北斗考慮納入低軌衛(wèi)星，導(dǎo)航能否不再“迷路”？

楊智杰

打開(kāi)手機(jī)GPS，開(kāi)闊環(huán)境下，導(dǎo)航定位的精度可達(dá)到4.9米。中國(guó)最新一代的導(dǎo)航系統(tǒng)北斗三號(hào)全球定位精度優(yōu)于4.4米。但任何一個(gè)定位系統(tǒng)都不是萬(wàn)能的，比如，現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)仍會(huì)在立交橋等復(fù)雜路況下“迷路”。

近日在《新時(shí)代的中國(guó)北斗》白皮書發(fā)布會(huì)上，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室稱，2035年前，中國(guó)將建成新一代北斗系統(tǒng)，其中考慮納入低軌衛(wèi)星，通過(guò)高中低軌的星座融合，提供一張覆蓋全球的高精度時(shí)空網(wǎng)。

根據(jù)軌道高度不同，人造衛(wèi)星分為距地面高度3.6萬(wàn)公里的高軌道地球同步衛(wèi)星、2000～3.6萬(wàn)公里的中軌道衛(wèi)星，以及500～2000公里的低軌衛(wèi)星。相較中高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星體積小，數(shù)量更多，組成的衛(wèi)星星座成本低、抗毀性強(qiáng)，還可以補(bǔ)充和增強(qiáng)現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“GNSS”）。

衛(wèi)星可用于導(dǎo)航、通信、遙感等服務(wù)。過(guò)去幾年，以SpaceX、OneWeb為代表的商業(yè)航天公司入局，帶動(dòng)低軌通信衛(wèi)星加速發(fā)展。如今，低軌衛(wèi)星與導(dǎo)航結(jié)合，也開(kāi)始成為世界各國(guó)導(dǎo)航公司、航天局競(jìng)逐的賽道。

目前，美國(guó)的GPS、俄羅斯的格洛納斯、中國(guó)的北斗、歐洲的伽利略等GNSS，全都聚集在中高軌。

在中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員袁洪看來(lái)，低軌導(dǎo)航衛(wèi)星受到追捧的重要原因，是不斷提升衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度的慣性需求?！盎乜葱l(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展史，其精度從最早的百米級(jí)提升到米級(jí)，現(xiàn)在可以達(dá)到實(shí)時(shí)分米級(jí)。隨著近年來(lái)低軌衛(wèi)星制造和發(fā)射成本的大幅降低，人們會(huì)想，是否可以使導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度達(dá)到更細(xì)微的厘米級(jí)。”他說(shuō)。

衛(wèi)星定位有三個(gè)指標(biāo)，即速度、精度、完好性。現(xiàn)有GNSS并不完美，因衛(wèi)星高度距離地面超過(guò)2萬(wàn)公里，信號(hào)傳輸至地面會(huì)減弱不少，假如遇到遮擋，定位時(shí)效也會(huì)變慢，而且，GNSS無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和水下定位。

“低軌衛(wèi)星如果能播發(fā)獨(dú)立的測(cè)距信號(hào)，就具備了獨(dú)立定位導(dǎo)航能力，對(duì)GNSS是有益補(bǔ)充?！蔽錆h大學(xué)國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)組織（IGS）分析中心副所長(zhǎng)李敏對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包含三部分：導(dǎo)航衛(wèi)星、地面站和用戶終端。不同于GPS的地面站遍布全球，中國(guó)北斗系統(tǒng)的地面站大多建在國(guó)內(nèi)，需要通過(guò)星間鏈路實(shí)現(xiàn)全球觀測(cè)與運(yùn)行。多位受訪者提到，低軌衛(wèi)星能覆蓋全球，可以作為空中監(jiān)測(cè)站，提升北斗的全球服務(wù)性能 。北斗系統(tǒng)是中國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號(hào)系統(tǒng)2020年7月正式建成開(kāi)通，并向全球提供服務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，至少要4顆衛(wèi)星的信號(hào)才能確定位置坐標(biāo)。低軌衛(wèi)星離地面更近，要覆蓋全球信號(hào)，所需衛(wèi)星數(shù)量遠(yuǎn)超于中高軌。衛(wèi)星數(shù)量越多，定位越精準(zhǔn)。

如果要進(jìn)一步提升衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精準(zhǔn)度，就要運(yùn)用導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)?，F(xiàn)有導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)分為兩種：星基增強(qiáng)和地基增強(qiáng)。地基增強(qiáng)，即在地面修建基準(zhǔn)站，輔助修正衛(wèi)星信號(hào)誤差，需要密集布設(shè)，而且，難以覆蓋海面、沙漠等區(qū)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國(guó)不同部門圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航共建超過(guò)2000個(gè)基準(zhǔn)站，北斗在國(guó)內(nèi)也有2000多個(gè)地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

