原题 中国测绘 | 袁洪研究员：增强与备份——低轨卫星纳入北斗导航系统的两大作用
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
——访中国科学院空天信息创新研究院研究员袁洪
中国科学院空天信息创新研究院研究员袁洪在《对低轨导航系统发展趋势的思考》一文中，曾这样形容低轨导航：总之低轨导航既是一个老名词，也是当前历史条件下的新生事物。
纵观卫星导航的发展历程，低轨导航曾是航天技术的首个应用落脚点，也曾因为中高轨航天技术的发展而退出赛场。如今重回大众视野，低轨卫星以及低轨卫星导航的建设与过去相较产生了哪些不同，出发点有了哪些改变？在新时代下，低轨卫星导航有哪些值得我们关注的风口？本文中，就让袁洪结合他个人的理解，回顾低轨卫星导航的发展历史，前瞻低轨卫星导航的发展前景。
中国科学院空天信息创新研究院研究员袁洪
从独占整头到迅速衰落
——低轨卫星导航的前世今生
低、中、高轨卫星的含义从它们的名字上便略知一二，根据平台高度可以把卫星分为低轨、中轨和高轨。以低轨卫星为例，其指的是运行在较低轨道高度的卫星系统，飞行高度为200千米～2000千米；高轨卫星一般泛指运行在约36000千米高度的卫星，而中轨卫星则运行在两者之间的高度范围内。
“
“其实最早的卫星导航系统就是以低轨卫星为平台来提供服务。”袁洪表示，卫星导航的发展之所以从低轨卫星开始，主要因素之一是受限于当时航空航天技术的发展水平，特别是当时的运载能力。
最早的卫星导航系统是美国的子午仪卫星导航系统(Transt Naioation System)，采用的就是低轨星座，其目的是向该国的战略核潜艇提供导航服务，用来校正惯性导航误差。
该系统于1964年建成，由5颗～10颗轨道高度为1100千米的圆形极轨卫星组成。系统采用用户静默接收多普勒测量定位原理，定位时间需要10分钟～15分钟，定位精度一般为20米～50米。1967年，苏联也部署了类似的至用导航通信系统，称为“蝉”。这两个低轨卫星导航系统的部署都体现了美国和苏联在冷战期间对全球覆盖导航定位的刚性需求。这是最初建设低轨卫星导航的出发点。
“卫星总是要用火箭从地面打上去的，这就是运载。运载能力决定了当时发射卫星的类型只能是低轨卫星。后来运载能力强了，发射中高轨卫星的能力有了，外加全球范围内各类不同用户的定位导航需求驱动，中高轨卫星导航系统就应运而生了。”
“
袁洪指出，中高轨卫星相较于低轨卫星，最直接的优势就是“飞得高，看得远”，一颗卫星所处的轨道越高，其对地球的覆盖面就越大；同样实现全球范围内的导航服务能力覆盖，用30颗左右的中高轨卫星就可以了，而用低轨卫星则至少需要200颗～300颗以上，甚至更多。更多数量的卫星，不但意味着卫星建造数量的增加，而且还意味着需要更多的发射活动，在一箭多星运载技术还未发展起来的历史条件下，利用低轨卫星进行导航，在系统建设成本上没有优势。
其次，低轨卫星的轨道位置较低，所处的高度仍残存有大气，轨道的稳定性和可预报性容易受到大气阻力的影响，导致其自身定位不容易做得很精确，进而影响用户的定位精度。除大气之外，地球引力场的不均匀性也会对低轨卫星自身位置精度产生较大影响。因为地球并非一个完美的球体，而是一个椭球体，地表也有突起和凹陷，地球内部的密度分布也不是完全均匀的。
以上这些原因使得地球的质量分布不均匀，卫星运行路径上的引力场不能保持为常数，产生摄动，影响卫星轨道的精密确定和预报。由于运行高度相对更低，低轨卫星所受到的摄动力相对更明显，导致其用于导航时不易实现高精度。
