賈詩(shī)雨 蔚保國(guó) 劉 亮

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石家莊 050081

2 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050081

引言

低空經(jīng)濟(jì)一般是指海拔3 000米以下的飛行經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，主要是民用通用航空飛行器和無(wú)人機(jī)。全球低空經(jīng)濟(jì)尚處于起步階段，但潛力巨大。隨著地面交通擁堵問題的日益嚴(yán)重和無(wú)人機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，全世界都在積極探索培育低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的低空經(jīng)濟(jì)以載人飛機(jī)通用航空業(yè)為主，每年可產(chǎn)生超過1 500億美元的GDP[1]。中國(guó)截至2022年底，全國(guó)無(wú)人機(jī)運(yùn)營(yíng)企業(yè)1.5萬(wàn)家，年產(chǎn)值1 170億元。

目前低空飛行的監(jiān)管主要以政策為主，缺乏有效的技術(shù)監(jiān)管手段，尤其是近年來(lái)飛速發(fā)展的“低小慢”飛行器，“看不見、叫不到、管不住”的問題尤其突出。受限于定位導(dǎo)航技術(shù)、通信技術(shù)、感知技術(shù)、計(jì)算能力和智能算法的發(fā)展進(jìn)程，導(dǎo)致政府難以對(duì)低空進(jìn)行有效的管控，企業(yè)得不到滿足要求的飛行管理服務(wù)，嚴(yán)重制約了低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。國(guó)家對(duì)于低空經(jīng)濟(jì)和低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)的發(fā)展的政策扶植也逐步加強(qiáng)，2021年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》[3]。2023年6月，《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例》頒布[4]。另外我國(guó)規(guī)劃的國(guó)家綜合PNT體系中，也提到了利用北斗+低軌通導(dǎo)一體的位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)人機(jī)和智能駕駛等未來(lái)新應(yīng)用的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施。北斗+低軌通導(dǎo)一體的位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，將為低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

1 問題及挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段我國(guó)低空管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布較為滯后，各個(gè)廠家各自為戰(zhàn)，無(wú)法有效實(shí)施統(tǒng)一管理。為確保低空飛行安全，實(shí)現(xiàn)低空全空域內(nèi)航空器可觀測(cè)、可通信、可管理，中國(guó)工程院樊邦奎院士建議，應(yīng)加強(qiáng)無(wú)人機(jī)行業(yè)應(yīng)用頂層設(shè)計(jì)，建設(shè)低空智聯(lián)網(wǎng)[5]，其中北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)低空智聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

我國(guó)現(xiàn)有的通信、導(dǎo)航和監(jiān)控(CNS)基礎(chǔ)設(shè)施僅能滿足對(duì)高空飛行器的管理需求。隨著無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前的系統(tǒng)無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)城市物流、巡檢等新低空應(yīng)用CNS的需求?；诘涂湛沼颦h(huán)境復(fù)雜性和飛行器智能化的需求，需要解決以下方面的問題與挑戰(zhàn)。

1)飛行器定位精度問題：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以在開闊場(chǎng)景為無(wú)人機(jī)提供全天時(shí)的精準(zhǔn)位置和時(shí)間服務(wù)。但是由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)本身信號(hào)落地功率弱，在城市低空這種信號(hào)遮擋較多、電磁環(huán)境復(fù)雜的運(yùn)行場(chǎng)景，無(wú)法提供泛在、高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。

2)飛行器通信問題：通信是將飛行器定位結(jié)果回傳和實(shí)現(xiàn)飛行器管控的重要手段。目前民航通信主要通過VHF電臺(tái)實(shí)現(xiàn)管制臺(tái)與飛行員的語(yǔ)音通信，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制；無(wú)人機(jī)通信一般只能實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛手與無(wú)人機(jī)之間一對(duì)一的通信，無(wú)法滿足未來(lái)數(shù)字化統(tǒng)一管理運(yùn)行的需求。

3)飛行器導(dǎo)航問題：低空活動(dòng)高頻次、高密度的飛行特點(diǎn)要求更加數(shù)字化精細(xì)化協(xié)同化的飛行器導(dǎo)航模式，而非傳統(tǒng)航空采用的航點(diǎn)(waypoint)模式，或者無(wú)人機(jī)的目視導(dǎo)航模式。

