在我國北斗衛星導航系統初步實現全球能力覆蓋的背景下，低軌衛星導航增強（LEO-NA）技術因其易於與北斗系統協同來提高全球自主導航精度、拓展全球衛星導航應用市場的巨大潛力而成為研究熱點。
LEO-NA衛星基於低軌通信星座的通信能力，可提供高帶寬、低延時的全球導航衛星系統（GNSS）差分信息增強服務。LEO-NA衛星作為導航信號增強源，能夠有效縮短精密定位的收斂時間，提升導航服務的可用性和可靠性。
武漢大學牽頭論證了天基信息實時智能服務系統（PNTRC），提出了LEO-NA技術方案。“珞珈一號”科學實驗衛星圓滿完成了夜光遙感和LEO-NA技術的在軌試驗，為我國積累了第一手的實測數據和測試經驗。
一、研究背景和需求分析
（一）實現全球定位服務更高性能的需求
目前，北斗系統能夠提供覆蓋全球範圍的米級基本導航服務、覆蓋國土周邊區域的星基增強和廣域精密單點定位（PPP）服務。依託中高軌導航衛星的PPP定位，受到衛星與地面用戶之間幾何構型變化緩慢的影響，一般需要30 min甚至更長時間的收斂過程才能實現釐米級的定位。
採用低軌衛星進行PPP定位服務，可將收斂過程耗時壓縮至分鐘級。北斗系統未來在全球導航定位服務方面的能力提升，需要利用低軌衛星輔助、對其基本導航服務的性能進行升級。
（二）提升北斗系統國際競爭力的需求
全球導航定位服務市場中，GPS、GLONASS、GALLIEO等系統的基礎能力重疊明顯，且不斷提升各自服務能力以加強國際競爭力。
北斗系統為參與國際競爭並取得優勢，在滿足國內導航需求的基礎上，還需面向全球市場，從定位精度、易用性、連續性、可靠性、抗干擾能力和完好性等方面來提升導航服務能力。導航增強技術是北斗系統應對需求的可行解決方案。
（三）擴展定位、導航、授時（PNT）服務綜合性能的需求
PNT服務體系作為國家基礎設施和重要戰略資源，從國家安全的角度來看，需要由多源異構的導航源形成空/天/地/海一體化的綜合能力，彈性、堅韌性和抗毀性是其可靠應用的重要方面。
我國未來PNT服務將不能完全依賴北斗系統，需要資源分散、能力互補的備份方案。從服務的角度來看，導航增強服務可作為北斗系統的擴展、補充和備份，在北斗系統基本導航服務無法滿足應用需求的特殊場景下，發揮功能等效的關鍵作用。
（四）構建PNTRC來提升“通導遙”一體化協同服務能力的需求
從我國PNTRC構建的角度來看，遙感和通信這兩類服務需要與導航增強服務進行功能融合，以實現協同增效。通過導航、遙感、通信等天基信息服務之間的相互協同、相互支撐，可以構建集空間信息獲取、傳輸、處理、指揮控制於一體的實時服務系統。
構建PNTRC形成空間信息產業協同創新的新格局，這是我國由航天大國向航天強國跨越轉變的迫切需要和能力標杆。
二、導航增強技術進展
導航增強技術發展歷程較長，泛指用於提升衛星導航系統服務能力的各種技術方案。現有衛星導航增強系統主要有信息型增強系統和信號型增強系統兩大類。
圖1 衛星導航增強系統的分類及典型導航增強系統
近年來，低軌通信星座的創新概念與方案不斷湧現，學術界和產業界對依託低軌衛星星座的導航增強系統的關注度越來越高。對於北斗系統而言，LEO-NA衛星作為移動監測站，輔助提升北斗GEO衛星的定軌精度，規避了全球建設北斗地面站的難題，有助於提升和完善北斗系統的全球服務性能。
國內完成了依託銥星星座的導航性能仿真分析、低軌星座加速PPP收斂的仿真分析等諸多研究；重點實施了LEO-NA關鍵技術在軌驗證，期望通過技術驗證來完善技術體系，為LEO-NA系統的工程建設“鋪平道路”。
相關在軌試驗有：武漢大學牽頭研製的“珞珈一號”科學實驗衛星，東方紅衛星移動通信有限公司建設運營的“鴻雁”星座首顆實驗星，中國電子科技集團公司第五十四研究所牽頭研製的網通一號A、B雙星。
