蔚保國，武子謙，伍蔡倫，謝 松，盛傳貞

(1. 衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

0 引言

隨著人工智能時代的到來，自動駕駛、無人機、無人船等應用領域對全球無縫覆蓋的高精度瞬時定位提出了明確的需求。然而，當前包括北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、GLONASS、 Galileo在內的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)，以及準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)等區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本導航服務定位精度均為米級，遠不能達到高精度應用的要求。精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術可以實現高精度定位，但其收斂時間較長，無法滿足瞬時高精度定位的需求。各衛(wèi)星導航系統(tǒng)的地基增強和星基增強系統(tǒng)能夠在一定程度上提高快速定位的精度，但需要大量布設地面監(jiān)測站，且只能為一定區(qū)域范圍內的用戶提供高精度定位服務，不能滿足全球范圍內的瞬時高精度服務的應用需求。

為滿足全球用戶日益增長的瞬時高精度導航定位需求，低軌導航增強技術應運而生。低軌導航增強是近年來提出的一個新概念技術，即利用低軌衛(wèi)星的一系列特點，基于低軌衛(wèi)星組網方式提供全球范圍內的實時高精度導航增強服務，增強傳統(tǒng)衛(wèi)星導航系統(tǒng)的服務性能。國內外眾多學者開展了基于低軌星座的導航性能和PPP收斂時間的仿真試驗分析。

考慮到導航增強的實現需要低軌星座具備一重甚至多重覆蓋的星座建設要求，大型低軌通信星座成為低軌導航增強的首選星座。近年來興起的低軌衛(wèi)星星座建設為輔助衛(wèi)星導航系統(tǒng)，為全球瞬時高精度定位服務提供了良好契機。銥星作為全球首個建設完成的低軌通信星座，已于2019年初完成了整個星座的升級，可對地面用戶提供衛(wèi)星時間和位置(Satellite Time and Location, STL)服務。SpaceX、三星、波音等企業(yè)也都在組建其大型低軌星座。我國前期幾個主要的低軌通信星座，包括天地一體化信息網絡、虹云、鴻雁、微厘空間以及箭旅鏡像均將低軌導航增強納入其試驗范圍。鴻雁全球導航增強系統(tǒng)采用地面中心站集中處理后上注衛(wèi)星播發(fā)的技術體制完成信號增強和信息增強。武漢大學研制的珞珈一號科學試驗衛(wèi)星，基于星上實時處理的技術體制，首次開展了低軌導航信號增強在軌試驗驗證。

為了適應國家發(fā)展形勢，國家統(tǒng)籌規(guī)劃成立了中國衛(wèi)星網絡集團有限公司，大力發(fā)展和建設低軌通信與導航融合的巨型星座網絡。該衛(wèi)星互聯網是支撐國家安全、引領科技創(chuàng)新、帶動產業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性工程，以通信與導航深度融合為手段，提供更加泛在、更加融合以及更加智能的定位、導航與授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)服務，重點在定位精度、完好性、天基監(jiān)測以及備份導航等方面提高性能，以滿足國家綜合PNT體系建設的需要。當前國內外低軌衛(wèi)星星座建設信息如表1所示。

表1 低軌衛(wèi)星星座信息一覽表

目前，低軌導航增強系統(tǒng)的技術體制尚未收斂，在很多技術細節(jié)上還未形成業(yè)內統(tǒng)一的設計標準。本文闡述了天象一號低軌導航增強試驗系統(tǒng)的技術體制，主要包括系統(tǒng)工作模式、兼容互操作與通導一體化信號體制，以及實時自主定軌、快速高精度定位、完好性監(jiān)測服務等關鍵技術，基于實測和仿真數據開展了在軌試驗驗證，相關的結論或可為未來低軌導航增強系統(tǒng)的建設提供支持。

