù)據(jù)，星間測距數(shù)據(jù)減去利用衛(wèi)星星歷計算得到的星間距離，就可以得到一個距離偏差(O-C)方程；同時，利用星間距離對星歷參數(shù)作微分而得到偏導數(shù)矩陣；由此可以建立反映距離偏差與星歷偏差關系的法方程，求解法方程即可以得到星歷的改進值，結(jié)合改進前的星歷初值，就可以在星上完成星歷自主生成。另一方面可以實現(xiàn)星地雙向同步測量境內(nèi)衛(wèi)星鐘差，境外衛(wèi)星弧段利用星間鏈路“一跳”歸算至系統(tǒng)時間。此外，借助星間鏈路技術，可以實現(xiàn)星座所有衛(wèi)星之間的遙測遙控等數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。配置星間鏈路是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局計劃為GLONASS-M和GLONASS-K衛(wèi)星配置星間鏈路，現(xiàn)代化的新一代GLONASS-K2系列導航衛(wèi)星將同時配置無線電星間鏈路天線、配置激光星間鏈路天線[7]。為進一步提升GPS的性能，在2017年的CGSIC/ION GNSS年會上，GPS理事會指出新一代的BLOCK-III衛(wèi)星將配置星間鏈路[13]。2019年，德國航空航天中心(DLR)和波茨坦地學中心(GFZ)聯(lián)合開展“開普勒”(Kepler)系統(tǒng)研發(fā)，Kepler系統(tǒng)由4～6顆低地球軌道(LEO)衛(wèi)星組成低軌星座，衛(wèi)星配置激光星間鏈路、高精度光鐘等載荷。二代Galileo系統(tǒng)也將配置激光星間鏈路，利用雙向激光鏈路實現(xiàn)中圓地球軌道(MEO)導航衛(wèi)星和LEO導航增強衛(wèi)星之間以及MEO導航衛(wèi)星之間的距離測量、無時間誤差的激光鏈路時間傳遞和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，如圖5所示[16-17]。

圖5 Kepler星座：MEO導航衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星(配置高精度光鐘)之間的雙向激光星間鏈路Fig.5 Kepler constellation: two way laser cross-link between MEO satellite and LEO satellite

借助激光星間鏈路、高精度光鐘和光頻梳技術以及當前的無線電鏈路，Kepler系統(tǒng)可以和地面運控系統(tǒng)建立并保持的系統(tǒng)時間保持時間同步，成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間和頻率中心。利用LEO衛(wèi)星精密軌道測定技術，借助MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星之間的激光鏈路，實現(xiàn)MEO導航衛(wèi)星厘米級的軌道精度測定。由此，可以系統(tǒng)提高Galileo的定位和授時服務精度。

此外，通過在LEO衛(wèi)星配置高精度導航監(jiān)測接收機，可以實現(xiàn)對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)MEO導航衛(wèi)星導航信號的天基監(jiān)測，預測MEO衛(wèi)星的廣播星歷和鐘差精度、給出導航信號的質(zhì)量和完好性狀態(tài)，綜合處理形成導航信號精度、導航信號監(jiān)測精度、導航電文完好性、導航信號完好性以及導航系統(tǒng)完好性信息，通過星間鏈路傳遞給MEO衛(wèi)星，再由MEO衛(wèi)星播發(fā)給地面用戶，實現(xiàn)LEO衛(wèi)星增強全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能。

