文丨时空道宇
人类对于时间和空间的认识，从年月日到时分秒，从天文导航判方向，到惯性导航判区域，再到卫星导航判距离，经历了从宏观到微观的发展变化。现在，低轨导航增强系统以北斗等卫星导航系统为基础，具备独立运行能力，以秒级时间基准和厘米级空间基准，提供物与物精准互联的高精时空服务。这其中的关键技术，就体现在低轨导航增强载荷中。
时空道宇低轨导航增强载荷
时空道宇低轨导航增强载荷设计思想当前的GNSS（Global Navigation Satellite System）系统提供的定位性能普遍都在米级水平，一般处在5~10米左右。由于受到卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时等误差源影响，仅仅靠GNSS系统已经很难将定位精度进一步提升。因此，需要引入导航增强系统，为用户在GNSS系统的基础上获取分米、厘米，乃至毫米级的定位精度。
按实现方式不同，现有导航增强体制可分为地基增强系统和星基增强系统两种。
地基增强系统采用差分体制，即认为当移动接收站和基准监测站相距不远时，两者相对于某一颗导航卫星的卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时误差是一致的。通过移动通信网络或特种通信链路，将差分误差发送至移动接收站，实现定位精度的提升。
地基增强系统的优点是能够实现实时、动态、分厘米级的定位精度，缺点是需要用到通信链路来播发差分误差信息，且需要建设较多基准监测站，投入成本较大，在偏远地区、海洋等区域也无法覆盖。
星基增强系统采用绝对定位体制，即地面基准监测站实时将各导航卫星的原始监测数据汇总至数据处理中心，数据处理中心处理得到卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时等误差修正量，并通过地球同步轨道通信卫星转发至移动接收站，移动接收站通过PPP（Precise Point Positioning）精密单点定位技术实现定位精度的提升。
星基增强系统的优点是除南北纬70°以上极地区域外，其他区域均可覆盖，不受地理环境限制，能够实现动态、分厘米级的定位精度，缺点是由于导航卫星轨道高度较高，短时间内空间几何结构变化不大，移动接收站要实现分厘米级的定位精度需要20至30分钟左右的收敛时间。
可以看到，当前不管是地基增强系统还是星基增强系统，没有一种方式能够实现全球范围内通用的无缝瞬时高精度定位，而低轨卫星导航增强体制的提出可以弥补这一痛点。前述星基增强采用的PPP精密单点定位技术，由于中高轨导航卫星对地运动速度慢，短时间内空间几何分布变化不明显，因而定位精度达到厘米级别需要较长收敛时间。而低轨卫星运动速度快，其同时播发类似于GNSS系统的导航信号，并调制卫星轨道、钟差、电离层延时、对流层延时等误差修正量，地面移动接收站接收到低轨导航增强信号后，与北斗/GPS等系统进行联合解算，可将传统PPP精密单点定位收敛至厘米级定位精度所需的时间减小至1分钟以内，极大提升该技术的应用场景。而且，由于低轨卫星的全球覆盖特性，采用低轨导航增强系统与北斗/GPS等系统组合，可以实现全球范围内无缝瞬时的高精度定位服务获取。
功能先进性可以看到，低轨导航增强实现的关键是低轨卫星除了提供导航增强信息外，还需提供类似于GNSS的信号，实现信息和信号双增强。
星载实时PPP
低轨/GNSS组合PPP利用低轨卫星的快速运动特性，在低轨卫星加入定位解算后能够有效减小初始化收敛时间，而低轨卫星的精密星历来源于星载实时PPP技术。低轨卫星星载接收机利用地面定时注入的GNSS轨道/钟差改正、GNSS伪码/相位偏差等增强信息，实现实时精密定位定轨功能。根据实测结果表明，星载实时PPP在不同方向均能取得优于2cm的定位精度。星载实时PPP提升了低轨卫星精密定轨的实时性，使得低轨卫星作为信号增强源，加入到低轨/GNSS组合PPP成为现实。
星载实时PPP不同向的定轨精度
发射天线赋形
由于低轨卫星星下点和边缘处距离相差较大，为确保低轨卫星导航增强信号落地电平的均衡性，星上发射天线应采用对地赋形，设计成马鞍形状。此种设计与北斗/GPS等卫星导航天线采用类似的原理，但低轨卫星发射天线中心与边缘的增益相差要求更严。
适合低轨导航增强卫星的马鞍形赋形天线方向图
功能软件化
低轨导航增强功能的实现对载荷连续性、可靠性和稳定性要求极高，为了应对空间复杂的环境，导航增强载荷采用了多种抗单粒子翻转措施，包括三模冗余、定时刷新、检错纠错等措施。以往一些卫星往往采用增加单机厚度、采用抗辐照芯片等硬性的措施来防空间辐射，但这种方式不仅增加了成本，效果也不甚理想。而导航增强载荷采用的软件化预防措施，能够实现以柔克刚的效果。
低轨卫星在不同区域单粒子翻转概率
另一方面，导航增强载荷软件实现全部可重构化，具备在轨可升级功能。由于随着运行时间的增加，或者是温度梯度的变化，载荷元器件会出现性能变化。而导航增强载荷时延、相位差等参数对低轨导航增强功能的实现尤为重要，因此需要根据在轨卫星的实测数据，进行周期性的调整。即，通过软件重构方式，实现导航增强载荷的持续最优性能。
低轨导航增强技术是实现北斗/GPS等卫星导航系统全球无缝瞬时厘米级高精度定位服务的必由之路，而低轨导航增强载荷又是该技术的核心。未来，低轨导航增强系统建设完成后，除了赋能地面出行需要的高精度定位服务外，也将助力低空出行领域的高精度电子化道路。
低轨导航增强系统将赋能未来出行，为时空道宇的未来出行生态布局，创造无限可能