低軌導(dǎo)航增強(qiáng)是星基增強(qiáng)的一種方式?！皞鹘y(tǒng)的地基增強(qiáng)，沒(méi)有增加信號(hào)源，只是增強(qiáng)了信息處理信號(hào)。低軌導(dǎo)航增強(qiáng)能增加信號(hào)源，提高定位精準(zhǔn)度，在一些山區(qū)火災(zāi)等救援場(chǎng)景中可發(fā)揮作用。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士、測(cè)繪遙感專家李德仁向《中國(guó)新聞周刊》介紹說(shuō)。

武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陳銳志介紹說(shuō)，“如果低軌衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射功率增強(qiáng)一些，在體育館、高鐵站、機(jī)場(chǎng)等單層屋頂空間能穿透屋頂，就可以解決北斗系統(tǒng)的室內(nèi)定位問(wèn)題，這需要在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)一步驗(yàn)證。”

目前，GNSS使用的高精度單點(diǎn)定位技術(shù)，一般要花費(fèi)20～30分鐘，可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，如果采用低軌導(dǎo)航增強(qiáng)，仿真驗(yàn)證中，耗時(shí)約1分鐘。

低軌導(dǎo)航更大優(yōu)勢(shì)不在于民用，而是應(yīng)用于軍事和物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景。歐洲航天局低軌衛(wèi)星PNT的研究負(fù)責(zé)人萊昂內(nèi)爾·里斯曾感慨，導(dǎo)航衛(wèi)星的成功應(yīng)用，“激發(fā)了未來(lái)十年內(nèi)更苛刻的市場(chǎng)需求”。如無(wú)人駕駛汽車、輪船或無(wú)人機(jī)，智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景的出現(xiàn)，對(duì)衛(wèi)星定位的需求正從目前的米級(jí)上升到厘米級(jí)，且需要在室內(nèi)外都能隨時(shí)獲得可靠的信號(hào)。

PNT（positioning， navigation，and timing），即定位、導(dǎo)航和授時(shí)，是人類獲悉時(shí)空位置的關(guān)鍵技術(shù)。日常生活中的導(dǎo)航定位、校準(zhǔn)時(shí)間，以及在國(guó)家安全等領(lǐng)域，PNT都承擔(dān)著重要作用。

2021年，美國(guó)智庫(kù)蘭德公司發(fā)布的《對(duì)更具彈性的國(guó)家PNT能力分析》的報(bào)告中提到，GPS系統(tǒng)正面臨著多種威脅：針對(duì)太空系統(tǒng)的核戰(zhàn)爭(zhēng)、太陽(yáng)風(fēng)暴等極端天氣、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)入侵等，較小威脅包括對(duì)局部地區(qū)或部分城市GPS信號(hào)的干擾等。

袁洪對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，假如GNSS在戰(zhàn)爭(zhēng)等特殊時(shí)期被摧毀，低軌衛(wèi)星是唯一普適性的替代手段。低軌衛(wèi)星建設(shè)和發(fā)射成本遠(yuǎn)低于中高軌衛(wèi)星，即便部分被摧毀，也能快速補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射，“從這一角度講，打造低軌導(dǎo)航衛(wèi)星，是非常必要的”。

在《新時(shí)代的中國(guó)北斗》白皮書發(fā)布會(huì)上，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人表示，構(gòu)建高中低軌的導(dǎo)航星座，“技術(shù)上進(jìn)行了很好論證，方案也是完善的”。

據(jù)袁洪了解，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研討和論證，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航一定會(huì)納入到國(guó)家層面的導(dǎo)航定位服務(wù)體系中來(lái)。但未來(lái)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航到底采用什么樣的服務(wù)模式、選擇哪種技術(shù)路線，要慎重考量。

低軌導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)，與中高軌有諸多差異。以時(shí)空基準(zhǔn)為例，這是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)，衛(wèi)星定位時(shí)，衛(wèi)星、地面站、用戶接收機(jī)的時(shí)間必須同步才能精準(zhǔn)推算出距離，導(dǎo)航衛(wèi)星軌道位置也要被精確測(cè)算。

星載原子鐘是時(shí)空基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的重要設(shè)備，能提供極其穩(wěn)定的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)，但精度要求極高，制造難度非常大，曾是北斗的“卡脖子”技術(shù)，2007年，國(guó)內(nèi)研制出國(guó)產(chǎn)原子鐘。

袁洪等人在相關(guān)研究中指出，中高軌星載原子鐘的功耗、尺寸、質(zhì)量和成本難以適用于低軌衛(wèi)星。如何依賴現(xiàn)有GNSS建立低軌衛(wèi)星的時(shí)空基準(zhǔn)，是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。