3.2 提供安全可信導航服務

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)成為國家安全和經(jīng)濟發(fā)展的基礎設施，在政治、經(jīng)濟、軍事等方面具有重要的意義，世界主要軍事大國和經(jīng)濟體都在競相發(fā)展獨立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。衛(wèi)星導航系統(tǒng)全面服務于交通運輸、公共安全、救災減災、智慧城市、農(nóng)林牧漁等行業(yè)，融入電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、金融網(wǎng)絡等國家核心基礎設施建設。衛(wèi)星導航系統(tǒng)已廣泛應用指揮控制、協(xié)同作戰(zhàn)、武器制導、精確打擊，成為主導信息化戰(zhàn)爭的核心技術之一。然而，衛(wèi)星導航系統(tǒng)先天的脆弱性(信號落地電平低、穿透能力差)導致其極易受到電磁干擾和電子欺騙威脅，在信號遮擋和多徑干擾環(huán)境下，嚴重制約了導航系統(tǒng)的定位、導航和授時(PNT)服務的可用性，衛(wèi)星導航信號，例如，GPS民用L1 C/A碼信號落地電平為-160 dBW[9]，而我們?nèi)粘Ｊ褂寐?lián)通手機信號功率則為-134 dBW，也就是說GPS用戶接受到的信號強度大約只有手機信號的1/400，較低的射頻干擾信號就可以對GPS下行信號產(chǎn)生較大的干擾。例如，一個10 W的GPS信號干擾機有效輻射干擾信號功率與干擾范圍之間的關系如圖6所示，圖中的3條曲線分別是干擾軍碼跟蹤曲線、干擾民碼跟蹤曲線和干擾信號捕獲曲線，橫坐標為給定干擾范圍內(nèi)，縱坐標全面干擾GPS接收機的干擾信號有效功率[18]。

圖6 有效輻射干擾信號功率與干擾范圍之間的關系Fig.6 Relationship between range to target and Jammer effective radiated power

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室闡明GPS BLOCK-III衛(wèi)星要提高導航信號功率、增加抗干擾功率、提升固有信號完好性，實現(xiàn)導航衛(wèi)星現(xiàn)代化[3]。此外，美軍還從給不同用戶配置導航信號角度，提升GPS的PNT服務的安全性和可信性，例如，民用導航信號L1C(支持多GNSS之間的兼容互操作)、L2C(支持不同的商業(yè)應用)、L5(受保護的頻帶，應用涉及生命安全的服務)。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明通過建設導航信號干擾監(jiān)測和控制系統(tǒng)以及研發(fā)彈性導航接收機兩個環(huán)節(jié)提高系統(tǒng)魯棒性。抗干擾能力可以通過用戶接收機輸入的干信比(J/S)量化評估，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出的GLONASS用戶終端抗干擾指標如表5所示[7]。

表5 GLONASS用戶終端抗干擾指標Table 5 Anti-interference index of user terminal of GLONASS

如果知道了導航信號的特征，就可以偽造調(diào)制有錯誤導航電文參數(shù)的虛假導航信號，從而欺騙用戶接收機錯誤鎖定到虛假的欺騙信號上,并產(chǎn)生錯誤的定位結(jié)果。2011年12月4日，伊朗工程師通過重構GPS信號導航電文數(shù)據(jù)，誘使美國洛克希德-馬丁公司的RQ-170哨兵無人機(UAV)降落到伊朗東北部的喀什馬爾市附近，是經(jīng)典的導航欺騙干擾事件。為了防止這種電子欺騙干擾，美國研發(fā)了反電子欺騙(AS)技術。反電子欺騙能力可以通過用戶接收機正確解算導航解的概率來量化評估，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出的GLONASS用戶終端反電子欺騙指標如表6所示[7]。

