摘要：针对北斗现有星座南北极服务性能弱，低轨卫星使用星载北斗终端自主测定轨存在的不连续等问题，提出了下一代北斗星座构型优化方案；针对北斗深空服务能力不足，多类型导航星座未能形成综合服务能力，提出了深、高、中、低轨导航星座弹性组合定位导航定时(PNT)服务构想；针对现

简介

针对北斗现有星座南北极服务性能弱，低轨卫星使用星载北斗终端自主测定轨存在的不连续等问题，提出了下一代北斗星座构型优化方案；针对北斗深空服务能力不足，多类型导航星座未能形成综合服务能力，提出了深、高、中、低轨导航星座弹性组合定位导航定时(PNT)服务构想；针对现有卫星载荷固化、抗毁能力差的弱点，探讨了软件弹性定义卫星载荷的可行性，提出了星载相控阵天线、星载原子钟和卫星信号发生器的弹性调整策略。相关成果发表在《中国科学：地球科学》2025年第3期。

SCIENCE CHINA Earth Sciences

现有国际四大卫星导航系统(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)尽管具有互为补充和互为增强功能，但存在以下问题：一是在某些特定区域，特别是南北极地区，星座几何构型互补能力相对较差。二是现有全球导航卫星信号落地电平一般较低，信号穿透力相对较差，且易被干扰。三是目前的GNSS信号调制模式相对固化，导致GNSS PNT服务的抗欺骗能力相对较弱。四是各导航卫星载荷和功能基本固化，任何载荷的在轨故障都有可能导致PNT服务中断或性能下降。

空间基准全国重点实验室、西安测绘研究所杨元喜等，利用实测数据精细分析GNSS在高纬度地区的服务性能(图1)，指出在极区最不利情况下，当观测卫星截止高度角设置为10°时，GLONASS和Galileo星座只能观测4颗卫星，无任何冗余。BDS和GPS的星座最小可观卫星数也仅为6-7颗。GLONASS最大定位精度衰减因子(PDOP)、水平精度衰减因子(HDOP)和垂直精度衰减因子(VDOP)均大于20，显然不能满足极区连续高精度导航定位需要。由于缺乏冗余观测，不可能建立任何附加额外系统误差补偿(包括钟差、大气误差等)的观测模型。基于以上分析，提出了调整现有卫星导航系统高度角的优化方案。将下一代北斗中圆轨道(MEO)卫星轨道倾角调整为70°，则北极地区北斗导航用户可观测到7~11颗卫星，且平均PDOP仅为1.86，相比现有星座构型，最大PDOP值从6.59降为3.06。改进轨道倾角后，“单北斗”即可为高纬度地区用户提供连续高精度PNT服务，甚至能为低轨卫星星载北斗接收机连续定轨提供重要支撑。但卫星轨道高度角调整后低纬度地区平均DOP都略有增加，可以采用适当增加卫星数量的方式，重新优化设计MEO卫星组合构型，以达到同时保证低纬度和高纬度服务的能力。

图1 现有四大卫星导航系统北极用户平均PDOP值

(a) GPS; (b) GLONASS; (c) Galileo; (d) BDS-3

为了满足深空飞行器高精度PNT服务需求，分别设计四种NRHO高轨导航星座。为了建成相对完备的深、高、中、低轨星座，深空用户可以同时接收深空导航卫星信号、北斗导航卫星甚至低轨导航增强卫星的漏信号(不受导航卫星本体遮挡、也不受地球遮挡的导航卫星信号)，则可以采用深、高、中、低轨导航卫星弹性组合，提升深空用户PNT服务性能。仿真计算分析表明(图2)：

(1) 如果仅使用BDS-3的漏信号，随着航天器远离地球，可见卫星数逐渐减少，PDOP值逐渐增大，在近月段的深空飞行器的定位几何构型恶劣，无法提供良好的定位服务；

(2) 若加入低轨导航星座，近地空间航天器的PDOP明显下降，但由于低轨卫星大部分信号都会被地球遮挡，导致低轨卫星可见性随着航天器远离急剧下降，迅速变为不可见，因此低轨导航星座一般仅能为30000km轨道高度以下的空间用户提供导航服务；