4)飛行器的監(jiān)視問題：目前高空航空監(jiān)視主要以廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)為主，但是其有限信道不足以支撐低空大容量的飛行模式。另外ADS-B系統(tǒng)主要以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為導(dǎo)航源，導(dǎo)航信號(hào)極易受到干擾和欺騙，這使得ADS-B航空監(jiān)視的可信性和完好性大大降低。

綜上，現(xiàn)有CNS系統(tǒng)的能力還不能支撐未來(lái)低空環(huán)境下數(shù)字化無(wú)人系統(tǒng)等的高精度定位、通信、導(dǎo)航和監(jiān)控服務(wù)需求，需要北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供泛在精準(zhǔn)可信的位置服務(wù)來(lái)解決低空服務(wù)中定位精度不足、數(shù)字化導(dǎo)航能力缺失和監(jiān)視信息連續(xù)性/可信性/完好性差的問題；提供高容量低時(shí)延的低軌通信服務(wù)來(lái)解決飛行器數(shù)字化通信管理缺失和監(jiān)視容量不足的問題。

2 主要技術(shù)路線

為了解決目前低空環(huán)境下無(wú)人機(jī)數(shù)字化精準(zhǔn)運(yùn)行面臨的定位精度、通信、導(dǎo)航和監(jiān)視問題，需要北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供泛在精準(zhǔn)可信的位置服務(wù)和高容量高可信的低軌通信服務(wù)，主要技術(shù)路線如下。

2.1 泛在精準(zhǔn)可信的位置服務(wù)技術(shù)路線

為解決低空復(fù)雜環(huán)境下定位精度不足以及抗干擾能力不強(qiáng)的問題，提高復(fù)雜環(huán)境下的低空飛行器監(jiān)視的連續(xù)性、可信性以及完好性，科學(xué)界提出多種導(dǎo)航技術(shù)與算法。其中通導(dǎo)一體化技術(shù)由于可以實(shí)現(xiàn)通信導(dǎo)航的相互賦能，是提升位置服務(wù)能力的重要途經(jīng)，是解決低空環(huán)境下無(wú)人機(jī)泛在精準(zhǔn)可信導(dǎo)航問題的首選方案[6-7]。

通導(dǎo)一體化是指通信和導(dǎo)航系統(tǒng)通過信號(hào)、信息、平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)等多層次的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)通信導(dǎo)航業(yè)務(wù)能力的協(xié)同與增強(qiáng)，通導(dǎo)一體化可劃分為信息增強(qiáng)、信號(hào)協(xié)同、體制融合三個(gè)方向。

信息增強(qiáng)是指通信導(dǎo)航系統(tǒng)保持各自基本體制不變，打通通信與導(dǎo)航系統(tǒng)的信息交互接口，實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的互增強(qiáng)，導(dǎo)航系統(tǒng)利用通信傳輸?shù)脑鰪?qiáng)信息，可以大大縮短定位收斂時(shí)間，并且提升抗欺騙、抗干擾的能力，從而解決低空服務(wù)中飛行器監(jiān)視信息連續(xù)性/可信性/完好性差的問題。

信號(hào)協(xié)同是指直接利用北斗信號(hào)和低軌衛(wèi)星播發(fā)的低軌導(dǎo)航信號(hào)或通導(dǎo)一體化信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合解算，利用幾何構(gòu)型變化劇烈的低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)、低軌通導(dǎo)一體信號(hào)內(nèi)播發(fā)的輔助改正信息實(shí)現(xiàn)分米級(jí)動(dòng)態(tài)定位服務(wù)。從而解決低空服務(wù)中飛行器的定位精度不足和覆蓋范圍不全的問題。

體制融合是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)之初，即同步考慮了通信導(dǎo)航需求，進(jìn)行低軌衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號(hào)體制的一體化設(shè)計(jì)，進(jìn)而研制出兼具通信導(dǎo)航能力的通信定位設(shè)備，提供通導(dǎo)一體化服務(wù)[8]，從而解決低空服務(wù)中飛行器數(shù)字化導(dǎo)航監(jiān)視能力缺失的問題。