表6 GLONASS用戶終端反電子欺騙指標Table 6 Anti-spoofing index of user terminal of GLONASS

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，歐盟國防工業(yè)與空間署從服務認證和鑒權的角度來提升Galileo系統(tǒng)PNT服務的安全性和可信性。提高可信性的措施是公開服務導航電文鑒權(OSNMA)，目前Galileo系統(tǒng)已經(jīng)確定了OSNMA的方案，OSNMA模塊完成了鑒定和集成，正在開展系統(tǒng)內(nèi)部測試工作。OSNMA是新起草的智能行車記錄儀規(guī)則的基礎，在OSNMA接收機和應用環(huán)節(jié)，編制了接收機研制指南、相關OSNMA接收機軟件和硬件已上市。計劃在2021年開展三方面工作，①鞏固當前基礎工作成果，確保OSNMA接收機投入使用后的魯棒性；②在通過公開測試和測試驗證后，才能開通OSNMA服務；③公開發(fā)布官方導航信號接口控制文件(SIS ICD)和OSNMA接收機研制指南[8]。此外，針對商業(yè)服務對安全性的要求，開展提高安全性的措施是商業(yè)鑒權服務(CAS)，CAS性能和上線時間已確定，服務模式可行性還在進一步細化，較OSNMA服務，CAS采取對導航信號加密，播發(fā)獨特的認證信號E6/L6等措施為保險和金融交易等特殊行業(yè)用戶可以提供更加有力的保護[8]。

3.3 細分民用導航信號

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室將L2C定義為GPS的第二民用信號，用于不同的商業(yè)用戶；L5定義為GPS的第三民用信號，用于涉及生命安全的民用航空等用戶；L1C定義為GPS的第四民用信號，用于支持GNSS之間的兼容互操作[3]。L1 C/A為GPS的第一民用信號，是當前導航市場的主導信號。俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明GLONASS-K2系列導航衛(wèi)星是GLONASS系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)，為了提升市場占有率，GLONASS-K2系列導航衛(wèi)星播發(fā)L1、L2兩路與其他GNSS不一致的頻分多址(FDMA)體制導航信號，以維系老用戶的權益，同時播發(fā)L1、L2、L3三路新的與其他GNSS一致的碼分多址(CDMA)導航信號，新的CDMA導航信號是GLONASS系統(tǒng)能否在民用市場取得份額的關鍵[7]。歐盟國防工業(yè)與空間局將Galileo系統(tǒng)1164～1215 MHz的E1/E5雙頻導航信號定義為第一大眾市場信號，1260～1300 MHz的E6/L6頻點導航信號服務于高精度用戶，提供2 cm高精度定位服務[8]。

3.4 導航與通信業(yè)務融合

在全球任何地點、任何時間實現(xiàn)導航信號對地面服務區(qū)4重以上覆蓋是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)無線電導航業(yè)務的基本要求，由此，GPS、Galileo和GLONASS均采用標稱24顆導航衛(wèi)星的Walker星座設計方案。全球覆蓋的衛(wèi)星星座是一種資源，除了提供定位、導航和授時服務，還可以利用全球覆蓋特性，為用戶提供其他服務。例如，GPS衛(wèi)星核爆探測系統(tǒng)(NBDS)載荷配置探測大氣層內(nèi)核爆炸的輻照度儀和用于探測大氣層外空間核爆炸的X射線探測器以及用于測試帶輻射劑量水平的荷電粒子劑量儀，能夠精確測定全球范圍內(nèi)任何地點核武器爆炸的具體位置及發(fā)生時間，同時輔助評估核爆當量[19]。

北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)為用戶提供區(qū)域和全球兩種類型的短報文通信服務[6]，在通信網(wǎng)絡覆蓋不到的區(qū)域，可以提供應急通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?，結(jié)合北斗系統(tǒng)的定位功能，北斗短報文通信服務在搜索救援、救災減災、態(tài)勢感知、車輛監(jiān)控等領域發(fā)揮重要作用，成為北斗系統(tǒng)的特色服務。文獻[6]指出目前北斗短報文通信服務正在申請加入全球海上遇險與安全系統(tǒng)(GMDSS)，2018年6月，國際海事組織批準北斗短報文通信服務加入GMDSS申請，有國際移動衛(wèi)星組織開展GMDSS技術與運營評估。北斗短報文通信服務開啟了衛(wèi)星導航與衛(wèi)星通信業(yè)務融合的先河，并取得了良好的經(jīng)濟、社會效益，其他全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)紛紛效仿。

