低轨导航增强，勾勒高精时空蓝图

　　文郭朝晖
　　未来汽车是什么样的？
　　未来汽车是什么样的？展开想象，智能、自动、安全、舒适，这些字眼都是我们能够直接想到的。是的，借助日益发展的传感器技术与智能计算技术，汽车正在一条全新的道路上快速发展。在不远的将来，自动驾驶车辆将陆续上路，实现更高效、更智能的新型交通模式。
　　自动驾驶车辆的核心要素之一就是高精度定位。借助于精确的位置结合高精度地图，可实现车道级导航，进而更好地服务于车辆变道、匝道行驶，更便捷地适配多种多样的交通规则。
　　面向自动驾驶的原生高精度服务
　　位置信息，作为实现自动驾驶必不可少的要素，自然备受瞩目。如何为汽车提供精确、可靠的位置信息，是直接影响自动驾驶实现的关键要素之一。
　　GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）即全球导航卫星系统，是目前应用最广泛的绝对定位技术。GNSS定位技术在汽车上最典型的应用就是汽车导航。随着高精度定位的普及和高精度地图的发展，导航向车道级精度迈进。如何提高传统卫星导航的全球瞬时高精度定位能力，是智能汽车产业发展必须面对的问题。同时，自动驾驶汽车对高精度定位的可靠性、安全性、完好性提出了更高的标准，要求高精度定位的安全可评估，能够给出具体的安全性指标。
　　当前的GNSS系统提供的定位性能普遍都在米级水平，一般处在510米左右。由于受到卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时等误差源影响，仅仅靠GNSS已经很难将定位精度进一步提升。因此，需要引入导航增强系统，为用户在GNSS的基础上获取分米、厘米，乃至毫米级的定位精度。
　　按实现方式不同，现有导航增强体制可分为地基增强系统和星基增强系统两种。
　　地基增强系统建立了庞大的地面监测站网，采用差分体制，即认为当移动接收站和基准监测站相距不远时，两者相对于某一颗导航卫星的卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时误差是一致的。通过移动通信网络或特种通信链路，将差分误差发送至移动接收站，实现定位精度的提升。
　　地基增强系统的优点是能够实现实时、动态、分厘米级的定位精度，缺点是需要依赖通信链路来播发差分误差信息，且需要建设较多基准监测站，投入成本较大，在偏远地区、海洋等区域也无法覆盖。
　　（图）地基导航增强系统示意图
　　星基增强系统采用绝对定位体制，即地面基准监测站实时将GNSS卫星的原始监测数据汇总至数据处理中心，数据处理中心处理得到卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时等误差修正量，并通过地球同步轨道通信卫星转发至移动接收站，移动接收站通过PPP（PrecisePointPositioning）精密单点定位技术实现定位精度的提升。
　　星基增强系统的优点是除南北纬70以上极地区域外，全球其他区域均可覆盖，不受地理环境限制，能够实现动态、分厘米级的定位精度；缺点是由于GNSS卫星轨道高度较高，短时间内空间几何结构变化不大，移动接收站要实现分厘米级的定位精度需要20至30分钟左右的收敛时间。
　　（图）星基导航增强系统示意图
　　可以看到，不管是地基增强系统还是星基增强系统，没有一种方式能够实现全球范围内通用的无缝瞬时高精度定位，而低轨卫星导航增强体制正可以弥补这一痛点。前述星基增强采用的PPP精密单点定位技术，由于中高轨导航卫星对地运动速度慢，短时间内空间几何分布变化不明显，因而定位精度达到厘米级别需要较长收敛时间。而低轨卫星相对地面运动速度快，其同时播发类似于GNSS的导航信号，并调制卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时等误差修正量，地面移动接收站接收到低轨导航增强信号后，与北斗GPS等系统进行联合解算，可将传统PPP精密单点定位收敛至厘米级定位精度所需的时间减小至1分钟以内，极大提升该技术的应用场景。而且，由于低轨卫星的全球覆盖特性，采用低轨导航增强系统与北斗GPS等系统组合，可以实现全球范围内无缝瞬时的高精度定位服务。
　　同时，商业航天为低轨卫星系统带来了新的活力，利用低轨导航卫星的特性，可实现满足自动驾驶快速收敛的高信息承载量的导航增强信号，设计并实现能够覆盖全球的低轨导航增强系统。
　　低轨导航增强系统的构建理念
