近年來，隨著美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗衛星導航系統和歐洲Galileo等四大衛星導航系統提供Global服務，世界衛星導航步入新時代。各主要衛星導航國家瞄準更高服務精度、更加多樣功能、更加可靠服務，正在著手開展新一代系統建設和新一輪競技。

低軌衛星（LEO）以其星座和信號的優勢，逐步受到世界衛星導航領域的關注和青睞，有望成為新一代衛星導航系統發展的新增量。低軌衛星可以增強衛星導航信號，作為GNSS（Global衛星導航系統）的增強與補充；也可以通過通信系統和導航系統融合，播發獨立測距信號，形成備份的定位導航能力。目前，國際衛星導航領域，對如何應用低軌衛星技術實現PNT（定位導航授時）的增強、備份和補充的研發和實踐方興未艾。美國銥星系統與GPS系統共同研發推出新型衛星授時與定位服務(STL)，已成為GPS系統的備份或補充；歐洲Galileo系統技術團隊，也在積極推進開普勒系統研究，通過4-6顆低軌衛星構成的低軌星座，通過星間鏈路對中高軌衛星進行監測和高精度測量，以大幅提高Galileo星座的定軌精度。與此同時，國內的低軌衛星技術發展也如火如荼。在有關部門、大型央企、研究院所、民營企業的推動下，鴻雁、天地一體化網絡、微厘空間等低軌衛星星座已開展試驗衛星在軌試驗。本文主要聚焦低軌增強星座對衛星導航系統能力提升和備份方面的技術和效果的分析。

一、世界主要衛星導航系統通過低軌增強提升能力

1、美國通過銥星系統實現對GPS定位授時服務能力的備份

為提升GPS系統的能力，美國在新一代銥星系統上實現了與GPS系統的融合發展，為用戶提供STL（Satellites Time and Location）服務，由Satelles公司提供，可對GPS能力進行備份和增強。

銥星系統最初是美國摩托羅拉公司設計的Global移動通信系統。包括6個軌道面，每條軌道均勻分布11顆衛星，組成完整星座，能夠覆蓋包括極地在內的Global區域。設計之初主要為用戶提供衛星通信服務，但由于高昂的系統建設費用和市場的冷遇，銥星系統的發展較為遲緩。2019年1月，美國完成新一代銥星系統發射部署。在通信業務以外，銥星星座提供STL服務，可實現室內和峽谷地區的定位導航授時。STL服務性能,定位精度30～50米、授時精度約為200ns，原信號落地功率比GPS L1 C/A碼信號強300～2400倍（24.8～33.8dB），室內可用性大幅提升，增強了復雜地形環境和復雜電磁環境下的導航可用性和安全性。通過銥星以及GNSS接收機，STL服務既可增強GPS在內的多GNSS導航服務，也可在信號不可用或者不好用的時候作為一種備用手段。

2、歐洲專家提出以開普勒低軌系統大幅增強Galileo系統能力

開普勒系統（Kepler）是歐洲Galileo系統技術團隊提出的新構想，在實現對Galileo系統完好性和精度增強的同時，減輕對地面系統的依賴。

開普勒系統的技術核心，是用4-6顆低軌衛星構成小規模星座，以及激光星間鏈路（ISL）來完善現有星座體系。MEO衛星不需配備原子鐘，通過激光星間鏈路連接所有衛星，使得導航衛星能夠在很高精度水平上實現直接同步，之后再進一步為定軌提供高精度的距離測量而不是偽距，以期得到mm級的定軌精度和nm級的相位測量精度，從而實現能力大幅提升。同時，系統通過LEO衛星星座對無電離層、對流層擾動的導航信號進行觀測，可提升MEO系統的完好性和精度。在開普勒系統架構下，地面運控系統的測量通信設施大多不再必要，僅需少量地面站維持與地球坐標框架的一致，以及特殊情況下操控系統的能力。

3、國內多家開展低軌增強研究和技術試驗

國內多家單位開展了低軌衛星增強的相關理論研究、仿真計算和在軌衛星驗證，并提出了相應的星座計劃?！傍櫻恪薄昂缭啤薄疤斓匾惑w化信息網絡”等通信星座均考慮了低軌衛星增強的需求，微厘空間、箭旅鏡像主打低軌高精度增強；同時“鴻雁星座試驗星”“珞珈一號”“微厘空間” “網通一號”等低軌試驗衛星的在軌技術試驗，為低軌衛星導航信號增強技術、精度增強等技術積累了試驗數據。