由于以上因素的影响，在美国的“子午仪”和前苏联的“蝉”系统之后，中高轨卫星成为了后续卫星导航系统的主力。“因为中高轨卫星‘站得高，望得远’，靠较少的卫星数量就能够覆盖全球范围，在有了足够运载能力的前提下，人们倾向于将卫星打高一点，加之更容易实现高精度，中高轨卫星导航系统就成了发展的主流。”袁洪说。
卫星导航系统从低轨到中高轨的转变，是从上世纪80年代开始的；经过后来几十年的发展，至今在役运行的卫星导航已呈现出中高轨卫星一统天下的局面，无论是美国的GPS、欧洲的Galileo、中国的北斗，还是俄罗斯的GLONASS，乃至日本和印度各自建立的区域卫星导航增强系统，用的都是中高轨卫星。
技术的发展，总是螺旋式的；一些曾被否定过的技术体制，往往会在某些新的历史条件下焕发出新的生机。最近十几年来，低轨导航又重新回到人们的视野，且有一飞冲天的势头，这又是怎么回事呢？
技术发展改变了优劣态势
——低轨卫星导航再回视野
低轨卫星导航在上世纪之所以从兴盛走向衰落，深层次的原因无非在于三个方面。一是，自上世纪七十年代开始，中高轨卫星的建造和发射技术逐渐成熟，建设中高轨卫星导航系统具备了技术上的可行性；二是，面向具有全球覆盖的需求，中高轨系统具有成本优势；三是，以当时的技术水平，中高轨卫星导航系统可以做到相对更高的精度。然而，时至今日，随着航天技术的快速进步，中高轨卫星系统所具备的成本和精度优势逐渐被反转，使得低轨导航系统再次成为热点。
成本方面，从卫星本身而言，低轨卫星由于距离地面相对更近，使得低轨导航卫星的成本控制比中高轨卫星来得简单。
“
一是，距离近就意味着无线电导航信号所需传播的距离短，因此信号能量的发散就小。袁洪举例说：“一束光，刚开始从手电筒打出去的时候，它会比较集中；随着距离越远，光也会向外扩散。同样的道理，远了扩散就大，近了扩散就小。卫星距离地面近，信号相对来讲比较容易做得集中，可以减少一定的能量损耗。”以更低的功率消耗就能在地面形成较高强度的导航信号覆盖，从而可以大幅压减卫星造价。
二是，“太阳活动有时会喷射出大量的高能带电粒子流，这些粒子对卫星等设备是有损伤的。而低轨卫星所飞行的区域处于地球磁场内部，磁场对太阳高能粒子会有一个遮挡作用。”袁洪解释道，“可以理解为有一个保护的屏障。在这样的保护屏障下，和中高轨卫星相比，低轨卫星所需要采取的防护措施的要求就比较低，成本也比较少。”
SpaceX、OneWeb等商业低轨通信卫星，已可实现低成本批量制造。据了解，英国的商业航空公司OneWeb通过与空客公司合作并借鉴现代汽车制造业经验，创新地采用世界首条卫星生产流水线，实现了一体化的设计、生产、总装与测试流程。这使得OneWeb卫星的制造速度能够实现每月40颗，单星制造成本可以控制在120万美元以内。
此外，还有可回收火箭技术、一箭多星发射、电推进技术等，在SpaceX等低轨卫星系统中都被大量采用，又可大幅降低低轨卫星发射费用。相比于目前中高轨卫星动辄上亿的建造和发射成本，意味着花相对很少的钱，就可用低轨卫星建造出一套具有相似功能的导航系统。
考察类⽕星地貌，为低轨地⾯站选址
精度方面，相比上世纪70年代～80年代，地球的重力场模型日臻精确，目前已可支持低轨卫星的厘米级高精度定轨。借助在地面布设相对较密集的监测站、多颗低轨卫星之间的相互距离测量（称为星间链路），以及已在轨的中高轨卫星导航所播发的导航信号，可轻易地将低轨卫星自身的轨道精度提升至厘米级。这就意味着低轨导航系统的精度也不再是个问题，完全可与中高轨卫星相媲美。
斗转星移，日月轮转，时间孕育了技术进步，技术进步推动了低轨卫星导航与中高轨卫星导航之间的优劣转换。近些年来，低轨卫星导航重新回到大众视野，凭借低轨卫星的成本优势和运载技术提升，各个机构、商业公司有能力、有底气去积极部署和规划。