2.2 高容量低時(shí)延的低軌通信服務(wù)技術(shù)路線

通信是將飛行器定位結(jié)果回傳和實(shí)現(xiàn)低空飛行器管控的重要手段，低空交通體系需要高容量低延時(shí)的通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)有的低空飛行器通信往往基于單一技術(shù)，存在通信盲區(qū)。目前低空無(wú)人機(jī)采用專用無(wú)人機(jī)地面測(cè)控設(shè)備或者4G/5G信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視及管控，由于信號(hào)覆蓋范圍限制，無(wú)人機(jī)作業(yè)范圍有限，尤其對(duì)于長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)距離超視距飛行，衛(wèi)星通信手段是必要甚至是唯一的通信保障手段[9]。

針對(duì)4G/5G等地面通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋范圍受限的制約，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的廣域覆蓋能力可成為地面通信系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，但是高軌衛(wèi)星由于距離較遠(yuǎn)，通信容量有限，無(wú)法滿足未來(lái)低空?qǐng)鼍按笕萘繉?shí)時(shí)的監(jiān)視服務(wù)需求，所以需要北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供高容量低延時(shí)的低軌通信服務(wù)。

通過低軌衛(wèi)星通信和其它地面通信組合可實(shí)現(xiàn)更大范圍更高容量的低空通信。通過研究星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、星地融合網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫切換接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)的融合通信、多樣化的接入服務(wù)，以及無(wú)縫的通信鏈路切換，根據(jù)不同的通信應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)通信方式的選擇和切換，解決低空服務(wù)中飛行器數(shù)字化通信管理缺失和監(jiān)視容量不足的問題。

3 網(wǎng)絡(luò)基本框架

北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、低軌通導(dǎo)一體化衛(wèi)星、地面導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和北斗+低軌位置服務(wù)平臺(tái)組成。北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)具備基于網(wǎng)絡(luò)化時(shí)空資源統(tǒng)一管理與協(xié)同監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)具有“泛在、精準(zhǔn)、可信”特征的位置服務(wù)和具有“高容量、低延時(shí)”特征的低軌通信服務(wù)。圖1為北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成示意圖。

圖1 北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成

3.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)、低軌快速精密定位服務(wù)北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)都以北斗三號(hào)為核心，其他的低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)都是在其基礎(chǔ)上的補(bǔ)充、改正、增強(qiáng)和改進(jìn)，可以配合北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的其他系統(tǒng)為低空飛行器提供“泛在、精準(zhǔn)、可信”的位置服務(wù)。另外北斗系統(tǒng)的RDSS通信服務(wù)也可以作為衛(wèi)星通信服務(wù)的備份手段，提高低空通信服務(wù)的容量。

3.2 低軌通導(dǎo)一體化衛(wèi)星

低軌通導(dǎo)一體化衛(wèi)星是北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，承載無(wú)縫覆蓋的快速高精度定位服務(wù)。利用低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度快、可觀測(cè)性強(qiáng)等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高中低軌的聯(lián)合定軌和精密授時(shí)，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用側(cè)低空無(wú)人機(jī)的快速高精度定位能力[10]。低軌星上搭載標(biāo)準(zhǔn)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)載荷，實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星時(shí)空基準(zhǔn)建立與維持、低軌信號(hào)播發(fā)以及增強(qiáng)信息傳遞。目前低軌通導(dǎo)一體化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要依托國(guó)家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程進(jìn)行建設(shè)。

傳統(tǒng)導(dǎo)航依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)且服務(wù)覆蓋范圍僅為室外開闊空間，北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)引入低軌衛(wèi)星通信導(dǎo)航信號(hào)，能夠提供導(dǎo)航手段更加多源、導(dǎo)航方式更加多樣、能夠覆蓋低空經(jīng)濟(jì)活躍的更多復(fù)雜場(chǎng)景。

相較于傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供的5～10米量級(jí)定位精度，北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)利用幾何構(gòu)型變化劇烈的低軌衛(wèi)星、云端輔助改正信息快速生成與播發(fā)能夠提供分米量級(jí)定位服務(wù)[11-12]，低空用戶定位精度與速度得到大大提升。