Galileo系統(tǒng)配置了搜索救援載荷，支持全球搜索救援業(yè)務，簡稱SAR/Galileo業(yè)務，較傳統(tǒng)的國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)的搜索救援業(yè)務，SAR/Galileo業(yè)務有兩大技術突破，①對用戶上行救援信號的監(jiān)測時間由平均45 min減少到到平均30 s，定位精度從典型5 km提高到10 m；②增加衛(wèi)星對用戶信標的返向鏈路通信功能，從而可以使用戶確認系統(tǒng)已經(jīng)收到求救信息。從2015年底開始,Galileo系統(tǒng)在10顆衛(wèi)星上搭載了一代SAR載荷[20]。第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，歐盟國防工業(yè)與空間局指出SAR/Galileo業(yè)務已集成到COSPAS-SARSAT系統(tǒng)的搜索救援業(yè)務，上行鏈路性能優(yōu)良，實現(xiàn)了分鐘級遇險信號檢測，米級定位精度，并已經(jīng)在救援過程中挽救了遇險人員。2020年1月21日，SAR/Galileo業(yè)務提供返向鏈路(RLS)服務，系統(tǒng)對用戶發(fā)出的求救信標予以確認。與此同時，Galileo系統(tǒng)還為車禍遇險人員提供自動通話位置確定服務(eCall)以及E112緊急呼叫位置(E911)確定服務。二代Galileo系統(tǒng)的SAR業(yè)務將配置第二代SAR載荷，進一步提升RLS性能[8]。

導航衛(wèi)星配置的SAR載荷實質(zhì)是一種通信衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，接收用戶信標機發(fā)出的406.05 MHz遇險信號，然后將遇險信號上變頻到L頻段并播發(fā)給地面中軌道搜索地面站(MEOLUT)，MEOLUT據(jù)此開展用戶的位置解算。早在2000年，美國國家航空航天局(NASA)的戈達德航天飛行中心(GFSC)與能源部的圣地亞國家實驗室(SNL)研究在GPS衛(wèi)星增加SAR轉(zhuǎn)發(fā)器載荷的可行性，也就是后來的GPS衛(wèi)星遇險報警系統(tǒng)(DASS)。2006年，GFSC利用GPS的BLOCK-IIR衛(wèi)星開展了DASS業(yè)務原理驗證，2011年1月，有9顆GPS BLOCK-ⅡR衛(wèi)星搭載了DASS載荷，DASS可以瞬時檢測和定位到應急信標發(fā)出的遇險信號，極大增強了搜索救援能力。DASS是MEOSAR體制在GPS系統(tǒng)的概念驗證，主要驗證互操作參數(shù)、相關功能、頻譜特性、轉(zhuǎn)發(fā)器性能和發(fā)射機參數(shù)，其中互操作參數(shù)包括下行鏈路調(diào)制、頻率、EIRP和極化以及轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。DASS的服務不是COSPAS/SARSAT系統(tǒng)的強制要求，DASS數(shù)據(jù)可提供給COSPAS/SARSAT系統(tǒng)使用[21]。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室闡明BLOCK-IIIF系列導航衛(wèi)星將配置SAR載荷，提供符合國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)標準的搜索救援服務[3]。俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明GLONASS-K2系列導航衛(wèi)星將配置搜索救援(SAR)載荷，提供符合國際搜救衛(wèi)星系統(tǒng)標準的搜索救援服務[7]。

3.5 建設彈性系統(tǒng)

衛(wèi)星導航系統(tǒng)為用戶免費提供高精度的定位、導航和授時(PNT)服務，可以作為國家的時空基準，衛(wèi)星導航系統(tǒng)與其他產(chǎn)業(yè)的關聯(lián)性和融合性，使衛(wèi)星導航系統(tǒng)成為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)、大數(shù)據(jù)服務和人工智能技術的技術支撐，與國家安全、國民經(jīng)濟和社會民生密切相關。但是衛(wèi)星導航信號從生成、播發(fā)、傳播到接收的過程中會受到許多不利影響，特別是導航信號在物理遮擋(森林、城市、室內(nèi)、地下、水下)、電磁干擾(無意干擾、敵意干擾)等環(huán)境下，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度、連續(xù)性、完好性和可用性存在風險甚至是不可用，對于依賴衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為時空基準的用戶，將可能面臨災難性的后果。