另外，頻率資源是人類發(fā)展空間業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，但國(guó)際電聯(lián)為衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)劃定的頻率范圍有限，現(xiàn)有導(dǎo)航頻段已十分擁擠?！跋噍^導(dǎo)航頻段，低軌通信業(yè)務(wù)擁有更豐富的頻率資源。”袁洪對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)，在低軌通信業(yè)務(wù)上疊加一些導(dǎo)航功能，讓導(dǎo)航占通信的一些“便宜”，可以變相解決導(dǎo)航頻率資源短缺的難題，這也是低軌導(dǎo)航發(fā)展的潛在出路。

“可以將低軌通信所占用的頻率理解為一列火車，每節(jié)車廂中裝載著不同用戶的通信業(yè)務(wù)。通信業(yè)務(wù)未完全占據(jù)的車廂空隙，穿插一些導(dǎo)航業(yè)務(wù)，即能實(shí)現(xiàn)一定的導(dǎo)航服務(wù)功能。”袁洪解釋說(shuō)，低軌導(dǎo)航占用通信的頻率資源，并不一定會(huì)明顯影響通信業(yè)務(wù)的質(zhì)量。

如何采用導(dǎo)航頻率資源，袁洪介紹，一種方法是，低軌導(dǎo)航系統(tǒng)在既有GNSS信號(hào)的頻率發(fā)播導(dǎo)航信號(hào)，但這會(huì)存在干擾現(xiàn)有中高軌GNSS信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)；另一種方法，選擇與現(xiàn)有GNSS信號(hào)相鄰的頻段，用戶終端天線和射頻稍加改造，即能適應(yīng)低軌導(dǎo)航信號(hào)接收。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)后一路線已有針對(duì)性考慮。

有專家認(rèn)為，采用低軌導(dǎo)航增強(qiáng)，會(huì)與現(xiàn)有技術(shù)激烈競(jìng)爭(zhēng)。中國(guó)工程院院士、國(guó)家衛(wèi)星定位系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主任劉經(jīng)南曾表示，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)是未來(lái)中國(guó)北斗的發(fā)展方向，但同時(shí)，不能忽視現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，必須有高、中軌導(dǎo)航衛(wèi)星及地基增強(qiáng)系統(tǒng)的支持，才能保證更好的定位精度以及穩(wěn)定性。

李德仁提到，針對(duì)現(xiàn)有GNSS的不足，各國(guó)都在研究應(yīng)對(duì)方案。一種途徑是對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)；另一種，即不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位，而是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等傳感器定位，組成空天地一體化的智能服務(wù)系統(tǒng)。

低軌衛(wèi)星并非新概念，但因制造與發(fā)射成本長(zhǎng)期居高不下，一直未有發(fā)展。

1963年，美國(guó)海軍研制的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——子午衛(wèi)星系統(tǒng)，便是在約1100公里高度的低軌運(yùn)行，但數(shù)量?jī)H有5～10顆，精確定位耗時(shí)長(zhǎng)，精度受限。1970年代，美國(guó)和蘇聯(lián)轉(zhuǎn)而選擇中軌道衛(wèi)星，用更少衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)快速定位，才有了GPS和格洛納斯系統(tǒng)。

1998年，低軌衛(wèi)星再一次受到關(guān)注。1991年，摩托羅拉成立了子公司銥星，開(kāi)展“銥星計(jì)劃”，由66個(gè)低軌衛(wèi)星提供地面通信服務(wù)。1998年，“銥星計(jì)劃”正式運(yùn)行，但因設(shè)備和通信價(jià)格昂貴，在與2G的競(jìng)爭(zhēng)中敗北。2000年后，銥星公司先后經(jīng)歷破產(chǎn)、被收購(gòu)又“滿血復(fù)活”，之后長(zhǎng)期服務(wù)美國(guó)軍方，慢慢淡出大眾視野。

直到2015年，SpaceX首席執(zhí)行官伊隆·馬斯克宣布推出“星鏈計(jì)劃”，發(fā)射低軌衛(wèi)星星座，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。此后，低軌衛(wèi)星制造技術(shù)、一箭多星發(fā)射技術(shù)、火箭回收技術(shù)等快速進(jìn)步，使低軌衛(wèi)星建設(shè)成本大幅下降，由“奢侈品”變?yōu)槠絻r(jià)“消費(fèi)品”。

袁洪稱，如今制造和發(fā)射低軌衛(wèi)星，單星成本低至百萬(wàn)美元量級(jí)。此外，低軌導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航載荷借鑒了中高軌的成熟技術(shù)，進(jìn)一步降低了建設(shè)門檻。