相較于傳統(tǒng)的高軌通信衛(wèi)星，低軌通導(dǎo)一體化衛(wèi)星可以支持更大的空域通信容量和更低的延時(shí)，支持更高密度的低空用戶。

3.3 地面導(dǎo)航監(jiān)測(cè)網(wǎng)

地面導(dǎo)航監(jiān)測(cè)網(wǎng)是由遍布全國(guó)的地基監(jiān)測(cè)站點(diǎn)組成，具備監(jiān)測(cè)北斗衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星下行信號(hào)能力。地基監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的全國(guó)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及低軌星星載觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送至北斗+低軌位置服務(wù)平臺(tái)，支持形成低軌星基增強(qiáng)的快速高精度定位服務(wù)能地力。地面導(dǎo)航監(jiān)測(cè)網(wǎng)是提供精準(zhǔn)、可信位置服務(wù)的保障。

3.4 北斗+低軌位置服務(wù)平臺(tái)

北斗+低軌位置服務(wù)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)北斗+低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化導(dǎo)航位置服務(wù)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)北斗+低軌通導(dǎo)一體化定位、管制服務(wù)的推送。其服務(wù)的可信性由網(wǎng)絡(luò)中居于“第三方”位置的北斗+低軌位置服務(wù)平臺(tái)提供保障，監(jiān)測(cè)評(píng)估中心可完成網(wǎng)絡(luò)中各種導(dǎo)航源信號(hào)域/信息域多維度評(píng)估[13-14]，監(jiān)測(cè)評(píng)估信息實(shí)時(shí)推送云端服務(wù)中心進(jìn)行比對(duì)，確保提供低空位置服務(wù)的可信性。

4 服務(wù)能力

北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)旨在為全球低空用戶在GNSS的基礎(chǔ)上提供低軌導(dǎo)航定位增強(qiáng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同、融合、智能、全覆蓋、全天候、全領(lǐng)域的定位服務(wù)，為低空經(jīng)濟(jì)中的通航載人飛行、無(wú)人物流、無(wú)人機(jī)巡檢、無(wú)人機(jī)測(cè)繪、無(wú)人機(jī)遙感等領(lǐng)域提供高精度定位解決方案。

北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)從信息增強(qiáng)、信號(hào)協(xié)同和體制融合三個(gè)方面來(lái)增強(qiáng)低空城市環(huán)境下導(dǎo)航位置服務(wù)能力。

4.1 低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)

低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)利用低軌衛(wèi)星的通信鏈路，播發(fā)北斗系統(tǒng)導(dǎo)航電文、精密改正數(shù)等信息，輔助低空用戶提高定位精度，縮短首次定位時(shí)間。另外利用低軌通信鏈路為用戶提供高容量、低延時(shí)的低軌通信服務(wù)。

北斗+低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)流程如圖2所示，地面段通過地面網(wǎng)絡(luò)從其他系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)獲得北斗系統(tǒng)導(dǎo)航電文、精密改正數(shù)等導(dǎo)航增強(qiáng)信息，通過信關(guān)站上注給低軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星將導(dǎo)航增強(qiáng)信息播發(fā)給低空用戶。

圖2 北斗+低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)示意圖

信息增強(qiáng)不提供額外的距離觀測(cè)量，只提供北斗/GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航電文、消除GNSS誤差的修正信息和完好性信息。低空用戶通過通信鏈路接收導(dǎo)航電文速率較高，能夠縮短首次定位時(shí)間；通過接收增強(qiáng)信息實(shí)現(xiàn)定位誤差修正，最終提高定位精度。

導(dǎo)航信息增強(qiáng)中GNSS精密電文提供的軌道精度為5cm，鐘差0.15ns，通過低軌衛(wèi)星快速播發(fā)，輔助GNSS進(jìn)行精密單點(diǎn)定位(PPP)。本節(jié)采用實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用GNSS精密軌道和鐘差(精度5cm)，分析導(dǎo)航信息增強(qiáng)定位精度。在一天時(shí)間內(nèi)，低空用戶定位誤差如圖3所示。