因此，各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)積極謀劃PNT服務在復雜電磁對抗環(huán)境下的可用性和可行性，降低對地面系統(tǒng)的依賴，提升系統(tǒng)自主導航能力，并尋求衛(wèi)星導航服務拒止情況下的備份手段。2014年6月，美國國防先進研究計劃局(DARPA)發(fā)布了題為“在對抗條件下獲得空間時間和定位信息技術”(STOIC)的招標書，擬開發(fā)不依賴于GPS，可在對抗環(huán)境下使用的PNT系統(tǒng)，要求導航信號覆蓋半徑不小于1萬千米，系統(tǒng)定位精度10 m，授時精度30 ns[1]。針對GPS信號容易受到干擾和欺騙的問題，美國學者指出PNT彈性屬性包括3個因素：導航數(shù)據(jù)可信(trusted data)、導航信號加密(encrypted signals)和導航信號替代(alternative signals)[22]。AFRL研制NTS-3的任務之一是測試新型定位信號體制，驗證以戰(zhàn)時彈性可用、確保制導航權為目標的導航戰(zhàn)能力[23]。

第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室闡明為了滿足民用和國家安全的PNT服務需求，首先要保證GPS的穩(wěn)定運行，其次可以考慮利用國外PNT服務來增強和加強GPS的彈性，此外可以開展國際合作來檢測、減緩有害干擾以增強GPS的彈性。2020年2月12日，美國總統(tǒng)簽署行政命令來加強美國PNT服務的彈性，該命令旨在通過聯(lián)邦政府、核心的基礎設施運營和管理方負責人地使用PNT服務來增強國家PNT服務的彈性[3]。歐盟國防工業(yè)與空間署定義G2G的彈性屬性，核心思想是在Galileo系統(tǒng)發(fā)生多重故障時，系統(tǒng)要保持功能，系統(tǒng)性能適度降級(graceful degradation)[8]。俄羅斯聯(lián)邦航天局闡明通過建設導航信號干擾監(jiān)測和控制系統(tǒng)以及研發(fā)彈性導航接收機兩個環(huán)節(jié)提高GLONASS系統(tǒng)魯棒性[7]。此外，GLONASS系統(tǒng)下一代衛(wèi)星GLONASS-K2通過FDMA和CDMA兩種體制導航信號，一定程度上也能提高系統(tǒng)的彈性。

4 結(jié)束語

2020年，四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)均已提供服務，目前四大系統(tǒng)都在規(guī)劃下一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設方案。在第11屆中國衛(wèi)星導航年會上，美國國務院空間事務辦公室給出了GPS現(xiàn)代化的方案，俄羅斯聯(lián)邦航天局給出GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展路線圖，歐盟國防工業(yè)與空間局給出二代Galileo系統(tǒng)(G2G)的服務演進特點，定義了G2G的彈性屬性。2021年，國家已將北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展列入國家“十四五”規(guī)劃重點項目[24]，在要推動北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展同時，應推動國家綜合定位導航授時(PNT)體系建設。從國外導航系統(tǒng)發(fā)展方向看，有以下5點建議。

1)四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能差異取決于時鐘預報誤差及電文更新周期

LEO或者GEO衛(wèi)星配置超高精度原子鐘和激光終端，利用雙向激光鏈路實現(xiàn)與MEO導航衛(wèi)星以及MEO導航衛(wèi)星之間的距離測量、時間傳遞和數(shù)據(jù)傳輸，利用光頻梳技術以及無線電鏈路和地面運控系統(tǒng)保持時間同步，結(jié)合衛(wèi)星精密軌道測定技術，最終實現(xiàn)衛(wèi)星導航系統(tǒng)時頻基準和空間基準天基化，大幅度減少對地面系統(tǒng)的依賴，實現(xiàn)系統(tǒng)自主導航。不僅可以解決北斗系統(tǒng)不能全球建立導航信號監(jiān)測站的困境，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的自主導航服務。