袁洪感慨，在上个世纪五六十年代，卫星发射都是举国欢庆的大事，通常也是国家的行为，传统的中高轨导航系统都是以国家任务为主而去发射的卫星。如今，虽然航天依旧象征着一个国家的最顶端科技水平，但低轨卫星的建造和发射已不再限于国家行为了，商业公司发射卫星已成为了一件稀松平常的事。“美国SpaceX公司的星链Starlink计划、英国的OneWeb卫星星座……包括国内的商业航天公司也如雨后春笋般地蓬勃发展着。”
能力定位再认识
——既有导航能力的增强与备份
2022年11月，国务院新闻办公室发布《新时代的中国北斗》白皮书，其中指出要“坚持创新驱动发展战略，实现创新引领，提升自主发展能力。持续推动系统升级换代，融合新一代通信、低轨增强等新兴技术，推动与非卫星导航技术融合发展。”低轨卫星纳入北斗系统势在必行，那么低轨卫星到底将如何对导航服务进行增强呢？纳入低轨卫星会对现有的卫星导航系统带来哪些好处？
袁洪强调，现阶段再讨论低轨卫星导航时，需要考虑到其边界条件。过去用低轨卫星组成第一代卫星导航系统，是因为没有中高轨卫星；而如今已经有了中高轨为主的卫星导航系统，再纳入低轨卫星，其边界条件变了，那么以低轨卫星服务于导航的用途和路径也应发生变化。
在袁洪看来，低轨卫星导航有四大用途，相对于现有中高轨卫星导航系统而言，前三个属于增强作用，第四个属于备份作用。
第一点：
传输误差校准信息，提升精度。
“我们现在有北斗系统，在北斗系统的支持下，基本导航精度已经可以达到5米左右。这样的精度要求已经适用于大多数场合。但人们对导航精度的追求，可以说是永无止境的。”袁洪笑道，“而在现有的卫星系统框架下，不借助其他外力，将精度从5米提升到0.1米，比过去从100米提升到5米要有难度得多。”
过去的解决办法通常是通过增加地面基站，生成校准信息，对误差进行校准。“这种精度校准信息，是需要传递给用户的。过去我们使用地面的移动通讯，比如4G、5G、中国移动、中国联通等，也有使用专用配套电台的，甚至有使用调频广播的。但有了低轨卫星后，我们多了一种选择。我们可以通过低轨卫星的通信功能进行校准信息的传递。”换言之，利用低轨卫星传输中高轨卫星的修正信息，将其作为一种信息传输的渠道。
第二点：
观测中高轨卫星导航信号，提升中高轨卫星轨道精度。
中高轨卫星的服务精度要准，前提是中高轨卫星本身的位置要准确。在没有低轨卫星进行增强的时候，主要方式是在地面架设更多的基准站观测卫星位置。“这样的方式对于欧美国家来说可能不是难题，他们可以全球布站。但是对于我国来说，海外建站是十分困难的。那么，立足于国内，在地面建站受限的情况下，如何提升卫星位置观测的精度呢？”
随着低轨卫星的发展，有人就提出可不可以把监测站放到低轨卫星上呢？“因为从高度上看，低轨卫星也是在中高轨卫星之下，可以像地面一样正常地接收校正信息，起到一个北斗卫星系统的低轨监测站作用。”袁洪如是说。用低轨卫星监测中高轨导航信号就是星基增强的一种方式，可以提高北斗卫星时空基准的精度。
第三点：
发射与中高轨导航卫星类似的导航信号，增加导航信号对地面的覆盖能力。
正如上文所提及，第一代卫星导航系统正是由低轨卫星所组成的，低轨卫星本身能够作为导航信号的发播平台。现在，在已有中高轨卫星导航系统的基础下，如何将高、中、低轨卫星联合起来发挥更大的作用呢？“纳入低轨卫星，卫星数量增加、信号发射功率增强，在城市某些遮挡或复杂环境下，例如高铁站、机场等，定位的覆盖性可得到加强，有助于解决城市或山地区域的定位连续性问题。”袁洪说。
