中国国家综合定位、导航、授时(Positioning, Navigation, and Timing, PNT)体系逐渐发展为以全球导航卫星(Global navigation satellite system, GNSS)为核心，联合其他PNT系统，共同实现对各用户的全覆盖、高性能和高可靠服务^[1]。GNSS系统作为中高轨卫星，具有天然的脆弱性，信号弱、穿透能力差、易被欺骗与干扰。文献^[2]中阐述自2016年5月铱星提供低轨卫星的时间和位置服务(Satellite timing and location, STL)起，许多工业和政府机构已经开始在GNSS受到干扰和遮挡的场景中使用这种基于低轨道卫星(Low earth orbit, LEO)的信号服务，基于低轨卫星的PNT服务成为重要的发展趋势。LEO具有全球覆盖性，距离地球近，可提供更强的信号作为GNSS系统增强、补充、备份和验证的手段。基于低轨卫星辅助GNSS的PNT服务主要分为两个方向：(1)增强。通过LEO卫星播发差分改正信息和测距信号等，侧重于提高GNSS系统的精度和完好性，增强的重要特征是与GNSS组网、兼容，一般增强系统均是通过自身的导航频点、信号体制来播发差分改正参数和测距信号，用户使用统一的接收终端来接收，这也就限制了信号的发射功率，信号太强影响GNSS正常信号的接收。(2)补充、备份和验证。其重要特征是独立，LEO星座播发独立的导航信号，可采用不同的频点和信号体制来实现，采用独立的终端来接收，可大幅提高信号强度来提高信号的抗干扰和穿透能力。当GNSS由于信号阻塞或电磁干扰而不可用时，作为GNSS系统的一种补充和备份，同时也可以作为GNSS防止恶意欺骗的验证手段。

铱星采取的是作为gnss系统的补充、备份和验证模式，但铱星只公布一些服务和性能指标，很少公开其系统架构及关键技术。中国目前提出的夔龙、鸿雁等leo星座均属于增强系统，通过播发差分信息等提高gnss的精度和完好性。目前国内尚未见公布作为gnss系统的补充、备份和验证模式的基于leo的pnt系统。本文结合目前的低轨卫星系统的发展现状，借鉴铱星的发展模式，探索建设基于低轨卫星的可补充和验证gnss的pnt服务系统的设计、需研究的关键技术等。

1 国内外发展现状

目前国外补充、备份和验证GNS S的低轨PNT服务主要为铱星系统。铱星系统为通信系统，轨道高度780 km，分布在6个极地轨道上。2016年5月，铱星开始提供称为“卫星授时与定位”(STL)服务，它是在GNSS不可用时提供一种高可靠的的授时和定位服务，作为GNSS系统的一种补充、备份和验证系统。与GNSS一样，STL服务利用铱星播发专门设计的授时和定位电文，由于其高射频功率和信号编码增益，大幅提高了信号的抗干扰能力和穿透能力。同时，铱星信号经过特殊设计使其自身具有物理安全性，用来实时验证GNSS定位导航和授时的正确性，以减轻潜在的欺骗威胁。铱星经过特殊的定位算法，在卫星数较少时也能实现三维定位。STL服务声称在具有严重信号衰减的室内环境下的测试结果显示，定位精度20 m左右，授时误差小于1 μs^[2-3]，这项服务还会在下一代铱星部署后持续改进。

中国目前正在论证建设的与PNT相关的低轨星座有夔龙系统、鸿雁系统等，基本都是GNSS增强系统。鸿雁卫星星座通信系统，该系统将由60颗低轨小卫星及全球数据业务处理中心组成，为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。其导航增强功能可为北斗导航卫星增强系统提供信息播发通道，提高北斗导航定位精度。夔龙系统的建设目标是建成多星座兼容、天地一体、全球服务的精度和完好性增强信号系统。系统的空间组成部分由地球精度球同步轨道通信卫星进行信号广播，在鸿雁星座建成后，将通过鸿雁星座的下行链路播发进行信号广播。建成后，夔龙系统将通过全球300多个参考站收集的数据，精确计算各卫星导航系统在轨道、时钟和传播延迟上的误差改正数，并将这些误差通过多种播发方式发送给终端，可以显著提升系统的定位精度和完好性。目前，国内尚未公布基于LEO星座的作为GNSS系统的补充、备份和验证的PNT服务系统。

2 系统建设架构 2.1 系统概述

随着卫星平台综合一体化，载荷模块化的发展，该PNT服务设计为采用有效载荷搭载的形式，可搭载在具有一定规模的组网星座上，目前中国也在大力发展遥感、通信和宽带互联网组网星座，为低轨PNT系统的建设提供了很好的平台基础。该PNT系统设计主体为导航有效载荷设计，可充分结合低轨卫星大星座、落地信号强以及多普勒特性好等特点, 在干扰、城市峡谷和室内等GNSS应用受限情况下提供的PNT服务。同时也可以作为GNSS应用时防止恶意欺骗的验证手段。

