共计 5034 个字符，预计需要花费 13 分钟才能阅读完成。

低轨卫星导航增强：如果低轨卫星本身就是GPS

在前面的文章中，我们讨论过：星链终端在建立通信链路时，依赖GPS提供精确的时间同步和位置信息。一旦GPS信号被干扰或欺骗，星链终端的通信能力也会受到影响。

我们也介绍过一种"自救"方案：单个星链终端利用多个历元的多普勒观测值，通过多普勒定位方程实现自主定位。这个方案在现有Ku频段通信信号体制下，不需要任何硬件改动就能实现定位。

但说实话，这是一种工程妥协。

多普勒定位的精度天花板受限于信号体制，收敛速度慢，定位误差在十米至百米量级，距离真正意义上的"自主精确定位"还有相当距离。就像用对讲机发短信——能用，但不是为这个设计的。

那么，有没有一劳永逸的解法？

有。让低轨卫星本身就搭载导航载荷，像GPS卫星一样播发专用的测距信号，在轨道上构建一套独立的、属于自己的导航系统。 这正是"低轨卫星导航增强"最彻底的技术路线，也是本文要深入探讨的核心主题。

1. 基本原理：把GPS"搬"到低轨道

1.1 系统架构

从系统架构上看，LEO导航系统与GPS高度同构，三段式框架完全一致：

定位的数学原理与GPS完全一样：接收机同时接收至少4颗卫星的测距信号，联立伪距观测方程组，解算出三维位置和接收机钟差。

用户终端的核心算法可以直接复用现有GNSS处理引擎，只需在信号捕获层做适配即可。

1.2 LEO的独特挑战

虽然LEO定位和GPS定位在原理上相同，但是也存在独特的挑战：

① 星历需要高频更新

GPS卫星飞行在20200 km高空，大气阻力几乎为零，轨道动力学简单稳定，广播星历每2小时更新一次就够用了。

而LEO卫星在500～1000 km轨道上飞行，大气密度随太阳活动剧烈波动，$$大气阻力摄动可达 10^{-5} \text{m/s}^2$$，导致轨道预报精度随时间迅速恶化——广播星历超过约60秒预报窗口，误差就可能从厘米级增长至分米乃至米级。

这意味着地面运控系统需要分钟级别向卫星注入轨道修正数据，对整个运控体系的实时性要求极高。

信息来源：[https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-1-W2-2023/1111/2023/]

② 极高的多普勒频偏

LEO卫星轨道速度约7.8 km/s，是GPS卫星速度的两倍。这导致接收机观测到的信号多普勒频偏高达±40 kHz，而GPS仅约±5 kHz。

这对接收机的信号捕获算法是严峻挑战——需要在更宽的频率范围内搜索信号，捕获时间更长，对锁相环/延迟锁定环的设计要求也更高。

③ 星载时钟的精度问题

GPS卫星搭载铷或铯原子钟，稳定度达$$10^{-12}$$量级，10秒预报误差不足3mm。LEO卫星受体积和功耗限制，多采用超稳晶振（USO），稳定度约 $$10^{-11}$$，10秒预报误差约3cm，勉强够用。

如果用温补晶振（TCXO），10秒误差就高达30厘米，完全不可接受。

解决方案是让LEO卫星通过接收GNSS信号进行星载精密定轨和钟差实时估计，以GPS/北斗为基准校准自身钟差，再向用户广播修正结果。

2. 低轨卫星做导航的三大核心优势

虽然低轨卫星做导航存在各种挑战，但是优势也是非常明显的。

① 信号落地功率强

自由空间路径损耗（FSPL）与距离的平方成正比。GPS卫星在20200 km高空，LEO卫星仅在约500~1000 km轨道上，距离缩短约20倍，路径损耗减小26 dB，即信号理论功率强约400倍（前提是如果LEO导航信号也采用L频段）。

