面向精确可信PNT服务的新型全球卫星导航系统架构

doi:10.11947/j.AGCS.2025.20250175

测绘学报 ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (11): 1934-1953.doi: 10.11947/j.AGCS.2025.20250175

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面向精确可信PNT服务的新型全球卫星导航系统架构

郭树人¹^,²(), 蔡洪亮¹^,²(), 高为广¹^,², 周巍¹^,², 耿长江³^,⁴, 李罡¹^,², 董明¹^,², 宿晨庚¹^,², 姜坤¹^,², 孟轶男¹^,², 陈雷¹^,², 潘军洋¹^,²^,⁵, 李凯⁵, 李奇奋⁴, 唐小妹⁶, 张爽娜⁷, 胡小工⁵

^1.北京跟踪与通信技术研究所，北京　100094
^2.智能空间信息国家级重点实验室，北京　100094
^3.中国卫星导航系统管理办公室测试评估研究中心，北京　100094
^4.北京遥测技术研究所，北京　100094
^5.中国科学院上海天文台，上海　200030
^6.国防科技大学电子科学学院，湖南　长沙　410073
^7.航天恒星科技有限公司，北京　100086

收稿日期:2025-04-21 修回日期:2025-10-12 发布日期:2025-12-15
通讯作者: 蔡洪亮 E-mail:1414263503@qq.com;caibanyu@126.com
作者简介:郭树人（1972-），男，博士，研究员，研究方向为卫星导航总体技术、时空基准技术。E-mail：1414263503@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(42374044)

A novel architecture of global navigation satellite system for accurate and trusted PNT services

Shuren GUO¹^,²(), Hongliang CAI¹^,²(), Weiguang GAO¹^,², Wei ZHOU¹^,², Changjiang GENG³^,⁴, Gang LI¹^,², Ming DONG¹^,², Chengeng SU¹^,², Kun JIANG¹^,², Yinan MENG¹^,², Lei CHEN¹^,², Junyang PAN¹^,²^,⁵, Kai LI⁵, Qifen LI⁴, Xiaomei TANG⁶, Shuangna ZHANG⁷, Xiaogong HU⁵

^1.Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology, Beijing 100094, China
^2.National Key Laboratory of Intelligent Spatial Information, Beijing 100094, China
^3.Test and Assessment Research Center, China Satellite Navigation Office, Beijing 100094, China
^4.Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China
^5.Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China
^6.School of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
^7.Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100086, China

Received:2025-04-21 Revised:2025-10-12 Published:2025-12-15
Contact: Hongliang CAI E-mail:1414263503@qq.com;caibanyu@126.com
About author:GUO Shuren (1972—), male, PhD, researcher, majors in satellite navigation overall technology and spatio-temporal reference technology.　E-mail: 1414263503@qq.com
Supported by:
The National Natural Science Foundation of China(42374044)

摘要/Abstract

摘要：

GNSS是当今人类社会定位导航与授时（PNT）服务的重要提供者。经历了数十年的发展与迭代，当前架构的GNSS服务性能已接近理论和工程的极限，无法全面满足日益增长的全球分米级导航和高可信服务的需求。本文提出一种基于星间链路构建测量通信网络、融合高轨/中轨/低轨混合星座的新型GNSS架构。该架构在极简地面支持下，通过天基时空基准、低轨增强信号与通信辅助等手段，实现全球分米级实时定位与完好性服务。仿真结果表明，系统在兼容现有GNSS用户终端的前提下，可实现定位精度优于5 cm、收敛时间缩短至1 min，并显著提升抗干扰与防欺骗能力。同时，该系统架构能够与现有GNSS兼容互操作，并可在其基础上演进而来，使用户体验平稳升级。

关键词: 全球卫星导航系统架构, 精准可信, 星间链路, 高中低星座, 时空基准

Abstract:

GNSS is the important provider for the positioning, navigation and timing (PNT) services in today's society. After decades of development and iteration, the performance of GNSS services in current architecture has approached theoretical and engineering practical limitation, and it cannot fully fill the growing demand of global decimeter-level as well as high-trust navigation service. This study proposes a novel GNSS architecture that builds a measurement and communication network based on inter-satellite links and integrates a hybrid constellation of high orbit (GEO/IGSO), medium earth orbit (MEO), and low earth orbit (LEO). With minimal ground support, this architecture achieves global decimeter-level real-time positioning and integrity services through means such as space-based spatiotemporal reference, LEO augmented signals, and communication assistance. Simulation results show that, on the premise of being compatible with existing GNSS user terminals, the system can achieve a positioning accuracy better than 5 cm, shorten the convergence time to 1 minute, and significantly improve anti-jamming and anti-spoofing capabilities. Meanwhile, this system architecture can be compatible and interoperable with the existing GNSS and can evolve from it, enabling a smooth upgrade of user experience.

Key words: architecture of global navigation satellite system, accuracy and trust, inter-satellite link, high-, medium- and low- constellations, spatio-temporal reference

中图分类号:

P228

郭树人, 蔡洪亮, 高为广, 周巍, 耿长江, 李罡, 董明, 宿晨庚, 姜坤, 孟轶男, 陈雷, 潘军洋, 李凯, 李奇奋, 唐小妹, 张爽娜, 胡小工. 面向精确可信PNT服务的新型全球卫星导航系统架构[J]. 测绘学报, 2025, 54(11): 1934-1953.

Shuren GUO, Hongliang CAI, Weiguang GAO, Wei ZHOU, Changjiang GENG, Gang LI, Ming DONG, Chengeng SU, Kun JIANG, Yinan MENG, Lei CHEN, Junyang PAN, Kai LI, Qifen LI, Xiaomei TANG, Shuangna ZHANG, Xiaogong HU. A novel architecture of global navigation satellite system for accurate and trusted PNT services[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2025, 54(11): 1934-1953.

图/表 41

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参考文献 51

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误差源	误差组项	现有能力	极限能力预测
空间段URE	轨道	0.1	0.02
	钟差	0.3	0.03
	信号时延	0.3	0.03
环境段UIE	电离层	0.8	0.7
环境段UIE	对流层	0.1	0.1
用户端UEE	多径	0~0.5	0~0.5
用户端UEE	噪声	0.05~0.2	0.05

系统	标称星座	轨道倾角/（°）	轨道高度/km	实际工作卫星数量	PDOP值
BDS-3	24颗MEO卫星（Walker24/3/1）	55	21 528	24	1.43
BDS-3	3颗GEO、3颗IGSO卫星	0/55	35 786	6	1.43
GPS	24颗MEO卫星（6个轨道面）	55	20 200	31	1.62
GLONASS	24颗MEO卫星（3个轨道面）	64.8	19 100	24	1.93
Galileo	27颗MEO卫星（Walker24/3/1）	56	23 200	24	1.92

导航系统	信号分量	电文速率/bps	符号速率/sps	调制方式
BDS-3	B1I（MEO）	50	50	BPSK
	B1C数据分量	50	100	BOC（1，1）
	B1C导频分量	0	0	QMBOC
	PPP-B2b	500	1000	BPSK
GPS	L1C/A	50	50	BPSK
	L1C数据分量	50	100	BOC（1，1）
	L1C导频分量	0	0	TMBOC
Galileo	E1-B	125	250	CBOC
	E1-C	0	0	CBOC
	E6-B	500	1000	BPSK
	E6-C	0	0	BPSK
GLONASS	G1	50	50	BPSK
GLONASS	L1OCd	125	250	BPSK

轨道高度与类型	模糊度收敛所需时间	模糊度100%整数解所需时间
低轨（1000 km）	1 min	10 min
中轨（20 000 km）	20 min	4 h
高轨IGSO（36 000 km）	2 h	25 h
高轨GEO（36 000 km）	+∞	+∞

