重度路痴？還超期待無人駕駛？這項技術滿足你對未來的任何幻想...

天儀智造系列第三話丨導航信號增強系統試驗

哈嘍大家好，我是天儀小姐姐！是的沒錯，我們的第三篇科普文終於可以科普一些大家身邊「目」所能及的東西了，它就是「導航信號增強系統試驗」。

「等一下，現有的導航系統還不夠強？難道你們做的比他們還要厲害？」

其實剛開始要做這個試驗的時候，就有不少朋友問過我們這個問題了，通常我們都是反問回去，「已經有的導航系統夠用了嗎？」

那你肯定是沒去過重慶吧？所以我特意給你找了一張照片，讓你體驗一下什麼是「真·3D魔幻立體城市」——「駕車如大海行舟」。

當然，有人可能會覺得重慶是特例，但你能保證未來車越來越多，路越來越堵的時候北京不會出現類似的立交橋嗎？到時你可能也會說，「我出門兒打車不就完了嗎？」

我只能滿臉黑線的想到一個詞——「返祖」。

沒有人生來就是老司機，指望司機當初為什麼要做導航？更何況逛街的時候你總要用腳了吧？這時可以參考一下洪崖洞，那可是正經中國版的「千與千尋」，到了那裡，相信你就算是某某導航的「付費玩家」，也會急的找不到來時的路.....

所以這次我們的「低軌衛星的導航信號增強試驗」，就是來終結「重度路痴躁鬱症」的同時，順便解決一下無人機、無人駕駛，甚至物聯網的「三維立體導航」問題。

目錄

1、什麼是「衛星導航系統」？

2、如何實現「衛星導航信號增強」？

3、低軌衛星導航信號增強不止終結路痴？

一、什麼是「衛星導航系統？

說起「衛星導航技術」，其實早在1991年海灣戰爭的時候就引起了人們的關注了，要知道那時美國在海灣戰爭中的一個「殺手鐧」就是GPS。它是美國曆時20餘年，耗資超300億美元，由24顆衛星組網而成的一套全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統，是繼阿波羅登月計劃和太空梭計劃之後的第三項龐大的空間計劃。

而在中國比較有名的，恐怕就是北斗衛星導航系統了，它是繼美國GPS、俄羅斯Glonass、歐洲Galileo之後的全球第四大衛星導航系統，計劃由35顆衛星組成，包括5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。

說到這裡，大家可能就不明白了，提供導航，為啥需要這麼多衛星？費時費力，有一顆在天上轉難道不夠用嗎？

而要解釋這個問題，恐怕還需要你翻開中學數學課本，打開「三維空間坐標系」章節，因為「衛星定位」就是利用了這個原理，只是稍微複雜了一點。

具體如下圖所示，GPS定位的基本原理是空間距離後方交會（測距交會）。即，天上的GPS衛星（A、B、C）的實時位置是已知的，通過測量衛星電磁波到達地面GPS接收機（P）的時間乘以光速，就可以得到「星-地」距離。地面GPS接收機同時收到3顆衛星的位置信息，得到3個距離值，即可通過一個三元方程解算出地面接收機所在位置的三維坐標。

但是理論歸理論，現實可不是這樣完美的。因為在現實情況下，星、地之間還會因為時鐘誤差帶來的距離誤差，所以通常情況下就還需再引入一個未知的時間誤差量「S」（鐘差）來協調「時間差」，讓定位更加精準。所以衛星導航系統想要獲得地面點的三維坐標，就必須對4顆或者4顆以上的衛星進行觀測。

隨著GPS向民用開放，它所蘊藏的商業價值不斷被發掘出來，特別是隨著衛星導航接收機的集成微型化，出現各種融通信、計算機、GPS於一體的個人信息終端，使衛星導航技術從專業應用走向大眾應用，成為繼通信、互聯網之後的IT第三個新的增長點，更精準的衛星導航系統迫在眉睫。

但只單純靠它們原本自身的星座衛星，定位精度都在「米級」。因為除了「鐘差」之外，還有衛星軌道誤差、空間傳輸誤差、機內雜訊等誤差。想要克服這些誤差進而提高精度，就必須需要外界輔助，也就是俗稱的「信息增強」。

二、如何實現「衛星導航增強」？

所謂「信息增強」，是指不提供新的測距信號，而是通過播發改正信息（注意：是「信息」而不是「信號」），提升原有導航信號的精度。

通過科學家們的研究，又將「信息增強」進一步分為兩類：一類是「地基發播」，另一類是「天基發播」。但無論是「地基信息增強」（地基發播），還是「天基信息增強」（天基發播），其本質都是通過「信息傳遞」的手段（衛星通信vs地面蜂窩網通信），播發衛星導航誤差改正信息。

「天基信息增強」（天基發播）的優點是，一顆信息增強衛星就可以覆蓋很大的區域，包括沙漠、海洋都可覆蓋。

而「地基信息增強」（地基播發），則是通過移動通信基站等設施播發增強信息，覆蓋區域較小，但地基信息增強，可以針對小區域用戶，提供特殊的針對性附加信息服務，如區域內干擾信息通報等，對於移動基站不覆蓋的區域，如沙漠、海洋等，就無能為力了。