1 天象一號低軌導航增強系統(tǒng)的組成

天象一號試驗衛(wèi)星于2019年6月5日在我國黃海海域搭載長征十一號運載火箭，成功進入預定軌道。作為天地一體化信息網絡的先導試驗衛(wèi)星工程，天象一號試驗衛(wèi)星工程開展了低軌衛(wèi)星通信、導航和遙感等一系列新技術的應用探索，其主要任務之一是開展低軌導航增強技術體制探索試驗。天象一號試驗衛(wèi)星低軌導航增強系統(tǒng)主要由空間段和地面段組成，其組成架構如圖1所示。

圖1 天象一號低軌導航增強系統(tǒng)組成架構Fig.1 Architecture of Tianxiang-1 LEO navigation augmentation system

天象一號低軌導航增強系統(tǒng)空間段主要由2顆天象一號小衛(wèi)星及其星上載荷組成。天象一號雙星均搭載了低軌導航增強載荷，用于開展低軌導航增強在軌試驗驗證。低軌導航增強載荷可接收北斗B1/B2頻點和GPS L1/L2頻點的導航信號，自主完成星上實時定軌和廣播電文生成與播發(fā)，并具備發(fā)射Z1/Z2頻點的低軌下行導航信號的功能。天象一號試驗衛(wèi)星及其導航增強載荷外觀如圖2所示。

圖2 天象一號試驗衛(wèi)星及其導航增強載荷Fig.2 Tianxiang-1 experimental satellite and its navigation augmentation payload

天象一號低軌導航增強系統(tǒng)地面段主要由監(jiān)測站、關口站和運控中心組成。監(jiān)測站負責采集天象一號Z1、Z2頻點的下行導航信號及其導航電文；關口站負責接收低軌導航增強載荷采集的星載北斗/GPS觀測數據；地面運控中心(如圖3所示)的主要功能包括衛(wèi)星管理控制、綜合信息處理、系統(tǒng)監(jiān)測評估和在軌試驗驗證。衛(wèi)星管理控制主要包括各類試驗調度和管理、星上載荷的開關控制；綜合信息處理主要負責各類觀測數據的處理，以及各類高精度產品的生成；系統(tǒng)監(jiān)測評估主要開展對衛(wèi)星、地面設備工況和運行狀態(tài)的監(jiān)測，以及各類產品和用戶服務性能的監(jiān)測評估；在軌試驗驗證主要負責技術體制的在軌驗證和關鍵技術的探索試驗。

圖3 天象一號試驗衛(wèi)星系統(tǒng)地面運控中心Fig.3 Ground operation and control center of Tianxiang-1 experimental system

2 天象一號低軌導航增強技術體制

天象一號低軌導航增強系統(tǒng)采用與現有GNSS和通信信號兼容互操作的信號體制，完成信號測距和信息的播發(fā)。時空基準的建立與維持采用星上實時自主定軌和地面中心處理相結合的設計原則，生成高可靠、高可用性的低軌衛(wèi)星廣播星歷和GNSS增強及完好性信息，為地面用戶提供瞬時高精度定位服務。天象一號低軌導航增強監(jiān)測評估子系統(tǒng)對系統(tǒng)工況、星座狀態(tài)以及服務性能開展監(jiān)測評估。天象一號低軌導航增強系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 天象一號低軌導航增強系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Operating principle flow chart of Tianxiang-1 navigation augmentation system

2.1 低軌導航增強系統(tǒng)工作模式

天象一號低軌導航增強系統(tǒng)具備信號增強和信息增強兩種增強服務模式。信號增強是指將低軌衛(wèi)星作為導航源。天象一號試驗衛(wèi)星可對地發(fā)射導航信號，一方面可增加地面用戶的可見星個數，增強GNSS的可用性；另一方面低軌衛(wèi)星運行速度快，具有更快的空間幾何變化，能夠加快地面用戶高精度定位的收斂時間。信息增強是指天象一號試驗衛(wèi)星可轉發(fā)地面信息處理中心生成的GNSS精密產品信息，從而提高用戶的定位精度。

