低軌導航增強，勾勒高精時空藍圖

+郭朝暉

未來汽車是什么樣的？

未來汽車是什么樣的？展開想象，智能、自動、安全、舒適，這些字眼都是我們能夠直接想到的。是的，借助日益發展的傳感器技術與智能計算技術，汽車正在一條全新的道路上快速發展。在不遠的將來，自動駕駛車輛將陸續上路，實現更高效、更智能的新型交通模式。

自動駕駛車輛的核心要素之一就是高精度定位。借助于精確的位置結合高精度地圖，可實現車道級導航，進而更好地服務于車輛變道、匝道行駛，更便捷地適配多種多樣的交通規則。

面向自動駕駛的“原生”高精度服務

位置信息，作為實現自動駕駛必不可少的要素，自然備受矚目。如何為汽車提供精確、可靠的位置信息，是直接影響自動駕駛實現的關鍵要素之一。

GNSS（Global Navigation Satellite System）即“全球導航衛星系統”，是目前應用最廣泛的絕對定位技術。GNSS定位技術在汽車上最典型的應用就是汽車導航。隨著高精度定位的普及和高精度地圖的發展，導航向車道級精度邁進。如何提高傳統衛星導航的全球瞬時高精度定位能力，是智能汽車產業發展必須面對的問題。同時，自動駕駛汽車對高精度定位的可靠性、安全性、完好性提出了更高的標準，要求高精度定位的安全可評估，能夠給出具體的安全性指標。

當前的GNSS系統提供的定位性能普遍都在米級水平，一般處在5～10米左右。由于受到衛星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時等誤差源影響，僅僅靠GNSS已經很難將定位精度進一步提升。因此，需要引入導航增強系統，為用戶在GNSS的基礎上獲取分米、厘米，乃至毫米級的定位精度。

按實現方式不同，現有導航增強體制可分為地基增強系統和星基增強系統兩種。

地基增強系統建立了龐大的地面監測站網，采用差分體制，即認為當移動接收站和基準監測站相距不遠時，兩者相對于某一顆導航衛星的衛星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時誤差是一致的。通過移動通信網絡或特種通信鏈路，將差分誤差發送至移動接收站，實現定位精度的提升。

地基增強系統的優點是能夠實現實時、動態、分厘米級的定位精度，缺點是需要依賴通信鏈路來播發差分誤差信息，且需要建設較多基準監測站，投入成本較大，在偏遠地區、海洋等區域也無法覆蓋。

星基增強系統采用絕對定位體制，即地面基準監測站實時將GNSS衛星的原始監測數據匯總至數據處理中心，數據處理中心處理得到衛星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時等誤差修正量，并通過地球同步軌道通信衛星轉發至移動接收站，移動接收站通過PPP（Precise Point Positioning）精密單點定位技術實現定位精度的提升。

星基增強系統的優點是除南北緯70°以上極地區域外，全球其他區域均可覆蓋，不受地理環境限制，能夠實現動態、分厘米級的定位精度；缺點是由于GNSS衛星軌道高度較高，短時間內空間幾何結構變化不大，移動接收站要實現分厘米級的定位精度需要20至30分鐘左右的收斂時間。

可以看到，不管是地基增強系統還是星基增強系統，沒有一種方式能夠實現全球范圍內通用的無縫瞬時高精度定位，而低軌衛星導航增強體制正可以彌補這一痛點。前述星基增強采用的PPP精密單點定位技術，由于中高軌導航衛星對地運動速度慢，短時間內空間幾何分布變化不明顯，因而定位精度達到厘米級別需要較長收斂時間。而低軌衛星相對地面運動速度快，其同時播發類似于GNSS的導航信號，并調制衛星軌道、鐘差、電離層延時、對流層延時等誤差修正量，地面移動接收站接收到低軌導航增強信號后，與北斗/GPS等系統進行聯合解算，可將傳統PPP精密單點定位收斂至厘米級定位精度所需的時間減小至1分鐘以內，極大提升該技術的應用場景。而且，由于低軌衛星的全球覆蓋特性，采用低軌導航增強系統與北斗/GPS等系統組合，可以實現全球范圍內無縫瞬時的高精度定位服務。

地基導航增強系統示意圖

星基導航增強系統示意圖

同時，商業航天為低軌衛星系統帶來了新的活力，利用低軌導航衛星的特性，可實現滿足自動駕駛快速收斂的高信息承載量的導航增強信號，設計并實現能夠覆蓋全球的低軌導航增強系統。

低軌導航增強系統的構建理念

低軌導航增強系統可實現信號與信息雙增強。信號增強是指低軌衛星將會對地面廣播測距信號，這相當于增加了新的衛星信號，低軌信號具有更好的抗干擾能力、更高的信息承載量，能夠有效的提升GNSS信號的環境適應性。信息增強指的是測距信號中將會調制精密軌道、鐘差等高精度定位所需要的精密產品，滿足地面終端完成精密單點定位（PPP）的需要。借助于低軌衛星的高速運動，PPP收斂速度將提升至1分鐘以內，實現高精度定位的快速初始化。