2.2 系统设计方案及架构

该PNT系统由空间段、地面运控段和用户端3部分构成，如图 1所示。根据有效载荷设计方式的不同分为两种设计方案。

空间段包括综合卫星平台和有效载荷，首先需要选择搭载的综合卫星平台，对综合卫星平台的要求主要有:具有一定规模的几何分布较好、能够提供给足够的功耗、重量的组网星座，国内可供搭载的有遥感、通信或宽带互联网星座，特别是即将建设的宽带互连网服务星座，规模较大，实现全球覆盖。

星上有效载荷实现含有导航电文(卫星位置和时间等信息)的导航信号的连续播发。导航电文的生成可以由地面上注或星上自主生成，对应有效载荷的两种设计方案。方案1星上自主生成，是用GNSS接收机对LEO星座定轨、时间同步，生成星历、时间等信息转发给LEO导航信号生成发射机，信号生成发射机生成带导航电文的射频调制信号。此方案有效载荷由GNSS接收机、信号生成发射机和发射天线组成。方案2是通过地面站进行定轨和时间同步，生成导航电文信息上注给有效载荷，有效载荷则由上注信号接收机、导航信号生成发射机和发射天线组成。方案1成本相对较低，根据GNSS接收机定轨授时指标也能满足低轨卫星PNT性能需求^[4-5]，并且对地面站的附加功能需求也较少，该方案未完全独立于GNSS，但LEO星上的接收机基本不存在遮挡问题，受干扰程度也远低于地面的接收机。方案2的导航电文精度取决于地面站的数目和星地时间同步精度，对地面站数目和星地时间同步系统有一定要求，建设成本相对较高，方案2适用于军事应用，当战时星上GNSS接收机有不可用的风险，可以作为方案1的备份手段。

地面运控段包括对卫星的地面监测、处理和上注等功能。接收星上载荷的播发的信号，通过处理进行定轨、时间同步、监测卫星的健康状态等，有效载荷方案1对应的地面站的需求为监测低轨星座和导航载荷的健康信息及上注。有效载荷方案2需要生成卫星的健康信息、星历、时间等参数进行上注，参数精度取决于地面站的数目和星地时间系统。

用户端需要结合系统建设情况统一设计，接收系统的导航信号，设计定位解算算法得出三维的位置和时间信息。目标是设计为接口统一、集成度很高的芯片，方便不同的终端集成，如集成到GNSS接收机中。

方案1和方案2载荷和地面站实现方式上有些不同，但工作原理和用户端设计均一致。低轨PNT系统设计可根据需求和成本进行裁剪，若为民用系统，可以只选用方案一设计。若为军民两用，可以方案1为主份，方案2为备份，为战时增加系统的可靠性。

2.3 系统PNT工作原理及性能

该系统是一个基于到达时间测距原理的无线电定位系统。其PNT服务的基本原理是测距交会原理，至少需要4颗卫星才能求解出用户的三维位置、以及与系统的时间差4个未知数。与GNSS不同的是，LEO卫星运动速度快，具有更好的多普勒特性，PNT服务充分利用低轨卫星多普勒特性，使得可见星数小于4颗的定位授时方法更多样化。

PNT系统的服务性能主要有精度、可用性等，如图 2所示。P NT系统服务精度(σ_error)是指为用户提供的位置与当时真实位置的重合度，取决于用户与可见卫星的几何分布(又称精度因子DOP)和空间信号的用户距离误差(SIS URE)。

$ {\sigma _{{\rm{error}}}} = {\rm{DOP*}}\;{\rm{SIS}}\;{\rm{URE}} $

(1)

服务精度的影响因素主要如图 2所示。其中SIS URE主要与有效载荷的设计有关，特别是时钟的选择、时间同步、定轨方法以及信号设计等。DOP取决于LEO卫星的轨道设计及数量。随着卫星数目的增加，DOP减少。

可用性是指系统能为用户提供可用的导航服务的时间占整个时间段的比例。相比GNSS系统，低轨卫星接收的信号功率更强，有

$ P = {P_{\rm{T}}}/4{\rm{ \mathsf{ π} }}{R^2} $

(2)

式中：P为接收到的信号功率密度；P_T为发射信号功率；R为卫星与用户的距离。对应MEO卫星，R约为26 500 km，对于LEO，R约为700 km，则相同发射功率情况下，LEO落地信号强近1 500倍。在干扰、城市峡谷和室内等GNSS应用受限情况下，均可提供的PNT服务作为GNSS的补充手段。同时系统会在信号与天线方面考虑安全性设计，提高系统的防欺骗能力，并作为GNSS的一种验证手段。随着低轨星座的规模扩大，系统的精度和可用性会稳步提升。

3 系统建设的关键技术

从系统构成和服务性能分析得出，低轨PNT系统建设需要研究的关键技术包括定位方法与时间同步方法、载荷的信号设计以及当卫星不足时的终端解算技术等。

3.1 定轨方法与时间同步方法

目前常用的LEO低轨卫星的定轨及时间同步方法有星间链路法、星载GNSS接收机法和地面运控段法。

星间链路的方法进行定轨和时间同步：通过星间链路间的距离测量与卫星间的相对位置关系约束进行定轨和时间同步^[6]，该方法一般用于辅助，提供更多的测量信息，无法独立完成定轨和时间同步。