天象一號低軌導航增強載荷具備三種工作模式，分別是高精度觀測模式、導航增強模式和低功耗工作模式。當載荷處于高精度觀測模式時，星載雙模四頻接收機開機工作，可以采集指定時段的星載北斗/GPS觀測數據，存入數據管理單元，待衛(wèi)星過境時經星地鏈路下傳至關口站，用于后續(xù)低軌導航增強試驗驗證，其工作原理如圖5所示；當載荷處于導航增強模式時，增強信號發(fā)射分機在衛(wèi)星經過試驗地點上空前開機完成定位和授時，啟動增強信號發(fā)射，對地發(fā)射Z1/Z2導航信號，其工作原理如圖6所示；在不開展試驗任務時，低軌導航增強載荷開啟低功耗模式，該模式采用低功耗接收機工作，便于儲存電能，為后續(xù)的增強信號發(fā)射做好準備。

圖5 高精度觀測模式工作原理圖Fig.5 Schematic diagram of high-precision observation mode

圖6 導航增強模式工作原理圖Fig.6 Schematic diagram of navigation augmentation mode

2.2 低軌導航增強系統(tǒng)信號體制

天象一號低軌導航增強信號的設計原則首先考慮了與現有GNSS兼容，即作為北斗星座的重要補充，增加可見星數量，并支持單星定位；另一方面，為了滿足信息增強的任務需求，增強信號需要支持播發(fā)增強信息和完好性信息，以提升導航定位服務的精度和可用性。

基于上述信號設計原則，天象一號的下行導航信號采用2個異構的L頻段信號Z1和Z2頻點信號。其中，Z1頻點信號主要播發(fā)天象一號衛(wèi)星的電文信息，以及GNSS衛(wèi)星的增強信息和慢變完好性信息；Z2頻點信號主要播發(fā)快變完好性信息。兩種信號均可重構，可根據任務規(guī)劃更改播發(fā)內容。天象一號增強信號設計充分考慮了與現有GNSS信號的兼容與互操作性，并在此基礎上，為低軌衛(wèi)星各類多元化信息提供了可靠的物理層承載。

2.3 低軌導航增強系統(tǒng)信號體制

2.3.1 低軌衛(wèi)星實時自主定軌

天象一號試驗衛(wèi)星的低軌導航增強載荷具備星上實時自主定軌功能，利用星載GNSS數據以及GNSS的廣播星歷完成實時軌道確定。天象一號自主實時定軌采用約化動力學法和幾何法結合的方法確定衛(wèi)星的位置與速度信息。該方法在動力學模型和幾何觀測信息間進行最優(yōu)加權，并利用過程噪聲參數吸收衛(wèi)星動力學模型誤差，獲得衛(wèi)星軌道的最優(yōu)估計，具體算法如下：

1)引入經驗加速度矢量；

2)假定經驗加速度為一階高斯-馬爾可夫過程，利用過程噪聲吸收動力學模型誤差。

引入經驗加速度矢量。衛(wèi)星運動方程為

(1)

其中，(,,)為可用確定數學模型描述的加速度；()表示全體沒有模型或錯誤模型的加速度。定軌系統(tǒng)假定()為一階高斯-馬爾可夫過程，即其由時間相關分量和純隨機分量組成

(2)

其中，為相關時間的倒數，是一個常量；()為高斯白噪聲。

針對數字信號處理器(Digital Signal Proces-sor, DSP)的字長限制等因素帶來的計算誤差，實時自主定軌采取以下措施：

1)對狀態(tài)估計誤差協(xié)方差矩陣進行UD分解，采用UD分解濾波，在時間更新和量測更新中利用對和矩陣的更新代替?zhèn)鹘y(tǒng)擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter，EKF)算法中對矩陣的更新；

2)為避免傳統(tǒng)EKF算法中求濾波增益運算中大型矩陣求逆的過程，采用觀測矢量序貫處理的方法。

以上措施可以有效地吸收動力學模型誤差，保證濾波計算過程中矩陣的正定性，維持濾波器的持續(xù)收斂。

GNSS信號中斷后，無新的測量值參與星上的實時濾波，濾波器將使用預報的狀態(tài)量繼續(xù)進行濾波處理，并給出外推的軌道位置信息。

2.3.2 基于地面處理低軌導航增強時空基準建立

低軌導航增強系統(tǒng)可基于衛(wèi)星的星載GNSS觀測和地面監(jiān)測接收機采集的GNSS觀測數據開展星地一體化的聯合精密定軌及時間同步處理，獲取與GNSS時空基準統(tǒng)一的低軌衛(wèi)星精密軌道和鐘差信息。同時，計算GNSS的增強信息和完好性信息，為低軌導航增強應用服務及試驗驗證提供精準的空間段位置信息。