2016年，銥星公司演示了基于衛(wèi)星授時(shí)與定位的導(dǎo)航服務(wù)技術(shù)，證明低軌衛(wèi)星可作為GPS的替代方案，引發(fā)全球關(guān)注。

袁洪記得，這一年前后，國(guó)內(nèi)開(kāi)始論證，PNT體系下納入低軌衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的可能性。2018年，袁洪所在的中科院空天信息創(chuàng)新研究院團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)研發(fā)國(guó)內(nèi)首個(gè)低軌衛(wèi)星的北斗信號(hào)增強(qiáng)試驗(yàn)。同年，武漢大學(xué)發(fā)射“珞珈一號(hào)”，中國(guó)航天科工集團(tuán)和航天科技集團(tuán)先后發(fā)射“虹云工程”和“鴻雁”低軌試驗(yàn)衛(wèi)星。此后，國(guó)內(nèi)相關(guān)國(guó)企、商業(yè)航天公司，陸續(xù)推出低軌導(dǎo)航星座規(guī)劃。2021年，國(guó)資委出資成立中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“星網(wǎng)集團(tuán)”），也將低軌導(dǎo)航作為重要業(yè)務(wù)方向。

2019年，美國(guó)完成新一代銥星系統(tǒng)發(fā)射部署。通信業(yè)務(wù)外，銥星系統(tǒng)可輔助GPS實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和峽谷地區(qū)的定位導(dǎo)航。歐洲航天局在對(duì)低軌導(dǎo)航衛(wèi)星概念研究多年后，近期也宣布進(jìn)一步開(kāi)展在軌演示，補(bǔ)充伽利略系統(tǒng)。

低軌衛(wèi)星的發(fā)展，也使得軌道資源越發(fā)擁擠，并將面對(duì)不斷提升的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

低地球軌道正進(jìn)行一場(chǎng)激烈的太空“圈地運(yùn)動(dòng)”。SpaceX已在低軌發(fā)射了3000多顆衛(wèi)星，馬斯克的野心是未來(lái)共發(fā)射4.2萬(wàn)顆。此外，競(jìng)爭(zhēng)者中還有OneWeb、亞馬遜、波音、銀河航天等多個(gè)“玩家”。星網(wǎng)集團(tuán)也計(jì)劃未來(lái)將發(fā)射12900余顆衛(wèi)星。

“原來(lái)的衛(wèi)星發(fā)射軌道高度高，設(shè)計(jì)得更精密，壽命也更長(zhǎng)。而像‘星鏈’的衛(wèi)星，三五年就可能會(huì)淘汰。如果低軌有幾萬(wàn)顆衛(wèi)星，未來(lái)可能會(huì)有更多衛(wèi)星失效，不受控后帶來(lái)安全隱患?！敝袊?guó)政法大學(xué)航空與空間法研究中心研究員孔得建對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

“如果兩顆衛(wèi)星發(fā)生撞擊，造成衛(wèi)星解體，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)碎片，碎片又將進(jìn)一步增加碰撞風(fēng)險(xiǎn)。最終，近地軌道會(huì)被碎片充滿，所有低軌系統(tǒng)不再有安全運(yùn)行的空間?！痹楸硎?。

英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)空間項(xiàng)目經(jīng)理盧辛達(dá)·金接受BBC采訪時(shí)也提到，如果碎片太多，“我們也可能無(wú)法穿過(guò)近地軌道，進(jìn)入導(dǎo)航衛(wèi)星和電信衛(wèi)星所在的更高處的軌道?！?/p>

孔得建介紹，目前國(guó)際上對(duì)于低軌衛(wèi)星空間交通管理，出臺(tái)了一些管理規(guī)定、監(jiān)管指南等，但都不具備法律效力。2017年，美、俄、日、歐、中等11國(guó)航天部門組成的機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)，起草了《對(duì)低軌巨型星座的聲明》，在低軌星座部署高度、高度間隔、在軌年限、衛(wèi)星數(shù)量等方面提出建議，比如部署在500公里高度時(shí)，對(duì)空間碎片環(huán)境的影響最小等。這對(duì)于各國(guó)規(guī)范低軌星座的部署和運(yùn)行有指導(dǎo)意義。當(dāng)前，美國(guó)、中國(guó)等都已頒布相關(guān)管理措施。

“目前發(fā)展低軌導(dǎo)航，關(guān)鍵是如何以更低成本，達(dá)成更好的服務(wù)性能。最終得到能夠落實(shí)的解決方案，技術(shù)上不見(jiàn)得是‘最優(yōu)的’，但一定是得到各方認(rèn)可的方案?！痹閷?duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

2021年10月17日，在貴州貴陽(yáng)市舉辦的2021全國(guó)科普日“中國(guó)飛天夢(mèng)”中國(guó)航天科普巡展上，人們參觀“北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”模型。圖/中新