三、“珞珈一號”關鍵技術驗證
“珞珈一號”配置的適用於微小衛星搭載的專用導航增強載荷，在星上信號收發隔離、星上高精度時間維持、載荷小型化、低功耗設計等關鍵技術方面取得了突破。
“珞珈一號”科學實驗衛星配置了2套GPS/BDS接收天線，可接收GPS、北斗雙模四頻觀測數據，用於在軌數據處理、精密軌道和時鐘信息計算，生成雙頻測距信息播發至地面。
地面配置的接收機樣機為全新研製，根據LEO-NA信號的特性進行了優化，提升了低軌衛星捕獲靈敏度和跟蹤精度。地面接收機同時接收GPS、北斗、“珞珈一號”的測距信號進行聯合定位，顯著縮短了PPP收斂時間。
“珞珈一號”科學實驗衛星成功完成在軌導航增強技術試驗，地面接收機成功捕獲並跟蹤LEO-NA信號，實現了導航增強信號載噪比的大幅提升。試驗過程中，“珞珈一號”衛星信號載噪比始終處於正常區間，驗證了LEO-NA方案的技術可行性。
圖2 “珞珈一號”科學實驗衛星外形圖
四、未來技術挑戰
目前，LEO-NA技術研究整體上仍處於技術驗證和技術攻關階段，儘管部分關鍵技術已取得突破，但在技術體系完善、系統建設運營等方面還面臨著若干技術挑戰。
（1）導航增強頻率的兼容互操作。L頻段已經沒有空餘的頻率資源供導航增強使用，LEO-NA系統建設必須考慮與現有衛星導航系統信號的兼容互操作，確保不會干擾現有衛星導航系統的正常使用。
（2）通信和導航信號的一體化融合設計，這是解決導航信號頻譜資源緊張，信號功率增強和高帶寬信息傳輸受限的主要方向。LEO衛星的通信鏈路與導航鏈路，其技術需求和解決途徑差異較大，需要開展融合應用研究。
（3）導航增強信號的誤差建模。LEO衛星的導航增強載荷、元器件及所處空間環境相比GNSS衛星存在差異，其時空基準維持方式、運動特性和信號延遲特性等也有特殊性，因而LEO-NA信號的誤差源建模不能簡單套用GNSS信號。
（4）低軌衛星星座的運行管控。LEO-NA星座計劃都是包含有數百顆衛星的大型星座，且同軌和異軌衛星之間均需建立星間通信鏈路，星座管控問題將異常複雜。需要形成與大規模低軌通信星座需求相適應的地面運行管控支持能力。
（5）LEO衛星高動態導航增強信號的捕獲跟蹤。LEO衛星平臺距離地面近、運動速度快，在LEO-NA地面接收機的方案設計中，需關注高動態導航信號的捕獲靈敏度問題，採取多種途徑來保持並提升信號跟蹤精度這一關鍵因素。
（6）與北斗系統的融合和協同。LEO衛星在未來綜合導航系統中扮演著“用戶”“信號源”雙重角色，應開展LEO-NA系統和北斗系統之間的集成架構優化設計，以實現兼容互操作、時空基準統一、星地接口統一，同時兼顧各自星座的自主維持能力。
五、發展建議
（1）加強系統頂層設計並充分利用現有資源，處理好LEO-NA系統與北斗系統的錯位關係，注重兩個系統的協同增效。LEO-NA系統作為大規模的低軌星座，涉及複雜的星間鏈路設計，宜充分利用和借鑑我國現有衛星平臺及空間信息載荷的研發資源，以優化、高效、協同地解決系統建設的各方面問題。
（2）推進通信、導航、遙感功能融合，分步驟分層次構建PNTRC系統。借鑑北斗系統建設經驗，針對各類功能對空間軌道、衛星平臺和業務模式的需求差異性，協同發展我國的通信、導航、遙感技術，構建一星多用、多星組網的低軌星座，從而節約星座建設成本和頻譜資源、提升綜合服務能力。
（3）將衛星工程與地面基礎設施統一規劃，實行星地一體化建設。通過頂層架構和規劃設計的一體化，避免出現“衛星等地面”的不利局面，消除地面測運控站、信關站成為大系統效能“瓶頸”的可能性。注重採用和發揮雲計算、大數據、5G等新技術的優勢，優化系統架構、拓展服務範圍，提升PNTRC的綜合效能。
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