低軌導航增強衛星需要與現有衛星導航系統進行時空基準的統一，以實現同一基準下的高精度定位。通過低軌衛星星載接收機接收北斗衛星信號，建立低軌導航增強衛星系統與北斗衛星導航系統統一的坐標與時間框架，實現低軌衛星與GNSS融合定位。

時空道宇低軌導航增強載荷

低軌導航增強系統建成后，未來的汽車在全球范圍內均可獲得準確、可靠的高精度定位服務，未來出行體系的空、天、地服務也將受益于低軌導航增強服務，提升服務體驗與安全性。

低軌導航增強系統如何體現服務優勢？

星載實時PPP不同向的定軌精度

低軌導航增強系統覆蓋全球，在全球任意角落均可接收到平均4顆衛星的信號。低軌衛星的信號承載了測距信號和增強信息，可支持低軌/GNSS快速收斂及厘米級定位，滿足自動駕駛的車道級導航需求。同時，利用低軌衛星在軌信號接收，可以更好地實現對衛星完好性的實時監測，為自動駕駛用戶提供安全可靠的服務。

基于上述理念，浙江時空道宇科技有限公司提出了低軌導航增強系統的規劃，首發雙星發射后，將開展全球首個商用低軌導航增強系統驗證。未來星座投入使用后，將更好地服務于北斗衛星的定軌定鐘，衛星狀態實時監測等重要應用，成為北斗導航系統的有力補充；低軌/北斗融合的定位體系，能夠為用戶提供高中低軌衛星信號，提供瞬時定位、瞬時收斂的高精度定位服務，大大提高GNSS定位系統的性能，為導航定位產業注入新的活力。

現階段的低軌導航增強系統，以北斗等衛星導航系統為基礎，也具備獨立運行能力，以納秒級時間基準和厘米級空間基準，提供物與物精準互聯的高精時空服務。這其中的關鍵技術，就體現在低軌導航增強載荷中。

時空道宇低軌導航增強載荷設計思路

功能先進性

低軌導航增強實現的關鍵是低軌衛星除了提供導航增強信息外，還需提供類似于GNSS的信號，實現信息和信號雙增強。

星載實時PPP

低軌/GNSS組合PPP利用低軌衛星的快速運動特性，在低軌衛星加入定位解算后能夠有效減小初始化收斂時間，而低軌衛星的精密星歷來源于星載實時PPP技術。低軌衛星星載接收機利用地面定時注入的GNSS軌道/鐘差改正、GNSS偽碼/相位偏差等增強信息，實現實時精密定位定軌功能。根據實測結果表明，星載實時PPP在不同方向均能取得優于2cm的定位精度。星載實時PPP提升了低軌衛星精密定軌的實時性，使得低軌衛星作為信號增強源，加入到低軌/GNSS組合PPP成為現實。

發射天線賦形

由于低軌衛星星下點和邊緣處距離相差較大，為確保低軌衛星導航增強信號落地電平的均衡性，星上發射天線應采用對地賦形，設計成馬鞍形狀。此種設計與北斗/GPS等衛星導航天線采用類似的原理，但低軌衛星發射天線中心與邊緣的增益相差要求更嚴格。

低軌衛星在不同區域單粒子翻轉概率

低軌導航增強將賦能未來出行，為時空道宇天地一體化高精時空信息系統，創造無限可能。

適合低軌導航增強衛星的馬鞍形賦形天線方向圖

功能軟件化

低軌導航增強功能的實現對載荷連續性、可靠性和穩定性要求極高，為了應對空間復雜的環境，導航增強載荷采用了多種抗單粒子翻轉措施，包括三模冗余、定時刷新、檢錯糾錯等。以往一些衛星往往采用增加單機厚度、使用抗輻照芯片等硬性的措施來防空間輻射，不僅增加了成本，效果也不甚理想。而導航增強載荷采用的軟件化預防措施，能夠實現以柔克剛的效果。

另一方面，導航增強載荷軟件實現全部可重構化，具備在軌可升級功能。由于隨著運行時間的增加，或者是溫度梯度的變化，載荷元器件會出現性能變化。而導航增強載荷時延、相位差等參數對低軌導航增強功能的實現尤為重要，因此需要根據在軌衛星的實測數據，進行周期性的調整。即，通過軟件重構方式，實現導航增強載荷的持續最優性能。

低軌導航增強技術是實現北斗/GPS等衛星導航系統全球無縫瞬時厘米級高精度定位服務的必由之路，而低軌導航增強載荷又是該技術的核心。未來，低軌導航增強系統建設完成后，除了賦能地面出行需要的高精度定位服務外，也將助力低空出行領域的高精度電子化發展。