频段	频段范围/MHz	优点	缺点
UHF	400	空间传播损耗小穿透能力强	电离层延迟大收发天线尺寸大
L	1164~1300	用户设备实现简单、接收机天线易实现	频谱资源相对有限，更为拥挤
L	1559~1660	小型化、使用便捷	频谱资源相对有限，更为拥挤
S	2483.5~2500	电离层延迟较小，频率协调难度小	空间传播损耗大，与移动通信互扰
C	5010~5030	电离层延迟小	空间传播损耗大，接收复杂度高，受雨衰遮挡影响大

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A novel architecture of global navigation satellite system for accurate and trusted PNT services

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增强系统分类	典型系统	覆盖性	地面站数量	精度	动态性
广域精密定位系统	Star Fire、OmniStar	数千千米	数十个参考站	分米级至厘米级的精密定位服务	~20 min
广域PPP-RTK定位系统	CLAS	数百到数千千米	每50~70千米一个站，约上千个监测站	分米级至厘米级的精密定位服务	~1 min
局域精密定位系统	CORS	数十千米	数个参考站	支持分米至厘米的实时服务，以及毫米的事后服务	秒级
广域完好性定位系统	WAAS、EGNOS	数千千米	数十个参考站	米级定位精度服务和APV-I的完好性服务	实时高动态
局域完好性定位系统	GBAS	数十千米	数个参考站	米级定位精度服务和CAT-I的完好性服务	实时高动态

新增元素		部署位置	实现方式	与现有设施关系	承载业务/功能	能力增量	用户设备形态
通信辅助		各类通信设施	软件升级	相互独立	GNSS性能增强	缩短GNSS设备冷启动时间，承载高精度增强电文，实现双向认证	现有导航设备+相关通信设备
低轨星座		LEO导航星座及其地面设施	新建/接入	相互独立+深度融合	全球高精度/完好性	全球近实时分米级高精度、抗干扰能力大幅提高、承载更高的信息速率，实现对中高轨星座导航信号的全球范围监测	现有导航设备软件升级
星间链路	高速激光	GEO/IGSO/MEO	卫星增配	在轨卫星替换	星座运管/时空测定/通信中继	简化地面设施，降低建设与运行成本支撑天基空间基准的建立与维持	现有导航设备
	Ka	GEO/IGSO/MEO，LEO（可选）	卫星增配	在轨卫星替换	时空测定/灵活接入		现有导航设备
	中速激光	LEO，GEO/IGSO/MEO（可选）	卫星增配	在轨卫星替换	星座运管/时空测定/通信中继		现有导航设备
	配套对地链路Ka/激光	GEO/IGSO，LEO（可选）	卫星增配+主控站/注入站增配	在轨卫星替换+地面增配	星座运管/对地时空溯源/数据落地		现有导航设备
高性能测量部件	原子钟组	GEO/IGSO/部分MEO卫星	卫星增配	在轨卫星替换	天基时间基准	实现天基综合原子时建立与维持	现有导航设备
高性能测量部件	恒星相机	IGSO卫星	卫星增配	在轨卫星替换	天基空间基准	实现天基空间基准的建立与维持	现有导航设备

轨道类型	数量/颗	架构贡献	提供服务
MEO	24~30	核心星座 1. 全球4重以上RNSS信号覆盖 2. 支持地面站与低轨星座时空基准维持 3. 部分卫星参与建立天基时空基准	全球米级PNT服务（3000 km以下）、SSV
GEO	3~6（按需）	节点星座 1. 改善区域可见性（高纬度） 2. 天基时空基准建立 3. 对地数据传输与时空基准固联 4. 加强对区域的RNSS信号覆盖	区域多样化服务、SSV、导航覆盖增强
IGSO	3~6（按需）		区域多样化服务、SSV、导航覆盖增强
LEO	150~200	增强星座 1. 实时高精度PNT 2. 高功率导航信号，改善PNT服务可用性与可信度 3. 监测GEO、IGSO、MEO星座服务与性能 4. 改善GEO、IGSO、MEO时空确定观测几何	全球分米级高精度高可信服务（30 km以下）

