以下文章来源于中国测绘学会 ，作者中国测绘学会
本文内容摘自《中国测绘》2023年第4期
——访武汉大学测绘学院教授、博士生导师李星星
全球卫星导航技术发展的数十年间，导航定位精度从早期的十米级提升到米级，再到现在的实时分米级甚至厘米级，实时精准的位置服务已深入我们日常生产生活的方方面面，带来了很多便利。在享受越来越精准的定位同时，行业也有着不断提升卫星导航定位精度的迫切需求。
众所周知，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧洲的Galileo等全球卫星导航定位系统全都聚集在中高轨，那么如果采用低轨导航星座，定位精度能否达到更细微的要求？城市峡谷、室内等非开阔条件下是否也能实现实时的精准定位？近年来，低轨卫星以其星座和信号的独特优势，逐步受到卫星导航领域的关注和青睐，成为下一代卫星导航系统发展的关注重点。
武汉⼤学测绘学院教授、博⼠⽣导师李星星
低轨导航增强星座时代即将来临，与GNSS中高轨星座相比，低轨星座有哪些优势？其建设的技术难点和挑战主要有哪些？建成后将为行业带来哪些机遇？本刊记者特邀长期从事卫星导航、低轨增强北斗、多源融合导航等方面研究工作的武汉大学测绘学院教授、博士生导师李星星，请他从专业角度带来解答。
大势所趋
据李星星介绍，随着智能化时代的到来，自动驾驶、移动物联网等新兴领域的快速发展对时空信息提出了更高的要求。传统精密单点定位技术收敛时间较长，无法满足实时性的需求，同时各类增强技术又受服务区域等因素限制，高精度时空基础设施建设显得愈发重要，GNSS卫星导航面临新一轮的挑战和变革。
根据轨道高度的不同，人造卫星分为距地面高度300千米～2000千米的低轨卫星、2000千米～36000千米的中轨道卫星以及36000千米的高轨道地球同步卫星。“相比于中高轨卫星，低轨卫星具有轨道高度低、信号功率衰减小，几何图形变化快等突出优点，可与GNSS中高轨星座形成优势互补，实现对导航定位的精度、完好性、可用性的全面增强。”李星星补充道。
低轨空间是全球航天发展焦点，低轨星座批量部署迈入高峰期。近年来，全世界范围内都在积极实施低轨卫星互联网星座计划，比如马斯克的星链、英国OneWeb。我国有以航天科技、航天科工为首的央企分别提出的“鸿雁”星座、“虹云”工程等计划，以及银河航天、九天微星等民营航天企业也提出了相关计划。“低轨通信卫星的发展带动了低轨星座在导航领域的发展，国内外目前已公布的数十个低轨星座计划，涉及上万颗低轨卫星，部分星座兼具导航星功能，能自主播发导航测距信号。”李星星说。
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“习近平总书记指出，我们要推动空间科学、空间技术以及空间应用全面发展，那么以导航、通信和遥感等服务于一体的天基实时服务系统就成了新型基础设施建设的一大趋势。”
近日，在《新时代的中国北斗》白皮书发布会上，中国卫星导航系统管理办公室称，要围绕更泛在、更融合和更智能的目标，2035年前，中国将建成新一代北斗系统，其中考虑纳入低轨卫星，通过高中低轨的星座融合，提供一张覆盖全球的高精度时空网。
技术优势
与中高轨卫星相比，低轨卫星轨道高度低，飞行速度快。“轨道高度低，那么卫星发射成本低，落地信号衰减小，有利于遮挡环境下的定位：信号时延低，可提供高带宽、低时延的差分改正信息，空间分辨率高，有利于遥感对地观测。但是它的单星地面覆盖范围小，摄动力复杂，精密定轨与预报难度也大。飞行速度快，则多普勒频移现象明显，有利于测速、多普勒定位，几何图形变化快，有利于精密定位快速收敛，作为移动监测站，可增强GNSS精密定轨，规避全球建站难题，有利于快速大气建模和扩大空间天气的有效监测范围。”李星星介绍道。
卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成，不同于GPS的地面台站遍布全球，中国北斗卫星导航系统的地面台站大多建在国内，需要通过星间链路实现全球观测与运行。如果要进一步提升卫星导航定位的精准度，就要运用卫星导航增强技术，现有导航增强技术分为星基增强和地基增强。地基增强，即在地面修建基准站，辅助修正卫星信号误差，需要密集布设。
据了解，我国已建设覆盖全国范围的北斗地基增强系统。但是传统的地基增强，并没有增加信号源，只是增强了信息处理信号。
“我国很难实现在全球范围内建设地面监测站，如果能将低轨卫星作为空中监测站，并与北斗导航系统以及地面少数接收站一起，组建成天基监测网，就可以在大大降低对地面台站依赖的同时，提升北斗的全球服务性能。”
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李星星说，“此外，低轨卫星技术能够在城市复杂的环境、遮挡严重的区域对北斗导航系统进行增强和补充，提供更好的导航服务。随着卫星数增多，它自身还可以形成一种独立导航定位系统运营模式，作为北斗导航系统的备份，有下行的信号，也有地面观测网络，具备独立提供导航、通信甚至遥感观测的能力。”
目前，GNSS使用的精密单点定位技术一般要花费20分钟～30分钟来实现厘米级定位。如果采用低轨导航增强，在仿真验证中，耗时仅约1分钟。低轨增强GNSS精密定轨定位，可以实现高中低轨卫星优势互补，为全球用户提供精度更高、可靠性更强的位置服务，同时也符合以北斗系统为代表的卫星导航系统未来发展趋势。