2)MEO衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)決定了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的穩(wěn)健性

目前四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的標稱Walker星座均由24顆MEO衛(wèi)星組成，不同的是軌道面的數(shù)量和實際在軌備份衛(wèi)星數(shù)量。GPS在軌衛(wèi)星數(shù)量為36顆，其中30顆在軌工作[3]。Galileo系統(tǒng)目前在軌衛(wèi)星數(shù)量為26顆，其中22顆工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份[4]。GLONASS在軌衛(wèi)星數(shù)量為28顆，其中24顆工作，2顆在軌測試，1顆在軌備份，1顆在軌維護[7]。文獻[6]指出北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用3GEO+3IGSO+24MEO混合星座構型，利用24顆MEO衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋。顯然，借鑒GPS的經(jīng)驗，為了確保北斗系統(tǒng)全球PNT服務的可靠性，需要在每個軌道面配置1～2顆備份衛(wèi)星。同樣，3顆GEO衛(wèi)星為我國及周邊地區(qū)提供區(qū)域短報文(RSMC)、星基增強(SBAS)、精密單點定位(PPP)等導航增強服務，也需要配置1顆在軌備份衛(wèi)星。

3)下一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有彈性特征

在復雜電磁對抗環(huán)境下，一方面要強化北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的安全性、可用性和可信性，一方面要積極謀劃備份手段，確保在復雜電磁對抗環(huán)境下用戶能夠持續(xù)獲取PNT信息。例如，美軍從空間段、控制段、用戶段全面實施GPS現(xiàn)代化；并同步發(fā)展地基無線電導航系統(tǒng)e-Loran(其特點是信號功率大，戰(zhàn)時不易受到干擾，可以彌補GPS的短板)。與此同時，美國又利用新一代銥星通信系統(tǒng)播發(fā)衛(wèi)星授時與定位(STL)脈沖導航信號，為用戶提供獨立的定位和授時服務。文獻[25]指出STL服務的定位精度50 m、授時精度200 ns，STL信號功率比GPS信號高30 dB，故戰(zhàn)時具有較強的抗干擾能力。

4)低成本高效益的導航增強是未來發(fā)展的必由之路

德國DLR和GFZ利用由4～6顆LEO衛(wèi)星組成Kepler低軌星座，配置高精度光鐘和激光星間鏈路等載荷，構建下一代Galileo系統(tǒng)的天基時間基準，提升Galileo系統(tǒng)的衛(wèi)星廣播星歷和廣播鐘差的精度，縮短衛(wèi)星廣播電文的更新周期，由此系統(tǒng)提升Galileo系統(tǒng)的系統(tǒng)服務精度。此外，通過在LEO衛(wèi)星配置高精度導航監(jiān)測接收機，可以實現(xiàn)對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)MEO導航衛(wèi)星導航信號的天基監(jiān)測，預測MEO衛(wèi)星的廣播星歷和鐘差精度、給出導航信號的質(zhì)量和完好性狀態(tài)，實現(xiàn)LEO衛(wèi)星增強全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的性能。文獻[13]指出NTS-3衛(wèi)星采用地球靜止軌道設計方案，并計劃利用4顆地球靜止軌道的NTS-3衛(wèi)星實現(xiàn)對GPS全球?qū)Ш皆鰪?。美國和歐洲的高軌和低軌導航增強方案均是利用幾顆衛(wèi)星就能實現(xiàn)各自系統(tǒng)的導航性能增強，值得我們學習借鑒。

5)基于LEO通信星座的導航系統(tǒng)、LEO導航增強系統(tǒng)和LEO全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)概念不同