增量	增量信息
定位精度	从10 m提高到0.1 m
完好性	从区域CAT-1扩展到全球CAT-1
信息速率	从50 bps提高到1000 bps以上
防欺骗	支持增加电文认证，提高防欺骗能力
抗干扰	信号功率提高30分贝左右
可用性	提升遮蔽场景适应能力
连续性	覆盖重数提升3~7重
低轨与中高轨星座	低轨对中高轨实现全球监测
相互赋能	中高轨为低轨提供时空基准

类别	类型	部署卫星	速率/精度	支持业务类型
星间链路	高速激光	GEO、IGSO、MEO	Gbps/ps	星座运管、通信中继、时空测定、外部中继（可选）
	Ka	GEO、IGSO、MEO、LEO（可选）	Mbps/ps	星座运管、时空测定、灵活接入
	中速激光	LEO GEO、IGSO、MEO（可选）	Mbps/ps	星座运管、通信中继、时空测定
对地链路	Ka/激光	GEO、IGSO LEO（可选）	Gbps/ps	对地数据传输和时空基准固联

类型	部署卫星	功能作用
汞离子钟/积分球钟星间、星地测量设备	GEO、IGSO	建立天基时间基准
大面阵观星相机星间、星地测量设备	IGSO	建立天基空间基准
配置星间、星地测量设备	MEO	支撑构建天基时空基准
配置导航监测接收机	LEO	获取中高轨建立的时空基准
配置星地测量设备	地面锚固站	建立天基时空基准与地球时空基准的联系

信号体制	参数信息
使用频段	L1、L5（或其他适合的频段）
调制方式	BPSK
信息速率	大于1000 bps
落地电平	-130 d BW
防欺骗	认证信息
广播星历模型	20参数
兼容性	与现有GNSS导航信号（或与合适的通信信号）兼容
互操作	首选与L1、L5互操作

星座	PDOP最大值	PDOP最小值	PDOP平均值
3GEO+3IGSO+24MEO	2.39	1.13	1.99
3GEO+3IGSO+24MEO+150LEO	1.93	1.10	1.48

参数	仅星地观测多星定轨	星地星间联合多星定轨
观测数据	星地伪距相位数据	星地伪距相位数据，星间链路数据
定轨弧段	3 d	3 d
动力学模型	二体运动、地球非球形引力、日月引力、太阳辐射压、固体潮、海潮摄动和相对论摄动
太阳辐射压参数	伯尔尼模型5参数（D、Y、B方向常数加速度及B方向正、余弦加速度）
截止高度角	10°
卫星天线相位偏差	仅考虑PCO和名义姿态
大气参数	4 h解一组	4 h解一组
钟差处理	固定主站站钟，解算其他钟差	固定主站站钟，解算其他钟差
数据权重	伪距∶相位=1∶10 000	伪距∶相位∶星间数据=1∶10 000∶100

设备名称	核心指标名称	仿真参数设置
星载原子钟	稳定度	（2E-15）/d
星间测量设备	时间比对附加不稳定度	3 ps@1 s
星间测量设备	测距精度	优于1 mm（1σ）
星地测量设备	时间比对附加不稳定度	10 ps@1 s
星地测量设备	测距精度	优于3 mm（1σ）
观星相机	惯性空间指向测量精度	优于5 mas（1σ）
低轨卫星	星座数量	大于60颗
低轨卫星	监测接收机定位精度	优于30 cm