圖3 北斗+低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)示意圖

由圖3的定位結(jié)果，低空用戶定位誤差在水平和垂直方向上均優(yōu)于1分米，可實(shí)現(xiàn)低空城市場(chǎng)景下亞米級(jí)高精度定位服務(wù)。綜上，低軌導(dǎo)航信息增強(qiáng)服務(wù)可以解決城市低空復(fù)雜環(huán)境下的定位速度慢和定位精度差的問題。

4.2 低軌導(dǎo)航信號(hào)協(xié)同定位服務(wù)

低軌導(dǎo)航信號(hào)協(xié)同定位服務(wù)是指利用低軌衛(wèi)星播發(fā)低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)，利用北斗信號(hào)和低軌導(dǎo)航增強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)同定位服務(wù)。低軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)具有較好的穿透性、抗干擾型和防欺騙性，可以在城市低空復(fù)雜環(huán)境中提供實(shí)時(shí)有效的高精度導(dǎo)航定位服務(wù)。另外低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度較快，在一定時(shí)間內(nèi)幾何構(gòu)型變化較快，能夠很好地改善GNSS系統(tǒng)的空間構(gòu)型，可以大大縮短低空無(wú)人機(jī)的首次定位時(shí)間和信號(hào)中斷后重新定位時(shí)間。

低軌衛(wèi)星播發(fā)的快速精密定位信號(hào)類似導(dǎo)航信號(hào)，同樣在L頻段，調(diào)制有偽碼可實(shí)現(xiàn)偽距的測(cè)量，由于低軌衛(wèi)星的特點(diǎn)，信號(hào)落地電平超過一般導(dǎo)航信號(hào)20dB以上，并且其導(dǎo)航電文中包含北斗系統(tǒng)導(dǎo)航電文、精密改正數(shù)等導(dǎo)航增強(qiáng)信息。地面段通過地面網(wǎng)絡(luò)從其他系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)獲得北斗系統(tǒng)導(dǎo)航電文、精密改正數(shù)等導(dǎo)航增強(qiáng)信息，通過信關(guān)站上注給低軌衛(wèi)星；低軌衛(wèi)星根據(jù)上注信息播發(fā)導(dǎo)航增強(qiáng)快速精密定位信號(hào)，無(wú)人機(jī)終端同時(shí)接收北斗導(dǎo)航信號(hào)和低軌導(dǎo)航增強(qiáng)快速精密定位信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合解算，可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)收斂和分米級(jí)高精度定位。當(dāng)導(dǎo)航信號(hào)遮蔽或者干擾嚴(yán)重時(shí)，也可以使用低軌快速精密定位信號(hào)獨(dú)立定位，大大提高城市低空導(dǎo)航定位服務(wù)的完好性和可用性。北斗+低軌衛(wèi)星聯(lián)合快速精密定位服務(wù)流程如圖4所示。

圖4 北斗+低軌衛(wèi)星聯(lián)合快速精密定位服務(wù)示意圖

低軌衛(wèi)星參與聯(lián)合解算相當(dāng)于增加新的系統(tǒng)，需要考慮系統(tǒng)間偏差，以最終實(shí)現(xiàn)北斗+低軌通導(dǎo)融合聯(lián)合定位。對(duì)于北斗+低軌衛(wèi)星聯(lián)合定位，為了推導(dǎo)簡(jiǎn)潔這里不考慮各種誤差源的影響，得到如下觀測(cè)方程：

為解算低空用戶的實(shí)時(shí)位置，必須將2個(gè)時(shí)間系統(tǒng)中的衛(wèi)星在軌位置劃歸到同一時(shí)間尺度下，而且必須將2種坐標(biāo)系下的衛(wèi)星位置轉(zhuǎn)換到同一種坐標(biāo)系中。北斗+低軌衛(wèi)星聯(lián)合定位組合定位計(jì)算時(shí)，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的時(shí)間系統(tǒng)，并且各時(shí)系間存在一定偏差。所以，在多系統(tǒng)組合算法中針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)引入不同的接收機(jī)鐘差參數(shù)，對(duì)上述兩個(gè)公式線性化從而有以下多系統(tǒng)組合算法的數(shù)學(xué)模型：