从地面用户的视角看，低轨卫星划过天空的速度比中高轨卫星快很多，在低轨卫星所播发导航信号的辅助下，更容易实现厘米级的高精度定位。依托目前相对成熟的技术，用户单纯依靠中高轨卫星信号进行高精度定位，一般至少需要15分钟的连续不间断观测，才能将误差压缩至厘米量级；如果用户能同时再增加观测2颗低轨卫星，有望在1分钟左右就达到厘米级的定位精度。这在无人驾驶、无人农场等领域有广阔的应用前景。
第四点：
形成独立导航能力，对既有的中高轨卫星导航系统进行备份。
在中高轨卫星不能够提供服务的时候，采用较多的低轨卫星播发导航信号，形成对地面至少四重覆盖，独立为地面用户开展服务。袁洪强调：“这一作用往往适用于比较极端的情况，比如战争情况。由于中高轨卫星距离远，落地信号强度低，更容易被干扰。而低轨卫星距离近，容易在地面实现较强的信号覆盖，不容易被外部干扰。简而言之，在中高轨卫星通信、导航受限时，低轨卫星可以作为北斗卫星系统的一个备份。
”在袁洪看来，这个作用是低轨卫星导航建设未来需要着力布局的一个方面。“在低轨导航的四个作用中，我个人会更加重视第四点备份的作用。现在意外灾害频发、世界形势也存在不确定性。打个比方，在某些情况下，我们首先需要关注的不是能不能吃得更好的问题，而应关注灾年时有没有可以吃的东西的问题。这是一个现实问题。目前北斗的5米精度其实已经适用于绝大部分场景，因此我建议首先考虑是否能够利用低轨卫星解决北斗系统的备份问题，在这一点的基础上，再去深入挖掘提高北斗精度、加强连续性。”
袁洪强调，就追求高精度、提高连续性而言，低轨卫星的确是一种重要的解决方案，但不是唯一的解决方案。但假设在北斗卫星系统不能用的情况下，低轨卫星是目前唯一具有全球服务潜力的系统，这便是低轨导航备份作用的重要之处。
未来可期
——低轨卫星为卫星导航发展带来新动能
低轨卫星不但能用来导航，还可用来通信和遥感，实现三者的协同乃至融合发展，这是未来必由的发展趋势。如何实现三者的协同融合，技术途径之一是三者在某种程度上共享平台、轨道和频率资源，一是可以降低建造和运营成本，二是能在用户端提升服务感受。
“
袁洪觉得，“频率资源是人类发展空间业务的基础，但国际电联为卫星导航业务划定的频率范围有限，现有导航频段已十分拥挤。目前存在两种技术路线，一是低轨导航沿用北斗的频点；二是利用通信的频点，与通信信号做联合设计，甚至是直接利用通信信号进行导航，这几条技术路线国内都有讨论。”
此外，融合发展应考虑阶段性。“低轨导航通信遥感一体化系统的建设不是一蹴而就的，可以借助低轨通信系统目前快速发展的东风，先在部分低轨通信卫星上实现导航增强功能，积累经验，再逐渐增加导航卫星的数量，渐进形成低轨增强和备份功能。”袁洪说，“这不单纯是个技术问题，还涉及到大量的协调和利益平衡问题，需要时间。”
客观地说，低轨导航仍然面临着不少技术性和工程化挑战，但可以预见的是，低轨卫星导航的建设将会对各行各业带来更多的新机遇、新动能、新发展。仅就测绘行业而言，低轨卫星的增强作用势必会对测绘领域的高精度定位、测量、数据采集等基础性工作带来利好，作业效率和实时性能够大幅提升。
“对于测绘行业来说，低轨导航将让测绘具备更好的工具；同时，测绘行业从业者基于其深厚的学术和工程经验积淀，本身就是低轨导航建设的主力军。在建设北斗卫星系统时，很大一部分力量就来自于测绘行业。在低轨卫星建设中，同样有许多需要测绘人才发挥独特作用的地方。”袁洪如是说。
按照《新时代的中国北斗》的规划，到2035年，我国将建成以北斗系统为核心，更加泛在、融合、智能的综合定位导航授时体系。在这一过程中，相信低轨卫星将立足于其独一无二的优势，为我国和世界卫星导航发展注入新的动能。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