对象	基于设计方案的仿真条件	能力增量	架构贡献
GEO/IGSO	1. 6颗GEO/IGSO增配“1主+1备”汞离子钟/积分球钟； 2. 3颗IGSO卫星配置大面阵观星相机和星地测量设备	1. 天基综合原子时天稳优于1E-15； 2. 实现卫星星座空间定向与北斗坐标系、国际天球坐标系的一致性优于8 mas	1. 大大降低导航系统对地面的依赖。在保持服务性能指标不变条件下，导航电文上注频度由现有1 h/次可提升至7 d/次；在180 d无地面上注的条件下，时间偏差优于50 ns； 2. 提升天基时间基准服务能力，星间/星地时间同步精度提升1~2个数量级，提升PNT精度
MEO	1. 配置星间测量设备和星地测量设备； 2. 6颗MEO配置信标光，与激光链路共轴	星间时间同步精度可提升至0.04 ns
LEO	配置导航监测接收机	具备天基故障自主完好性监测与隔离能力
地面锚固站	3个锚固站配置星地测量设备	星地时间同步精度提升至0.3 ns

误差类型	仿真策略
中轨轨道钟差	固定为仿真轨道钟差
中轨轨道钟差	轨道增加周期项系统误差，钟差增加随机误差
低轨卫星轨道钟差	固定为仿真轨道钟差
低轨卫星轨道钟差	轨道增加周期项系统误差，钟差增加随机误差
电离层误差	GIM内插，高度角相关映射函数
对流层误差	Saastamonen模型，VMF映射函数
接收机钟差	随机量，绝对量在1μs内
相对论效应	考虑，理论公式计算
相位缠绕误差	考虑，理论公式计算
测站位移	考虑，IERS模型计算
相位噪声	2.0 mm
伪距噪声	0.4 m

测站名	MEO				MEO+LEO
测站名	E/mm	N/mm	U/mm	时间/s	E/mm	N/mm	U/mm	时间/s
CMUM	37.2	14.9	26.3	482	9.9	9.9	10	23
DJIG	20.7	15.1	39.8	386	13.1	6.7	13.4	45
EUSM	32.6	18.6	20.9	827	13	7.1	17.7	39
HKSL	29.4	7.8	37.2	630	9.2	6.3	13.2	24
HLAR	9.7	28.2	27.4	1088	5.3	6.7	11.5	43
KOUR	17.8	15.4	38.4	1247	10	7.4	23.3	32
KZN2	15	17.1	17.8	582	9	9.2	13.7	26
LHAZ	20.4	17.3	63.4	1633	7.2	12.2	17.3	51
MOBS	14.5	9	30.2	806	8	4.6	10.6	19
RGDG	19.2	21.4	43.1	1732	7.6	16.3	11.5	29
UCAL	16.3	13.1	21.5	934	3.8	12.3	16.9	19
USN8	18.7	15.6	25.3	1068	12.7	6.9	12.5	17
WUHN	24.8	14.9	21	582	11.6	6.1	12	22
平均	21.3	16.0	31.7	922.8	9.3	8.6	14.1	29.9

对比参数	LEO	MEO
轨道高度	1000 km	25 000 km
卫星发射EIRP值	32 dBW
信号频率	L1（1 575.42 MHz）
落地计算位置	星下点（仰角90°）
空间损耗	156.3 dB	184.3 dB
落地功率	-124.3 d BW	-152.3 dBW

架构能力	能力指标	现有GNSS架构能力	新型GNSS架构能力
精准	定位精度	载波相位定位10 cm以内，收敛时间15~30 min	5 cm以内，收敛时间1 min
精准	定轨精度	星地观测15.1 cm	星地星间联合观测2.0 cm
可信	落地功率（L1频率）	-152.3 dBW	-124.3 dBW
	可用性、连续性	遮蔽环境下性能差	抬高信号功率，提升遮蔽环境性能星座覆盖重数提升3~7重
	防欺骗	弱	增加电文认证，提高防欺骗能力
	抗干扰	弱	抬高信号功率，提升抗干扰能力
	完好性	区域CAT-1	全球CAT-1
	韧性	中高轨星座出现大量卫星异常时，系统难以正常服务	观测几何冗余与强度提升，低轨可独立定位
便捷	—	碎片化、高成本，依赖外部通信系统	一体化、终端低成本，不依赖外部通信系统
高效	—	依赖全球广域/密集地面站	基于少量地面站

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