低轨卫星通信？低轨卫星遥感？不！今天要说的是低轨卫星导航

出品：科普中国

制作：中国科学院光电研究院 史雨薇 王文博 袁杰

监制：中国科学院计算机网络信息中心

马斯克最近又出来搞事情了，这个在去年激励了无数人太空梦想的男人，在用火箭把特斯拉送上太空之后，今年提出了新的宏图——用低轨卫星提供通信服务的starlink计划。这个计划要构建最终12000多颗卫星的庞大星座，为人类提供上网速度高达1GB/s。到时候大家拿着手机上网就不再是低头族了，也许需要仰头接收来自星星的通信信号哦。

低轨道卫星主要是指，运行在低轨道平台的卫星系统。根据平台高度可以把卫星分为高轨、中轨和低轨。低轨卫星，也称近地轨道卫星，特指轨道飞行高度为200~2000km的卫星集合。按照轨道高度不同对卫星进行分类，除低轨卫星之外，还有中轨卫星（2000km~20000km）以及高轨卫星（20000km以上）。

卫星轨道有高中低之分，但重要程度上没有区别，比如说高轨道卫星中用于观测天气的风云系列卫星、中轨道卫星的王牌——卫星导航系统，包括北斗和GPS、以及现在备受关注的低轨道卫星。

我们仨是和谐的WIFI信号一家

而其中，基于低轨卫星的服务引起了大家的广泛关注，我们来看看低轨卫星星座的搜索结果。

其实马斯克并不是第一个关注到低轨道卫星的人，因为在马斯克发布starlink计划之前，OneWeb早已经开始全球的星基互联网战略，在2017年时，就已经发布声明说，首批648颗卫星的通信能力已售罄，而且据说OneWeb单颗卫星的造价已经可以控制在50万美元左右，真正实现了低轨卫星批量化生产的能力。

其实除了低轨卫星通信领域的瑜亮之争之外，低轨卫星还有很多其它的用途，比如低轨遥感星座，包括Planet，worldview、天空卫星（天空盒子公司），我国的吉林一号等等，他们都在默默地观察这地球上的各式各物。

不过这都不是今天我们要讲述的重点，今天我们要说的是低轨道卫星和导航之间不得不说的爱恨情仇的故事。

通信、导航、遥感是信息领域的三朵姐妹花，而基于通导遥一体化服务也是未来信息网的核心关注点之一。

那么低轨卫星和导航之间有什么联系呢？

实际上在有了卫星导航定位系统，也就是我们常说的GNSS之后，大约解决了室外用户90%以上的导航定位需求。

但是GNSS系统并不是万能的，由于GNSS系统中的卫星距离地面大概2万多公里到3万多公里的距离，其信号相当于一个微波炉发出的信号强度，所以GNSS信号到达地面的时候信号非常弱，这就叫做GNSS的天然脆弱性。这会导致如下问题：

问题1 室内定位无法满足

问题2 导航定位的精度不够高，分不清立交桥或者车道

问题3 在卫星数量不够/有遮挡干扰等的情况下，导航定位速度慢

那么，这些问题需要怎么解决呢？

这就需要用到导航增强系统。顾名思义，导航增强系统是指能够增强导航性能的系统，而通常来讲呢，导航增强技术又会分为信息增强和信号增强这两类。

信息增强是通过修正卫星导航定位系统的误差来提高导航定位的精度和可靠性等的方式。信息增强信息并不提供观测量，只提供消除GNSS系统误差，提高导航定位性能的方法。信息增强通常需要的是传输信道，能够把增强信息发送给用户。

神助攻投篮

信号增强是指通过除了卫星以外的平台来发射导航信号，假装自己也是一个可以用作定位的卫星，来提高导航定位的精度和可用性，通常称呼这样的平台为“伪卫星”。信号增强通常需要信号发射机，来为用户提供测量信息。信号增强系统提供观测量，可以与GNSS系统联合定位或者独立定位。

合作投篮

伪卫星：我不是真的卫星，但我同样具备类似卫星的功能哦。

由此可见，信息增强系统可以改善GNSS系统的定位性能，但是对于收不到GNSS信号的情况来讲，比如室内或者遮挡环境下，就无能为力了。

而信号增强系统能够提供新的观测量，对于GNSS系统无能为力的场景，比如立交桥下、都市峡谷地带等卫星数目可能不够的情况下，实现补充增强，甚至对于室内这种GNSS信号无法企及的领域，信号增强系统也能提供解决方法。

之所以低轨导航信号增强系统如此备受关注，主要是因为其具有以下优势：

1 能够获取更高的发射功率，有实现室内定位的可能；

2 能够改善卫星分布，提供更好的导航定位精度和可用性；

3 具有更快的多普勒速度变化，能够尽快固定整周模糊度；

4 低轨小卫星系统的建设成本低，启动速度快，能够作为中高轨导航星座的补充备份。

此外，基于低轨卫星的导航与通信的深度融合也是当前低轨卫星星座建设的重点发展方向。

导航与通信深度融合技术是美国PNT体系论证中的四要素之一。首先是因为当前空间中越来越紧张的频点资源，随着卫星数目越来越多，空间频段可用资源日渐捉襟见肘，如何高效利用空间频率资源成为了当前的关注热点。

君不见，L波段的7MHz的空余频段，简直一家有女百家求。

在这样的情况下，将通信系统和导航信号增强结合起来，利用通信系统的空余时隙插播导航增强信号，提供更可靠的导航定位服务，可以说是低轨卫星导航增强系统建设的必然出路。

另外，导航和通信作为信息网络中的核心基础技术，提供时空基准信息和传输通道，不管未来的低轨卫星系统是想做数据商、运营商还是综合服务商，都离不开导航和通信这两个左右手啦。

今天我们要说的是中科院又双叒叕出来搞事情啦。

前不久，就在3月份，中科院光电研究院国内首个以通信导航在信号层面深入融合为出发点的低轨卫星导航信号增强技术试验，目前已经完成了初步信号体制的测距试验，证实了信号体制的有效性和通导一体深度融合的可能性。

现在国内也有很多基于低轨卫星星座的设计和畅想，未来低轨卫星到底能够给我们带来什么，中国的starlink何时能够出现，能够为北斗系统带来怎样的补充增强效果呢？这就值得我们大家一起来期待啦。

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