地面監(jiān)測網絡的臺站坐標是空間基準的重要組成部分。利用低軌導航增強地面站、IGS臺站觀測數據聯合網解，強加約束，生成地面站坐標和速度信息，將低軌導航增強地面臺站坐標整體對齊到國際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame，ITRF)，實現其坐標框架的維持與更新，為低軌導航增強地面部分的空間基準提供保障。

目前，天象一號低軌導航增強系統(tǒng)的時間基準基于星地一體化聯合精密定軌和時間同步處理獲取的衛(wèi)星鐘差，以及地面監(jiān)測網絡臺站數據網解獲取的測站鐘差，實現系統(tǒng)時間與GNSS時間基準的同步。

2.4 低軌導航增強瞬時高精度定位

基于低軌衛(wèi)星增強的全球高精度精密定位技術主要是充分發(fā)揮低軌衛(wèi)星的高動態(tài)變化以改善星座的幾何構型，從而達到快速收斂的高精度定位效果。目前，基于GNSS衛(wèi)星的精密定位技術，衛(wèi)星的軌道、鐘差等產品精度已經能夠滿足分米級、厘米級的定位精度需求，但GNSS衛(wèi)星都是中高軌衛(wèi)星，對地面用戶而言，GNSS衛(wèi)星的幾何構型變化緩慢，致使高精度定位無法實現快速收斂。完成全球高精度精密定位技術主要包含兩部分內容：服務端高精度低軌衛(wèi)星精密軌道與鐘差產品的解算以及用戶端低軌衛(wèi)星增強的PPP算法研究。用戶端低軌衛(wèi)星增強PPP算法研究的關鍵在于對低軌衛(wèi)星的誤差模型進行合理建模，有效地消除低軌衛(wèi)星的誤差，并對其進行恰當約束，考慮電離層延遲、低軌衛(wèi)星和北斗/GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)間的偏差、星座間觀測量融合等因素，具體的計算流程如圖7所示。

圖7 低軌導航增強快速高精度定位算法Fig.7 LEO navigation augmentation fast and high-precision positioning algorithm

2.5 低軌導航增強監(jiān)測評估

低軌星導航增強的核心能力是提供全球瞬時高精度服務。低軌導航增強監(jiān)測評估系統(tǒng)主要對系統(tǒng)核心能力進行評估，將評估指標分解為星座狀態(tài)、導航信號性能、導航信息性能和服務性能四大類，其中星座狀態(tài)、導航信號性能、導航信息性能直接影響低軌星導航增強的服務性能，因此其服務性能的評估是低軌星導航增強性能評估的核心指標。在天象一號低軌導航增強系統(tǒng)在軌試驗驗證階段，通過對特定時段特定區(qū)域的指標體系的監(jiān)測評估，完成技術體制的驗證和服務能力的初步評估，為低軌導航增強完好性監(jiān)測評估系統(tǒng)的設計提供有力支撐。低軌導航增強監(jiān)測評估指標體系如圖8所示。

圖8 低軌導航增強監(jiān)測評估指標體系Fig.8 The indicator system of LEO navigation augmentation monitoring and evaluation system

3 天象一號低軌導航增強試驗驗證

3.1 實測數據質量分析

天象一號衛(wèi)星低軌導航增強試驗數據主要包括星載GNSS觀測數據和低軌星下行導航信號兩大類。為了驗證天象一號低軌導航增強觀測數據的測量精度，本節(jié)分別基于2019年6月8日采集的星載GNSS觀測數據和2019年7月12日采集的下行導航觀測數據統(tǒng)計其偽距多徑誤差。此外，對天象一號星上自主定軌的精度開展了在軌試驗驗證。