(1)基于LEO通信星座的導航系統(tǒng)：在不影響通信任務的前提下，統(tǒng)籌設計LEO通信衛(wèi)星的通信信號和導航信號，導航信號包含測距碼信號和含有星歷等信息的導航電文，用戶接受多顆LEO衛(wèi)星播發(fā)的導航信號，利用接收機對多個脈沖導航信號瞬時多普勒圓錐曲面相交點，就可以確定接收機的位置。可以作為當前以MEO衛(wèi)星為測距源的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的備份系統(tǒng)。典型方案是美國基于新一代銥星移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)播發(fā)STL脈沖導航信號，為用戶提供獨立的具有較高精度的定位和授時服務。在不改變銥星通信載荷時頻單元劃分和通信信號物理層設計的基礎上，在銥星通信信號1616～1626.5 MHz頻帶內(nèi)，占用后0.5 MHz帶寬(1616～1626.5 MHz)資源，單工信道播發(fā)STL脈沖導航信號(每1.4 s播發(fā)一次)，STL信號具有落地電平高(較GPS信號高30 dB)，因此抗干擾能力強。此外。由于銥星衛(wèi)星通信信號、STL脈沖導航信號以及GPS信號均采用L頻段且頻點相近，因此，用戶可以用一臺接收機(共用射頻前端，數(shù)字基帶處理軟件不同)同時接受銥星通信信號、STL導航信號以及GPS信號，十分便捷地實現(xiàn)通導一體化服務。

(2)LEO導航增強系統(tǒng)：LEO衛(wèi)星配置高精度原子鐘和激光星間鏈路載荷，利用雙向激光鏈路實現(xiàn)MEO導航衛(wèi)星和LEO導航增強衛(wèi)星之間以及MEO導航衛(wèi)星之間的距離測量、無時間誤差的激光鏈路時間傳遞和數(shù)據(jù)傳輸，借助光頻梳技術以及無線電鏈路，LEO衛(wèi)星星座可以和地面運控系統(tǒng)保持時間同步，并成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時頻率中心。通過LEO和MEO衛(wèi)星聯(lián)合定軌等手段，系統(tǒng)提生高當前全球衛(wèi)星導航導航系統(tǒng)的服務精度和完好性。典型方案是Kepler低軌星座對二代Galileo系統(tǒng)的導航增強服務。此外，還可以獨立設計低成本的LEO衛(wèi)星星座，衛(wèi)星時頻載荷不再配置高精度高成本的星載原子鐘，利用GNSS的播發(fā)的高精度授時信號馴服LEO衛(wèi)星配置的高溫晶振，獲得LEO衛(wèi)星的時頻基準，同時利用GNSS接收機獲取LEO衛(wèi)星的位置。利用LEO衛(wèi)星監(jiān)測以當前全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的MEO信號，播發(fā)MEO導航信號差分改正數(shù)和完好性信息，從而實現(xiàn)提升MEO導航信號精度、MEO導航信號全球完好性監(jiān)測的目的。此外，LEO衛(wèi)星還可以進一步播發(fā)測距信號和含有星歷等信息的導航電文的兩路簡化信號，獨立提供高精度導航服務。獨立設計低成本的LEO衛(wèi)星星座，不管是監(jiān)測MEO信號，還是播發(fā)LEO導航信號，其成本和商業(yè)模式均值得商榷。

(3)低軌全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(LEO GNSS)：文獻[26]指出商業(yè)寬帶巨型LEO星座可以配置獨立的導航載荷，基于通導融合理念，LEO通信衛(wèi)星播發(fā)猝發(fā)類型(burst-type)導航測距信號，用戶在一個時間歷元接收多個猝發(fā)測距信號，通過比較信號接收時延和解調(diào)信號給出的星歷和鐘差，利用標準非線性偽距定位(standard non-linear pseudorange positioning)或者擴展Kalman濾波器技術，實現(xiàn)用戶位置和時間估計。