(3) 加入深空导航星座之后，可有效改善深空飞行器定位的几何构型，PDOP值明显减小，有利于地月空间航天器的导航定位；

(4) 深、高、中、低轨导航星座联合可以提高深空用户与地面用户的短报文“接力式”服务能力，即深空用户可以通过Lagrange星座将短报文信息转发到北斗GEO卫星或IGSO卫星，再由北斗卫星将短报文转发至低轨增强卫星或直接转发到地面用户(图3)；

(5) 对于地面用户，弹性使用深、高、中、低轨星座信号，则可以提升抗干扰、防欺骗能力。此外，如果个别导航卫星或载荷出现故障，则可以采用终端自主完好性监测或抗差估计策略，严格控制故障卫星或异常信号带来的PNT性能下降。

图2 BDS-3漏信号和高轨星座联合的地月转移轨道航天器可见卫星数

图3 短报文“接力式”服务示意图

在复杂的电磁环境下，为了避免导航信号受到压制和欺骗干扰，可以通过提高导航信号的功率来提升用户的抗干扰和防欺骗能力。由图4中信号波束角与覆盖范围可知，传统的GNSS卫星采用全球波束天线，主瓣波束覆盖整个地球表面。为了实现重点区域内的功率增强，在卫星发射功率一定的情况下，可使用窄波束天线将信号波束集中在一个较小区域，即以降低信号的空间覆盖换取局部功率提升，实现导航信号的弹性区域功率增强。

图4 信号波束角与覆盖范围

除了通过信号功率在空间域动态弹性分配之外，功率在时间和频率维度上的柔性配置也是重要的技术途径。如图5，将“时-频”构成的资源空间划分为若干单元，每个“时-频”单元由相应的时域单元波形和调制符号构成。将单元波形和调制符号分别映射为基函数和信号矢量，并构建它们与导航关键性能指标之间的函数关系，则可以在函数空间中对信号矢量进行优化设计，即采用“时-频”单元的灵活组合，搭载不同的单元波形和调制符号，实现信号波形动态演进和功能弹性调整。

一种最为直接的思路是，在DSSS体制基础上引入跳时(TH)和跳频(FH)体制，可以分块利用时间和频谱资源提升卫星导航系统的抗干扰、抗截获能力。此外，多载波复合导航信号调制模式可为用户接收机提供多重分辨率(即用户可根据其所处环境以及所具有的处理能力获取不同精度)的导航服务。在卫星端，可利用多载波信号实现多个频点多个分量的信号的恒包络复用，在轨弹性调整信号分量的数量、频点和功率配比。在接收端，也可以具备多频多分量信号弹性接收和信号弹性处理功能，根据接收机工作环境动态调整合适的接收信号分量和处理方式，以实现接收复杂度和定位精度的动态最优。

图5 基于“积木单元”的弹性导航信号设计

星基PNT载荷应朝着弹性集成和软件定义载荷功能的方向发展，以提高卫星载荷的弹性生存能力和导航卫星核心负载在复杂电磁环境中的可用性，包括：

(1) 软件定义天线功能，即利用数字控制的卫星相控阵天线设计，实现数字控制功率增强，并实现指定区域卫星信号的弹性功率增强，即使在强电磁干扰环境下也能实现信号播发及PNT服务；

(2) 软件定义星载原子钟，即使一颗卫星的星载原子钟短期失灵，可以利用其他与其有星间链路的卫星时钟拟合一个虚拟的原子钟，并与卫星上其他廉价的晶振钟组合生成短期可用的卫星时间；

(3) 软件定义信号发生器，在卫星发射端，可根据特殊需求利用多载波复合导航信号有选择地开启或关闭部分导航信号。

文章出版信息

中文版: 杨元喜, 姚铮, 毛悦, 徐天河, 王棣星. 2025. 星基弹性PNT体系设计及其关键技术. 中国科学: 地球科学, 55(3): 686‒698

英文版: Yang Y, Yao Z, Mao Y, Xu T, Wang D. 2025. Resilient satellite-based PNT system design and key technologies. Science China Earth Sciences, 68(3): 669‒682, https://doi.org/10.1007/s11430-024-1497-6

来源：测绘学报