令

采用上述解算方法，結(jié)合54所發(fā)射的天象1號(hào)低軌實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射的快速精密定位信號(hào)進(jìn)行在軌實(shí)驗(yàn)，單北斗與北斗+低軌快速精密定位誤差序列如圖5所示。

圖5 單北斗與北斗+低軌快速精密定位誤差序列

由圖5可知快速精密定位精度優(yōu)于單北斗定位精度，在定位收斂后可以實(shí)現(xiàn)分米級(jí)高精度定位。

當(dāng)GNSS與低軌衛(wèi)星軌道與鐘差誤差時(shí)，為了減少隨機(jī)觀測(cè)噪聲對(duì)收斂時(shí)間的影響，進(jìn)行500次蒙特卡羅仿真，其中當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星空間信號(hào)測(cè)距誤差(SISRE)分別為0、0.03m、0.05m、0.08m、0.1m時(shí)的收斂時(shí)間統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

圖6 不同低軌衛(wèi)星SISRE時(shí)PPP收斂時(shí)間變化情況

由圖6可知，低軌衛(wèi)星的偽距誤差小于0.05m時(shí)，可以支持快速精密定位服務(wù)實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)收斂。

4.3 低軌導(dǎo)航體制融合服務(wù)

低軌導(dǎo)航體制融合服務(wù)技術(shù)是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)之初，即同步考慮了通信導(dǎo)航需求，進(jìn)行了通信導(dǎo)航信號(hào)體制的一體化設(shè)計(jì)。低軌導(dǎo)航體制融合服務(wù)技術(shù)是利用低軌衛(wèi)星的通信信號(hào)，在通信信號(hào)內(nèi)部調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)，利用通信信號(hào)傳輸?shù)目沼噘Y源來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù)，可以為低空用戶提供更加泛在、更加可信的位置服務(wù)。

但是由于通信信號(hào)沒有調(diào)制偽碼，無(wú)法進(jìn)行通過偽距測(cè)量的方法來(lái)進(jìn)行定位，所以低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化服務(wù)通常利用L頻段進(jìn)行單星多普勒定位。由于直接測(cè)量瞬時(shí)多普勒頻移較為困難，故采用測(cè)量一定時(shí)間間隔內(nèi)的多普勒周數(shù)的方法進(jìn)行相對(duì)多普勒測(cè)量。單星多普勒定位的基本方程為

單星多普勒定位原理是利用連續(xù)觀測(cè)的衛(wèi)星到測(cè)站的多普勒數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。對(duì)于一次觀測(cè)，單星多普勒觀測(cè)量的解可以由與測(cè)站速度方向成某一夾角的圓錐面來(lái)表示，如圖7所示。

圖7 接收機(jī)與星多普勒幾何關(guān)系

當(dāng)接收機(jī)位置靜止時(shí)，低軌衛(wèi)星過境時(shí)低空用戶不斷采集數(shù)據(jù)，由于低軌衛(wèi)星運(yùn)行速度較快，幾分鐘內(nèi)即可呈現(xiàn)出較大的幾何構(gòu)型變化，假設(shè)認(rèn)為此時(shí)段內(nèi)接收機(jī)和衛(wèi)星鐘差穩(wěn)定不變，那么單星多普勒定位的原理圖如圖8所示。不同歷元形成了不同的圓錐面，每個(gè)圓錐面均可列出一個(gè)方程，多個(gè)圓錐面之間存在交集，其交點(diǎn)即為測(cè)站解算的位置。

圖8 單星多普勒定位原理圖

低軌衛(wèi)星軌道軌道高度較低，一般在幾百千米到兩千千米左右，其發(fā)射信號(hào)空間損耗較小。低軌衛(wèi)星通信信號(hào)強(qiáng)度比北斗強(qiáng)大約30dB。因此低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化服務(wù)可以拓寬服務(wù)范圍與場(chǎng)景，使在一些低空遮蔽環(huán)境、城市峽谷中的定位導(dǎo)航授時(shí)成為可能。