难点与挑战
低轨导航星座增强示意图
“低轨导航增强星座是一个很庞大的系统，目前主要借助低轨通信卫星来实现。因为它是多功能通道融合，又涉及大量卫星数量，系统的设计包括星座构形的设计也需要综合考虑通信和导航全球平均覆盖率的要求，可能比现有的北斗星座还要复杂得多。”提及低轨星座建设的技术难点，李星星如是说。
据李星星总结，在低轨导航星座建设面对的诸多挑战和困难中，最具代表性的有以下三方面：
国际资源的协调和加强
地球近地轨道最多只能容纳大约6万颗卫星，且国际电信联盟有明文规定，卫星频率和轨道的使用权遵循“先登先占，先占永得”的原则，如此情形下，低轨卫星轨道争夺已是避无可避。这种情况下，先发国家具有很大的优势。
这种情况在全球卫星导航系统建设过程中也出现过，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo在发展时候占用大部分的导航频段，中国的北斗作为后来者，非常被动。而今低轨卫星的轨位也一样，SpaceX的星链现在有2000多颗已占用轨位卫星，英国OneWeb数百颗运行卫星也已在轨，此外还有一些国际大企业也在推动低轨星座发展。
值得一提的是，我国在2021年4月，凝聚民营企业、高校等多方产学研主体，成立中国卫星网络集团有限公司（以下简称“中国星网”）对低轨卫星星座进行统筹规划，形成中国卫星互联网产业发展的新型举国体制，提升中国卫星互联网产业发展的国际核心竞争力。
目前中国星网已经有数颗先导试验星，预计今年会再发射十颗左右，计划在2025年前建成基本的星座，提供基本导航定位服务。此外，银河航天、九天微星等灵活灵敏的民营航天企业无疑也可以在其中发挥自己的优势。
对我国卫星制造成本及航天发射水平的要求
中高轨卫星能够覆盖的地球表面范围大，而低轨卫星覆盖范围小，要想实现全球范围内的服务能力，要求发射数量极大的低轨卫星，对卫星批量化制造和发射的能力提出了更高的要求。
据了解，在美国航天飞机时代，将卫星发射到太空的成本约为每磅24800美元。发射一颗重量4吨的小型通信卫星的成本接近2亿美元。
而低轨卫星运行在距地面2000千米以内的轨道上，随着微小卫星技术的迅猛发展，卫星重量大大减少，比如现在SpaceX的星链低轨卫星重量仅约500磅（227千克），加上火箭回收技术带来的发射成本的降低，总成本随之大幅下降。SpaceX可以实现一箭三十星、六十星的批量发射，我国想要追赶其低轨卫星发射的步伐，对目前的航天发射水平和能力都是一个挑战。
功能上能否满足一星多用、多星组网
低轨卫星可用于导航、通信、遥感等服务，其需要更好地集成多类功能并达到一星多用、多星组网、天地互联以及多网融合，形成智能化的天基监测体系，这是我们面临的挑战，也是发展机遇。
北斗卫星或者中高轨的科学卫星，单颗卫星重量和体积都有要求，平台也需要更稳定，就可以集成更多的载荷，而低轨卫星平台小，能否在相对较小的卫星平台实现所设计的功能，对整体运行维护和稳定挑战都极大。比如在信号方面，低轨卫星上通常需要安装北斗接收机，用来接收北斗信号，同时还要向地面用户发射信号，这种收发需要互不干扰，还要求信号体制跟现有北斗要达到兼容性操作。
应用前景广阔
在李星星看来，低轨卫星星座的应用前景“应该是仅受限于人们的想象力”。
现有的导航、通信、遥感卫星之间是隔层体系，信息存在分离，服务相对也比较滞后。低轨星座有可能打破这种隔离，促成出很多新的应用，使得全球用户能够更快速实时享受到位置服务、遥感监测服务等。
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李星星说：“发射几百颗导航专用的卫星成本代价很大，而通信与遥感服务的市场需求现在也很高，所以多功能结合的星座能激发更大的市场需求。在低轨通信业务上叠加导航功能，让导航搭上通信的顺风车，可以大大降低建设成本，这也是低轨导航发展的潜在出路。”而中国星网的建设路线正是如此。
提及低轨卫星星座的应用前景，李星星介绍其主要在通信、导航定位和科学应用等领域。
在通信领域：低轨卫星宽带通信为偏远地区通信、海上平台、航空及灾备等领域提供高速通信能力，卫星物联网的建设则进一步推进万物互联的实现；远期来看，作为空天地一体化信息网络，低轨卫星在通导遥一体化应用趋势下，将发挥更重要的作用。
在导航定位领域：未来的智能生活需要更加精准、更加泛在、更加智能的定位服务，特别是中国现在的城市峡谷环境下，需要向驾驶智能、智慧物流以及机器人等领域提供高精度定位服务。此外，因为卫星轨道低，信号落地功率强，也可以提升北斗系统的室内外无缝定位能力。
在科学应用领域：空间环境监测、天气预报、电离层空间环境监测等同样需要更高时空分辨率的监测数据。
李星星表示，低轨星座的前期建设主要依靠国家投入，但为了持续性，最终还是要实现应用需求。那么形成切实可行的商业模式，满足用户的实际需求，最终融入经济主战场，实现商业化才是其未来可持久的发展道路。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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