　　低轨导航增强系统可实现信号与信息双增强。信号增强是指低轨卫星将会对地面广播测距信号，这相当于增加了新的卫星信号，低轨信号具有更好的抗干扰能力、更高的信息承载量，能够有效的提升GNSS信号的环境适应性。信息增强指的是测距信号中将会调制精密轨道、钟差等高精度定位所需要的精密产品，满足地面终端完成精密单点定位（PPP）的需要。借助于低轨卫星的高速运动，PPP收敛速度将提升至1分钟以内，实现高精度定位的快速初始化。
　　低轨导航增强卫星需要与现有卫星导航系统进行时空基准的统一，以实现同一基准下的高精度定位。通过低轨卫星星载接收机接收北斗卫星信号，建立低轨导航增强卫星系统与北斗卫星导航系统统一的坐标与时间框架，实现低轨卫星与GNSS融合定位。
　　低轨导航增强系统建成后，未来的汽车在全球范围内均可获得准确、可靠的高精度定位服务，未来出行体系的空、天、地服务也将受益于低轨导航增强服务，提升服务体验与安全性。
　　（图）时空道宇低轨导航增强载荷
　　低轨导航增强系统如何体现服务优势？
　　低轨导航增强系统覆盖全球，在全球任意角落均可接收到平均4颗卫星的信号。低轨卫星的信号承载了测距信号和增强信息，可支持低轨GNSS快速收敛及厘米级定位，满足自动驾驶的车道级导航需求。同时，利用低轨卫星在轨信号接收，可以更好地实现对卫星完好性的实时监测，为自动驾驶用户提供安全可靠的服务。
　　基于上述理念，浙江时空道宇科技有限公司提出了低轨导航增强系统的规划，首发双星发射后，将开展全球首个商用低轨导航增强系统验证。未来星座投入使用后，将更好地服务于北斗卫星的定轨定钟，卫星状态实时监测等重要应用，成为北斗导航系统的有力补充；低轨北斗融合的定位体系，能够为用户提供高中低轨卫星信号，提供瞬时定位、瞬时收敛的高精度定位服务，大大提高GNSS定位系统的性能，为导航定位产业注入新的活力。
　　现阶段的低轨导航增强系统，以北斗等卫星导航系统为基础，也具备独立运行能力，以纳秒级时间基准和厘米级空间基准，提供物与物精准互联的高精时空服务。这其中的关键技术，就体现在低轨导航增强载荷中。
　　时空道宇低轨导航增强载荷设计思路
　　功能先进性
　　低轨导航增强实现的关键是低轨卫星除了提供导航增强信息外，还需提供类似于GNSS的信号，实现信息和信号双增强。
　　星载实时PPP
　　低轨GNSS组合PPP利用低轨卫星的快速运动特性，在低轨卫星加入定位解算后能够有效减小初始化收敛时间，而低轨卫星的精密星历来源于星载实时PPP技术。低轨卫星星载接收机利用地面定时注入的GNSS轨道钟差改正、GNSS伪码相位偏差等增强信息，实现实时精密定位定轨功能。根据实测结果表明，星载实时PPP在不同方向均能取得优于2cm的定位精度。星载实时PPP提升了低轨卫星精密定轨的实时性，使得低轨卫星作为信号增强源，加入到低轨GNSS组合PPP成为现实。
　　（图）星载实时PPP不同向的定轨精度
　　发射天线赋形
　　由于低轨卫星星下点和边缘处距离相差较大，为确保低轨卫星导航增强信号落地电平的均衡性，星上发射天线应采用对地赋形，设计成马鞍形状。此种设计与北斗GPS等卫星导航天线采用类似的原理，但低轨卫星发射天线中心与边缘的增益相差要求更严格。
　　（图）适合低轨导航增强卫星的马鞍形赋形天线方向图
　　功能软件化
　　低轨导航增强功能的实现对载荷连续性、可靠性和稳定性要求极高，为了应对空间复杂的环境，导航增强载荷采用了多种抗单粒子翻转措施，包括三模冗余、定时刷新、检错纠错等。以往一些卫星往往采用增加单机厚度、使用抗辐照芯片等硬性的措施来防空间辐射，不仅增加了成本，效果也不甚理想。而导航增强载荷采用的软件化预防措施，能够实现以柔克刚的效果。
　　（图）低轨卫星在不同区域单粒子翻转概率
　　另一方面，导航增强载荷软件实现全部可重构化，具备在轨可升级功能。由于随着运行时间的增加，或者是温度梯度的变化，载荷元器件会出现性能变化。而导航增强载荷时延、相位差等参数对低轨导航增强功能的实现尤为重要，因此需要根据在轨卫星的实测数据，进行周期性的调整。即，通过软件重构方式，实现导航增强载荷的持续最优性能。
　　（图）低轨导航增强将赋能未来出行，为时空道宇天地一体化高精时空信息系统，创造无限可能。
　　低轨导航增强技术是实现北斗GPS等卫星导航系统全球无缝瞬时厘米级高精度定位服务的必由之路，而低轨导航增强载荷又是该技术的核心。未来，低轨导航增强系统建设完成后，除了赋能地面出行需要的高精度定位服务外，也将助力低空出行领域的高精度电子化发展。