二、低軌增強為衛星導航帶來的新賦能

1、低軌星座和信號具有很好的優勢

1）低軌衛星軌道低、重量小，衛星造價和發射成本較低

低軌衛星比中高軌衛星的重量輕、軌道更低，可通過一箭多星方式發射，衛星的研發成本和火箭發射成本較低。

2）落地信號強度更高，可改善遮擋遮蔽條件下定位效果，提升可用性

低軌衛星軌道高度一般為1000km左右，相較于20000km以上高度的中高軌導航衛星，低軌衛星信號傳輸路徑更短、信號時延和功率損耗更小。簡單來說，如果低軌衛星和中高軌衛星發射相同的信號功率，低軌衛星發射抵達地球表面的信號功率將比中高軌衛星高出30dB（即1000倍）。更強的落地信號功率，可在復雜地形環境和復雜電磁環境下改善定位的效果，提升抗干擾和反欺騙能力。

3）低軌衛星運行速度快，加快高精度定位收斂時間，用戶體驗更優

中高軌衛星星座幾何構型變化慢，相鄰歷元間觀測方程之間的相關性太強，因此在進行定位參數估計時，需要較長的時間才能估計和分離各類誤差，進而固定載波相位模糊度、實現精密定位。因此，傳統高精度定位的收斂時間一般為15分鐘~30分鐘。

圖1 相同時間內低軌與中軌衛星劃過的軌跡，其中紅色為中高軌衛星軌跡，藍色為低軌衛星軌跡

而低軌衛星繞地球旋轉一周的時間遠小于中高軌衛星，在相同時間段內過的軌跡更長，幾何構型變化快。理論上，低軌衛星運行1分鐘，約相當于目前中軌衛星運行20分鐘的幾何變化。低軌衛星的軌道特性，有助于加快高精度定位的收斂時間，達到1分鐘級收斂，用戶體驗更加優異。

4）更高的信息速率，能播發更多的精密改正信息

由于落地信號功率的提升，低軌增強信號可以承載更高的信息速率或更大的信號帶寬，作為衛星導航基本電文及差分改正電文的播發通道。

5）終端小型化、集成化、低功耗，易于用戶使用

低軌增強信號功率的提升，有利于地面用戶使用更小型化的終端設備；同時，作為通信使用時，地面用戶以更小的信號功率，就能被低軌衛星正常接收。

2、助力構建GNSS Global天基監測網

一般來說，GNSS需要Global分布的地面監測站進行觀測支持，美國、俄羅斯和歐洲基本都采用Global建站的途徑來滿足Global連續觀測要求。美國GPS系統監測站大都分布在赤道附近，包括科羅拉多、迪戈加西亞、阿森松、卡瓦加林、夏威夷五個監測站；俄羅斯東西跨度大，基本可解決GLONASS系統Global觀測問題；歐洲Galileo系統可以在海外殖民地建站，實現全Global觀測。我國北斗系統當前主要是立足國內建站，通過星間鏈路實現全Global觀測和運行支持。

基于低軌衛星星座，可助力構建GNSS  Global天基監測網。

1）實現對衛星導航信號的高質量Global監測

相比于地面監測網絡，低軌衛星對導航信號的觀測具備受電離層、對流層等影響小，跟蹤弧段長、覆蓋次數多，多徑效應影響小等特點。低軌衛星作為GNSS的高精度天基監測站，可極大改善觀測幾何，削弱切向軌道與相位模糊度的相關性，提高導航衛星軌道和鐘差精度，并有效彌補地基監測網在空間覆蓋上的不足，實現Global高質量監測。

圖2 天基監測與地面監測

2）可有效提升衛星定軌精度

通過選取30顆導航衛星，對僅地面監測站，以及低軌星基監測與地面聯合監測兩種情況的定軌能力進行仿真分析。僅地面監測站進行定軌的空間信號精度約0.3米；加上12顆低軌衛星組成天基監測站聯合定軌仿真，信號精度約0.1米。初步分析可知，地基與基于低軌星座的天基聯合監測和定軌，可使星座定軌精度提升1倍以上。