这意味着在城市峡谷、地下停车场入口、楼宇遮蔽区等GPS经常"罢工"的场景下，LEO信号仍有足够的信噪比维持跟踪。

目前世界上唯一进入商用的低轨导航卫星星座，铱星STL的实测数据表明，其LEO信号落地功率比GPS强约300～2400倍（即24.8～33.8 dB）。终端的抗干扰能力也相应提升——干扰机需要功率更强才能压制LEO导航信号。

注：考虑到 LEO 卫星载荷功耗和天线增益的限制，实际链路预算的提升可能略低于 26 dB，但量级优势依然巨大。

② 几何构型变化快

这是LEO导航最具革命性的优势，也是用户感受最直接的差异。

精密单点定位（PPP）是目前实现厘米级定位精度的主流技术路线，原理是通过积累足够多的载波相位观测量来精确估计模糊度参数。问题在于，GPS卫星运动缓慢，观测几何变化极慢，用户需要等待20～30分钟才能完成收敛，这导致PPP在动态导航场景下几乎不可能使用。

LEO卫星以7.8 km/s的速度飞行，从地平线到天顶再到地平线仅需约十几分钟，几何构型变化速率远超GPS。研究表明，融合LEO星座后，PPP收敛时间可从30分钟压缩至1分钟以内，甚至数十秒。这不是渐进式改进，是彻底改变了PPP的使用场景。

③ 卫星数量密度高

GPS星座设计之初的目标是"全球任意时刻至少可见4颗卫星"，实际上通常可见8～12颗。LEO星座规划数百至数千颗卫星，用户头顶的可见星数量大幅增加，几何精度因子（GDOP）随之降低。

更关键的是，与现有GNSS联合融合解算时，可见卫星来自不同轨道高度、不同方向，几何分布更加均衡，综合GDOP可趋近理论最优值。更多卫星不仅提升精度，也提高了系统可用性和完好性——某几颗卫星故障或被遮蔽时，系统仍能正常工作。

3. 频段选择：低轨卫星做导航，该用哪个频段？

很多人的直觉是：低轨卫星距离近，信号肯定比GPS强，用什么频段无所谓。这个判断只对了一半。

路径损耗（FSPL）的完整公式是：

$$
FSPL(dB) = 20\log_{10}(d_{km}) + 20\log_{10}(f_{GHz}) + 92.45
$$

损耗同时取决于距离和频率。距离近减少了损耗，但频率高又会增加损耗。两者相互博弈，最终结果取决于谁的效应更强。

3.1 量化计算：Ku频段 vs L频段

以星链（Ku频段，11.7 GHz，典型斜距1100 km）和GPS（L1频段，1.575 GHz，典型斜距25000 km）为例：

把这9.7 dB的优势拆开来看：

• 距离近（1100 km vs 25000 km）：减少损耗 −27.1 dB ✅
• 频率高（11.7 GHz vs 1.575 GHz）：增加损耗 +17.4 dB ❌

高频率几乎把低轨道的天然优势吃掉了64%！Ku频段的低轨卫星，信号仅比GPS强约9倍，远不是人们想象中的"压倒性优势"。

如果换用Ka频段（20 GHz），情况更糟——优势进一步被压缩至仅4～5 dB（约3倍）。

3.2 L频段才是完美的选择

反过来，如果LEO卫星采用专用L频段（1.575 GHz），情况就完全不同了：

L频段不仅仅是路径损耗最小，它还具备全方位的系统性优势：

与现有GNSS完全兼容：L频段与GPS（1.575 GHz）、北斗（1.561 GHz）、Galileo（1.575 GHz）信号频段相邻，用户接收机的射频前端可以完全复用，无需额外硬件，终端成本大幅降低。

雨衰几乎为零：Ku/Ka频段信号在降雨中会产生显著衰减，暴雨条件下可达数dB至十几dB；L频段信号受降雨影响极小（降雨吸收损耗<0.01 dB），真正实现全天候、全气候可用。

电离层修正技术成熟：L频段双频差分改正（利用电离层延迟与频率平方成反比的色散特性）可消除99%以上的电离层延迟，这是经过GPS、北斗数十年验证的成熟技术。Ku/Ka频段虽然绝对延迟量更小，但并不具备额外的本质优势。