但無論是地基信息增強，還是天基信息增強，其本質都是通過信息傳遞的手段（衛星通信vs地面蜂窩網通信），播發衛星導航誤差改正信息，天基和地基的區別，僅僅在於信息的傳遞手段不一樣，其他都是一樣的。

一旦遇到了高樓林立的「城市峽谷」地區，或者樹蔭遮擋的地區。原有的衛星導航信號，由於受到四周高樓或樹蔭的遮擋，不能被用戶正常接收，從而造成用戶定位功能失效。

這時，就需要「信號增強」技術大顯身手了。是的沒錯，除了「信息增強」技術之外，還有「信號增強」技術。

所謂「信號增強」，是指在既有衛星導航信號的基礎上，發播新的導航信號，這些新發播的導航信號，可以與既有的導航信號協同工作。而另外提供的測距信號，等同於增加了原有衛星導航系統的衛星數量，這也是「信號增強」與「信息增強」最本質的區別在於，而且，這些新增加的衛星，功率更強，更好用！

尤其是在面對遮擋物干擾時，「信號增強」技術會通過播發附加的測距信號，補充原有導航信號在這些應用場景下數量上的不足，從而使得原先不能定位的區域，實現定位功能。

此外，由於低軌衛星距離用戶更近，導航增強信號的強度可以做到比原有的導航信號更強，也就更容易穿透樹蔭等物理遮擋物的遮擋，更容易被用戶接收到。而且通常，在做「信號增強」時，「信息增強」也就捎帶著做了。

「低軌信號增強」的第三個特點是，衛星划過用戶上空的速度更快，在採用載波相位進行高精度定位時，「載波相位」的「整周模糊度」更容易被確定下來。也就是說，低軌導航增強信號在厘米級高精度定位中，有特殊的優勢。

三、低軌衛星導航信號增強試驗不止終結路痴

但「信號增強」經常被同行遺漏，因為「信號增強」比「信息增強」要難。

讓人激動的是，天儀研究院於2018年1月19日在酒泉衛星發射中心搭載長征11號火箭成功發射升空的「雙子星」，通過緊張測試，其開展的「低軌衛星導航信號增強」試驗進展順利，已取得初步試驗成果。

簡單講，「低軌衛星導航信號增強」試驗就是在中高地球軌道（約24000km）和地面之間增加了一個「中轉站」。也就是說，這個「中轉站」既提供附加的新的測距信號，又同時提供原有測距信號的改正信息，與之前的天基信息增強系統，有本質的區別。

此外，由於低軌衛星距離用戶更近，導航增強信號的強度可以做到比原有的導航信號更強，也就更容易穿透樹蔭等物理遮擋物的遮擋，更容易被用戶接收到。

如此一來，不但可以輔助定位、改善導航衛星幾何分布、降低GEO軌道衛星的巨大延時來提高定位精度，還是專門來治理「電離層」和「對流層」等造成的「丟信號」現象。

而且這次科學試驗，也是國內首次運用低軌衛星開展導航信號增強試驗，由中科院光電研究院進行總體設計，天儀研究院提供衛星平台，並承擔載荷實現及搭載發射和測控服務。

試驗旨在驗證新體制導航增強信號體制的功能和性能，探索導航信號增強的應用模式。主要通過衛星上搭載的導航增強信號生成和發播載荷對地播發導航增強信號，地面專用設備進行接收和測量並通過數據分析，驗證新體制導航增強信號在低軌發播條件下的信號特性和測量性能，以及低軌衛星對全球導航衛星系統的增強能力。

截至目前，已成功接收到了新體制導航增強射頻信號（如下圖）和衛星下行的配套軌道數據，已經取得的一批增強信號測距結果，經分析信號性能達到設計預期。這不僅使衛星平台的技術水平、穩定可靠得到了充分驗證，而且說明載荷狀態良好，具備開展後續試驗條件。

未來一段時間內，天儀研究院將持續配合中科院光電研究院，針對載荷不同的工作參數配置以及多種導航增強應用模式想定，繼續開展技術試驗，為未來低軌衛星導航增強系統的設計、以及導航通信深度融合技術體制的發展提供實測數據支撐。

說了這麼多，大家可能還是會有一個疑問，「這個試驗好像除了拯救路痴也沒有別的用了吧？」

那你就大錯特錯了。因為導航可不僅能用在人身上，還能用在「無人」機上！在未來，無人駕駛、物聯網無人機貨運等等，無一不需要精準的導航作為基礎，你說到時候如果還是米級的導航系統，誰敢坐無人駕駛的汽車？

在換句話說，假設日後你用電商定了一份兒外賣，「無人機小哥哥」因為導航誤差，送到了隔壁老王的工位，你豈不是要餓肚子了？

總之，它要做的，就是讓導航不再只是「平面」上的「點」，而是真正的三維立體空間中「不掉線」的「毫米級精準點」，甚至出現超越毫米的「點」也說不定呢！

好啦，今天的科普就到這裡啦，如果你還對今天的內容感興趣，或者想與我們深入的探討，歡迎郵件聯繫我們的同事（lihu@spacety.cn），這方面他比我知道的更多！

青山不改

綠水長流