低轨卫星可提高导航精度，各国均有发射一定数量低轨导航卫星以满足市场需求

发布时间：2023-05-23　　来源：立鼎产业研究网　点击量： 1213　

卫星导航是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS) 作为国家重要的时空基础设施，能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时(Positioning , Navigation, and Timing, PNT)服务，对国家安全和经济社会发展至关重要。过去 30 年，GNSS 基础服务已得到长远发展，目前国际上已形成四大 GNSS——美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS）、欧洲伽利略系统（Galileo）、中国北斗卫星导航系统（BDS）和两大区域卫星导航系统——日本准天顶卫星系统（QZSS）、印度星座导航系统（NavIC）的格局。GNSS 基础服务可实现全球定位精度优于 10m，授时精度优于 20ns 的性能，可满足普通大众用户对 PNT的基本需求。

低轨全球导航增强系统运行机制

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在卫星导航领域，低轨卫星相比高轨卫星具有明显的优势，可以和中高轨卫星实现优势互补，提高导航精度。

——卫星轨道在中高轨导航卫星下方，是理想的GNSS天基全球监测平台。

低轨卫星星座是理想的全球监测平台，与地面监测站相比，监测范围更大，能够突破国土疆域的限制，实现天基全球监测。低轨监测的效率高，12颗低轨卫星相当于全球100多个监测站。而且，由于低轨卫星轨道高度通常在1000km左右，位于电离层上方，信号测量误差不受电离层误差和对流层误差影响，监测精度高，有利于轨道、钟差等误差的分离。

低轨卫星星座覆盖区域示意图

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——低轨卫星几何变化快，为加速收敛和多径抑制提供了新的解决思路。

低轨卫星运动速度快，通过播发低轨导航增强信号，增加了新型快速几何变化观测数据，几何变化相比GNSSMEO卫星快40倍左右，同等时间段内划过的弧段更长，利于加速PPP收敛，突破传统地基监测+信息增强体制，为实施高精度定位提供了新的途径。而且，快速的几何变化能够有效白化多径误差，利于多径抑制。

GNSS卫星与低轨卫星运动轨迹示意图

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——卫星数量多，有利于提升高仰角下的卫星可见性，增强城市挑战性环境下的服务性能。

GNSS面向开阔环境设计，而对于城市挑战性环境下，由于高楼、高架桥、树荫等的遮挡，导致GNSS卫星可见性降低，特别是城市峡谷环境，平均仰角更高。低轨互联网星座卫星数量多，能够增加高仰角下的卫星可见性。在北斗系统中加入低轨核心星座后，能够有效提升可见星数量。随着低轨卫星数量的增加，高仰角下的可见卫星数也更多。

7°用户截止角下的卫星可见星

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以自动驾驶为典型场景的新兴大众用户，对低轨导航卫星所能提供的高安全实时精密定位具有迫切需求。新兴大众用户要求实现“四高一快”的目标，而传统地基监测+信息增强体制存在痛点，布站密度和信息速率不断增长，无法实现挑战环境下全球厘米级实时定位服务。一是难以全球布设监测站，进而实现全球 PPP 服务；二是无法全球布设连续运行参考站(ContinuouslyOperating Reference Stations, CORS)，进而实现全球 PPP-RTK 服务。例如，天宝为实现全球厘米级服务，建设了 100 多个全球高性能站；日本为其本土的厘米级高精度服务，建设了 1200 多个 CORS 站。因此，性价比更高，覆盖面更广的低轨导航卫星成为了最佳选择。低轨星座与中高轨导航星座优势互补，采用天基监测+信号增强体制，为突破当前 PNT 瓶颈提供了发展机遇。未来以卫星为主体架构的云-端架构 PPP-RTK 体制有望实现低成本 PPP-RTK，以应对未来秒级收敛的高精度应用挑战。

新一代高精度用户导航服务性能需求：“四高一快”

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近年来各国均有发射一定的数量的低轨导航卫星以面对未来的市场需求。美国国防部高级研究计划局战术技术办公室于 2018 年启动了“黑杰克”项目，旨在探索利用新兴商业低轨宽带星座发展经验和成果，开发用于 GPS 增强的 LEO PNT 载荷。欧洲第三代卫星导航系统Kepler以及欧洲导航创新支持计划(NavigationInnovation and Support Programme, NAVISP)都将低轨卫星作为星座一部分，该星座由中轨(MEO)和低轨(LEO)卫星组成，LEO 星座包括 6 颗 LEO 卫星，轨道高度 1209km 目标是实现厘米级轨道精度、全球实时 PPP,且不需要额外的增强系统对其性能进行增强，全球完好性达到 TTA<3s。北京未来导航科技有限公司计划2023 年建设一个低轨导航增强系统，包含 110~130颗低轨卫星，目标是实现收敛时间小于 1min 的厘米级定位精度，并于成功发射升空 2022 年微厘空间北斗低轨导航增强系统 S5/S6 试验卫星。低轨卫星导航增强系统计划 2024 年底进行试运行，选取若干个典型应用场景开展服务性能验证评估，2025年向全球用户开通服务。