統(tǒng)計結果表明，天象一號試驗衛(wèi)星的星載GPS和BDS平均偽距多徑分別為0.66m和0.63m，各頻點的偽距多徑如圖9所示；天象一號衛(wèi)星下行導航信號Z1和Z2的平均多徑誤差分別為0.77m和0.76m，GPS L1、L2和BDS B1、B2觀測數據的平均多徑誤差分別為0.60m、0.30m和0.51m、0.46m，如圖10所示。分析結果表明，天象一號下行導航信號的多徑誤差略大于GNSS，但在同一個數量級。在測量噪聲方面，天象一號下行導航信號滿足提供導航服務的基礎要求。

圖9 天象一號星載GPS/BDS數據偽距多徑統(tǒng)計圖Fig.9 Pseudorange multipath error statistics of Tianxiang-1 onboard GPS/BDS observation

圖10 天象一號/GPS/BDS下行導航信號偽距多徑統(tǒng)計圖Fig.10 Pseudorange multipath error statistics of Tianxiang-1/GPS/BDS down-link navigation signals

基于天象一號衛(wèi)星星載GPS L1/L2雙頻偽距和多普勒觀測數據開展星上實時定軌處理，以PPP事后處理結果為參考，統(tǒng)計星上實時定軌精度，結果表明，天象一號星上實時定軌三維位置精度為0.84 m，速度精度為0.0009 m/s(如圖11所示)。

(a)天象一號衛(wèi)星自主實時雙頻定軌(位置)

3.2 仿真試驗驗證

由于天象一號試驗衛(wèi)星僅包含2顆衛(wèi)星，地面監(jiān)測站可視時段有限，因此基于仿真數據開展低軌導航增強快速高精度定位試驗驗證。本文基于144顆低軌衛(wèi)星星座開展數據仿真，獲取了2h時長的觀測數據，具體仿真策略如表2所示。

表2 低軌衛(wèi)星數據仿真策略表

基于以上仿真數據，分別開展了動態(tài)和靜態(tài)精密定位試驗。試驗結果表明，低軌衛(wèi)星下行觀測數據的加入能夠有效縮短PPP的收斂時間，在一定程

度上提高了定位精度?；贕PS、BDS和低軌衛(wèi)星觀測數據的動態(tài)和靜態(tài)定位收斂時間為1.33min，收斂后的位置精度分別為1.95cm和1.12cm，具體收斂統(tǒng)計結果如表3和表4所示。以僅使用GPS數據為例，對比了加入低軌衛(wèi)星后的收斂性能提升情況，試驗結果表明，動態(tài)PPP的收斂時間可由7.5min縮短至1min，靜態(tài)PPP的收斂時間可由4.5min縮短至1.33min，其定位精度及收斂情況如圖12和圖13所示。

表3 動態(tài)定位收斂統(tǒng)計表

表4 靜態(tài)定位收斂統(tǒng)計表

(a) GPS PPP

(a) GPS PPP

4 結論

本文針對低軌導航增強系統(tǒng)全球瞬時高精度服務的需求，闡述了天象一號低軌導航增強系統(tǒng)的技術體制和關鍵技術，并開展了在軌試驗驗證和仿真驗證分析，試驗結果表明：

1)天象一號低軌導航增強系統(tǒng)采用星上+地面處理的技術體制，兼具導航信息增強和信號增強的功能，為用戶提供瞬時高精度定位所需的精密產品和改正信息。

2)實測數據分析結果表明，天象一號下行導航信號的多徑誤差略大于GNSS，但在同一個數量級;在測量噪聲方面，天象一號下行導航信號滿足提供導航服務的基本要求。

3)天象一號衛(wèi)星基于雙頻星載GNSS數據的星上實時定軌處理，可實現亞米級的定軌精度，為星上空間基準的快速建立提供了有效的技術支持。

4)仿真試驗結果表明，低軌衛(wèi)星下行導航信號可有效縮短高精度定位的收斂時間，并在一定程度上提高定位精度，可實現在1min左右收斂至厘米級的高精度定位性能。