结论：低轨导航卫星采用专用L频段，是能把低轨道轨道优势完整兑现的完美选择。 通信卫星用Ku/Ka是为了大带宽数据传输，导航卫星用L频段是为了信号强度和兼容性——两个场景的最优频段天然不同，这也是专用LEO PNT星座存在必要性的根本原因之一。

4. 现有LEO导航增强系统全景

截至2026年，全球唯一完成商业落地的LEO PNT系统，是铱星的STL服务。美国商务部NTIA在2025年5月的官方PNT技术清单报告中明确写道："铱星STL是目前唯一商业可用的LEO PNT星座"。

4.1 铱星STL

铱星STL（Satellite Time and Location）最初由Satelles公司开发，2024年4月被铱星公司收购整合，依托其66颗在轨铱星Next卫星，在L频段通信信号中内嵌PNT测距信息，无需专门的导航载荷即可提供PNT服务。

其信号落地功率比GPS强约300～2400倍，室内可用；定位精度约30～50米，授时精度约200纳秒。这个精度不算高，但铱星STL主打的是授时市场——5G基站、电网同步、数据中心时间基准。欧盟联合研究中心（JRC）的评估结论是："STL是唯一在全国和全球范围内可扩展、现在就可用的替代PNT技术"。

铱星STL是一个很好的起点，虽然距离"高精度导航"还有差距。

4.2 Xona Pulsar：第一个"真正的天上GPS"

如果铱星STL是LEO PNT的1.0版本，Xona Pulsar就是2.0版本——第一个从零开始、专门为高精度导航设计的LEO星座。

规划258颗卫星，轨道高度1080 km，双L频段信号，与现有GNSS接收机兼容；设计精度目标2厘米；PPP收敛时间压缩至数秒；信号强度比GPS强100倍；内置信号认证机制，抗欺骗时间仅4秒。

2025年6月，Pulsar-0生产级验证星随SpaceX Transporter-14顺利入轨，完成了全系统信号在轨验证。2026年已接连与Furuno（古野电气）、拓普康（Topcon）、Trimble天宝签署商业合作协议，商业化布局紧锣密鼓。

Pulsar才是真正的天上低轨"GPS"。

4.3 中国星网GW星座：通导融合的国家队

中国国家队在低轨PNT方向同样布局深厚。中国星网GW星座规划发射12992颗卫星，2026年进入规模化组网元年，年内计划保持高密度发射节奏。GW星座的核心定位是宽带通信，但通导融合是其长期技术路线——将导航增强能力与通信载荷深度集成，与北斗系统形成协同体系，服务国家综合PNT战略。

4.4 下一代北斗：高中低轨融合的国家战略

2024年11月，国家航天局正式发布《北斗卫星导航系统2035年前发展规划》，将LEO层纳入下一代北斗系统的官方星座架构，形成GEO + IGSO + MEO + LEO的四层混合星座。

5. 总结

原理上，LEO导航系统与GPS同源——同样的伪距测量、同样的多星解算、同样的三段式架构。但低轨道带来的三个本质改变，让它站上了一个更高的起点：信号落地功率强400倍以上、PPP收敛时间从30分钟压缩至数十秒、几何构型变化快带来更优的GDOP。

截至2026年，铱星STL是全球唯一完成商业落地的LEO PNT系统；Xona Pulsar刚刚完成生产级卫星在轨验证，正在走向早期商业部署；中国则以下一代北斗LEO层为国家战略主轴，2027年先导试验星、2035年全面建成。

低轨导航系统代表了卫星导航技术的未来发展方向，它不仅解决了传统GNSS在信号遮蔽、收敛时间等方面的固有缺陷，更为通导融合提供了全新的技术路径。专用LEO PNT星座的建设将成为各国在PNT领域竞争的新高地。

下一篇文章：我们将聚焦目前全球唯一商用的LEO PNT系统——铱星STL。 它是怎么在66颗通信卫星的信号里搞出一套导航服务的？

更多内容，请关注我的公众号“通信与导航”，主页有技术文章的分类合集，感兴趣的朋友可以查询。