星载GNSS接收机定轨和时间同步法：GNSS接收机定轨结合实时星历、伪距载波相位观测量和LEO卫星的动力学方程进行处理，实时能达到米级^[4-5]。GNSS接收机时间同步可以调整接收时钟与GNSS系统时同步，一般的晶振时钟就能达到近百纳秒的精度。但该方法下每个星之间导航载荷是独立，因此可以联合星间链路法，采用GNSS星间相对状态测量方法，进一步提高定轨和时间同步精度。

地面运控段进行定轨和时间同步：通过地面监测站接收星上观测数据，如伪距和载波相位。由地面监测网将监测站的数据传输到主控站进行定轨和时间同步，其精度取决于地面站的数量、性能、定轨算法和星地时钟^[7-8]。考虑到全球布站难度之大，星间链路的出现给该问题带来了突破口，加入星间链路测量量，星地之间的构型得到很大改善，星地/星间定轨能极大减少地面站的数量，同时提高定轨和时间同步的精度。

因此，对应有效载荷方案1，可采用联合星载GNSS接收机和星间链路的方法进行定轨和时间同步，可通过GNSS相对状态测量的方法提高精度。对应有效载荷方案2，可采用星地/星间联合定轨和时间同步，模型的建立和融合算法需要深入研究。同时，星间链路的建立与路由也是需要研究的难点。

3.2 载荷信号设计

该载荷的信号设计主要从频点、功率增强和信号安全性3个方面去考虑。

载波频点的选择是信号设计中最重要的几个关键因素之一，直接关系到信号的传播特性(空间损耗、电离层延迟)、发射接收硬件实现成本、多普勒频移的大小以及与其他无线电系统之间的干扰。ITU公布的可供导航使用的频点有L频段、S频段的2 483.5~2 500 MHz及C频段的5 010~5 030 MHz，目前L频段相对拥挤，已经建设和将要建设的系统的信号频谱占据了上L频段(1 559~1 610 MHz)和下L频段(1 164~1 300 MHz)^[9]。铱星的使用频段为1 616~1 625.5 MHz。S频段仅北斗卫星导航系统RDSS服务和印度区域导航系统使用。空间损耗载波频率的平方成正比，电离层的群延迟与载波频率的平方成反比，且低频点电离层波动大。本系统选用频点的原则在不影响已有的导航系统前提下，综合考虑信号空间损耗、电离层延迟、天线尺寸、发射接收硬件实现成本等因素，在ITU公布的可供导航使用的L频段和S频段选择一个或两个频段。

与功率增强相关的包括信号发射功率、天线的增益、编码增益等，信号发射功率受到有效载荷的成本、重量和功耗的限制，这与综合平台的搭载能力有关。

与信号的安全性相关的设计包括信号体制和天线设计，信号体制方面采用授权信号和认证机制等，天线波束通过多点波束实现重复覆盖，随机播发信号的机制提高系统的安全性^[10]，这也是需要研究的重难点之一，对于低轨卫星的防欺骗性能意义重大。

3.3 低轨PNT终端解算技术

终端接收信号解算PNT信息，当可见性数达到4颗及以上时，终端定位解算方法与GNSS基本一致，可以用伪距、载波相位、多普勒进行定位解算。系统建设过程中，可见卫星会小于4颗，相比M EO，低轨卫星信号覆盖区域小，大约7颗LEO卫星的覆盖区域与1颗MEO卫星的覆盖区域相当。因此，大概需要200+卫星与北斗与GPS的覆盖情况相当。

当可见卫星数小于4颗时，需要经过特殊的处理才能求解三维位置和时间信息，如表 1所示。低轨卫星运动速度快，多普勒特性好，时间相关性弱，静态用户可以采用多历元连续定位法^[11]。动态用户当可见星大于或等于2颗时，可以采用伪距与多普勒法联合扩展卡尔曼滤波(Extened Kalman filter, EKF)。当卫星数为1颗时，可以联合高度计或惯性测量单元(Inertial measurement unit, IMU)等进行定位授时。可见星不足时的这些特殊定位算法也需要进一步深入研究，对系统的最终PNT性能至关重要。

4 结束语

本文结合低轨卫星的发展现状，提出了一种搭载在低轨综合卫星平台上的PNT服务系统。文中给出了系统和有效载荷设计方案，并对服务性能进行分析，提供更强的信号和更好的多普勒特性，可作为GNSS应用受限时国家PNT服务的重要补充手段，经过信号的安全性设计，可作为GNSS防止欺骗的验证手段。最后总结了系统建设需要研究的关键技术，并给出了初步算法，后续需要进一步深入研究。随着国内外下一代的大星座低轨综合卫星平台建设，为系统的性能提升与应用发展会提供更广阔的空间。