5 未來(lái)展望

目前，在國(guó)內(nèi)積極的政策環(huán)境中，市場(chǎng)主體以及國(guó)資平臺(tái)積極入局，探索低空經(jīng)濟(jì)各類場(chǎng)景的創(chuàng)新突破，已經(jīng)形成載貨、載人、城市管理、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景[15]。

未來(lái)隨著低空運(yùn)行進(jìn)入到大容量高密度的發(fā)展階段，飛行和飛行監(jiān)控必然都不可能僅依賴人的參與控制，需要更加智能化的系統(tǒng)能力，提升航線規(guī)劃、飛行避障、多任務(wù)協(xié)同、監(jiān)管調(diào)度等各個(gè)方面的數(shù)字化水平。未來(lái)北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供的泛在、精準(zhǔn)、可信位置服務(wù)和高容量、低延時(shí)低軌通信服務(wù)將推動(dòng)低空經(jīng)濟(jì)向著無(wú)人化、精準(zhǔn)化和智能化的方向發(fā)展。

1)貨運(yùn)場(chǎng)景

在未來(lái)北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、低空數(shù)字孿生空間和低延遲的低空通信監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的配合下，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自主航線規(guī)劃和避障，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境下三維點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的物流。

圖9為基于北斗+低軌通導(dǎo)一體化位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和低空空域數(shù)字孿生空間[16]的物流無(wú)人機(jī)自主任務(wù)規(guī)劃及避障的未來(lái)無(wú)人機(jī)物流典型運(yùn)行場(chǎng)景。當(dāng)接到無(wú)人物流任務(wù)后，會(huì)在數(shù)字孿生空間進(jìn)行統(tǒng)一的任務(wù)與航路規(guī)劃，確認(rèn)無(wú)飛行沖突后進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行；在執(zhí)行過程中利用北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供的泛在、精準(zhǔn)、可信的位置服務(wù)進(jìn)行導(dǎo)航；利用5G地面監(jiān)控鏈路進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行監(jiān)控，當(dāng)5G地面監(jiān)控鏈路不可用時(shí)，利用北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供的高容量、低延時(shí)低軌通信服務(wù)進(jìn)行任務(wù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫監(jiān)視，提升系統(tǒng)的可靠性；調(diào)度中心監(jiān)視運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)的所有無(wú)人機(jī)，負(fù)責(zé)飛行沖突預(yù)警并將預(yù)警信息及時(shí)報(bào)給無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)重新規(guī)劃和避障。最終在北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、低空數(shù)字孿生空間、地面5G網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度中心的配合下完成無(wú)人機(jī)物流配送。

圖9 未來(lái)無(wú)人機(jī)物流典型運(yùn)行場(chǎng)景

2)載人場(chǎng)景

作為直升機(jī)運(yùn)營(yíng)方的各通航企業(yè)不斷拓展航線及飛行架次，如東部通航建設(shè)與管理運(yùn)行機(jī)場(chǎng)達(dá)30個(gè)以上，不斷延伸業(yè)務(wù)至跨境、商務(wù)、城際、游覽、應(yīng)急等眾多場(chǎng)景；而以億航、小鵬匯天為首的載人級(jí)自動(dòng)駕駛飛行器企業(yè)也在各個(gè)地區(qū)試點(diǎn)運(yùn)行。

未來(lái)北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、低空數(shù)字孿生空間和低延遲的低空通信監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)讓低空載人自動(dòng)駕駛航線設(shè)立與管理成為可能，未來(lái)出行人類可能會(huì)乘坐空中“飛行的士”。

3)城市管理場(chǎng)景

因巡檢、救援等場(chǎng)景替代人效應(yīng)明顯，商業(yè)模式已基本跑通，該場(chǎng)景目前發(fā)展最為成熟；且由于尺寸類似于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，飛行審批也相較其他場(chǎng)景簡(jiǎn)單。

未來(lái)伴隨北斗+低軌通導(dǎo)一體位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、低空數(shù)字孿生空間和低延遲的低空通信監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建完善，無(wú)人機(jī)巡檢、救援、植保等場(chǎng)景將進(jìn)一步滲透。