北斗考虑纳入低轨卫星，导航能否不再“迷路”？
中国新闻周刊记者/杨智杰
发于2022.12.26总第1074期《中国新闻周刊》杂志
打开手机GPS，开阔环境下，导航定位的精度可达到4.9米。中国最新一代的导航系统北斗三号全球定位精度优于4.4米。但任何一个定位系统都不是万能的，比如，现有导航系统仍会在立交桥等复杂路况下“迷路”。
近日在《新时代的中国北斗》白皮书发布会上，中国卫星导航系统管理办公室称，2035年前，中国将建成新一代北斗系统，其中考虑纳入低轨卫星，通过高中低轨的星座融合，提供一张覆盖全球的高精度时空网。
根据轨道高度不同，人造卫星分为距地面高度3.6万公里的高轨道地球同步卫星、2000~3.6万公里的中轨道卫星，以及500~2000公里的低轨卫星。相较中高轨卫星，低轨卫星体积小，数量更多，组成的卫星星座成本低、抗毁性强，还可以补充和增强现有的全球卫星导航系统(以下简称“GNSS”)。
卫星可用于导航、通信、遥感等服务。过去几年，以SpaceX、OneWeb为代表的商业航天公司入局，带动低轨通信卫星加速发展。如今，低轨卫星与导航结合，也开始成为世界各国导航公司、航天局竞逐的赛道。
低轨导航何以受追捧？
目前，美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、中国的北斗、欧洲的伽利略等GNSS，全都聚集在中高轨。
在中国科学院空天信息创新研究院研究员袁洪看来，低轨导航卫星受到追捧的重要原因，是不断提升卫星导航定位精度的惯性需求。“回看卫星导航技术发展史，其精度从最早的百米级提升到米级，现在可以达到实时分米级。随着近年来低轨卫星制造和发射成本的大幅降低，人们会想，是否可以使导航卫星的定位精度达到更细微的厘米级。”他说。
卫星定位有三个指标，即速度、精度、完好性。现有GNSS并不完美，因卫星高度距离地面超过2万公里，信号传输至地面会减弱不少，假如遇到遮挡，定位时效也会变慢，而且，GNSS无法实现室内和水下定位。
“低轨卫星如果能播发独立的测距信号，就具备了独立定位导航能力，对GNSS是有益补充。”武汉大学国际卫星导航服务组织(IGS)分析中心副所长李敏对《中国新闻周刊》说。
卫星导航系统包含三部分：导航卫星、地面站和用户终端。不同于GPS的地面站遍布全球，中国北斗系统的地面站大多建在国内，需要通过星间链路实现全球观测与运行。多位受访者提到，低轨卫星能覆盖全球，可以作为空中监测站，提升北斗的全球服务性能 。北斗系统是中国自主研发的卫星导航系统，北斗三号系统2020年7月正式建成开通，并向全球提供服务。
一般来说，至少要4颗卫星的信号才能确定位置坐标。低轨卫星离地面更近，要覆盖全球信号，所需卫星数量远超于中高轨。卫星数量越多，定位越精准。
如果要进一步提升卫星导航定位的精准度，就要运用导航增强技术。现有导航增强技术分为两种：星基增强和地基增强。地基增强，即在地面修建基准站，辅助修正卫星信号误差，需要密集布设，而且，难以覆盖海面、沙漠等区域。据不完全统计，美国不同部门围绕卫星导航共建超过2000个基准站，北斗在国内也有2000多个地基增强系统。
低轨导航增强是星基增强的一种方式。“传统的地基增强，没有增加信号源，只是增强了信息处理信号。低轨导航增强能增加信号源，提高定位精准度，在一些山区火灾等救援场景中可发挥作用。”中国科学院院士、中国工程院院士、测绘遥感专家李德仁向《中国新闻周刊》介绍说。
武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任陈锐志介绍说，“如果低轨卫星信号发射功率增强一些，在体育馆、高铁站、机场等单层屋顶空间能穿透屋顶，就可以解决北斗系统的室内定位问题，这需要在现实中进一步验证。”
目前，GNSS使用的高精度单点定位技术，一般要花费20~30分钟，可以实现厘米级定位，如果采用低轨导航增强，仿真验证中，耗时约1分钟。
低轨导航更大优势不在于民用，而是应用于军事和物联网等场景。欧洲航天局低轨卫星PNT的研究负责人莱昂内尔·里斯曾感慨，导航卫星的成功应用，“激发了未来十年内更苛刻的市场需求”。如无人驾驶汽车、轮船或无人机，智慧城市、工业物联网等场景的出现，对卫星定位的需求正从目前的米级上升到厘米级，且需要在室内外都能随时获得可靠的信号。
PNT(positioning, navigation，and timing)，即定位、导航和授时，是人类获悉时空位置的关键技术。日常生活中的导航定位、校准时间，以及在国家安全等领域，PNT都发挥着重要作用。
2021年，美国智库兰德公司发布的《对更具弹性的国家PNT能力分析》的报告中提到，GPS系统正面临着多种威胁：针对太空系统的核战争、太阳风暴等极端天气、大规模网络入侵等，较小威胁包括对局部地区或部分城市GPS信号的干扰等。
袁洪对《中国新闻周刊》说，假如GNSS在战争等特殊时期被摧毁，低轨卫星是唯一普适性的替代手段。低轨卫星建设和发射成本远低于中高轨卫星，即便部分被摧毁，也能快速补网发射，“从这一角度讲，打造低轨导航卫星，是非常必要的”。
新旧技术的复杂博弈
在《新时代的中国北斗》白皮书发布会上，北斗卫星导航系统新闻发言人表示，构建高中低轨的导航星座，“技术上进行了很好论证，方案也是完善的”。
据袁洪了解，经过长期研讨和论证，低轨卫星导航一定会纳入到国家层面的导航定位服务体系中来。但未来低轨卫星导航到底采用什么样的服务模式、选择哪种技术路线，要慎重考量。
低轨导航系统的技术，与中高轨有诸多差异。以时空基准为例，这是卫星导航系统的核心技术，卫星定位时，卫星、地面站、用户接收机的时间必须同步才能精准推算出距离，导航卫星轨道位置也要被精确测算。
星载原子钟是时空基准设计的重要设备，能提供极其稳定的时间频率基准信号，但精度要求极高，制造难度非常大，曾是北斗的“卡脖子”技术，2007年，国内研制出国产原子钟。
袁洪等人在相关研究中指出，中高轨星载原子钟的功耗、尺寸、质量和成本难以适用于低轨卫星。如何依赖现有GNSS建立低轨卫星的时空基准，是业内研究的热点。
另外，频率资源是人类发展空间业务的基础，但国际电联为卫星导航业务划定的频率范围有限，现有导航频段已十分拥挤。“相较导航频段，低轨通信业务拥有更丰富的频率资源。”袁洪对《中国新闻周刊》说，在低轨通信业务上叠加一些导航功能，让导航占通信的一些“便宜”，可以变相解决导航频率资源短缺的难题，这也是低轨导航发展的潜在出路。
“可以将低轨通信所占用的频率理解为一列火车，每节车厢中装载着不同用户的通信业务。通信业务未完全占据的车厢空隙，穿插一些导航业务，即能实现一定的导航服务功能。”袁洪解释说，低轨导航占用通信的频率资源，并不一定会明显影响通信业务的质量。
如何采用导航频率资源，袁洪介绍，一种方法是，低轨导航系统在既有GNSS信号的频率发播导航信号，但这会存在干扰现有中高轨GNSS信号的风险；另一种方法，选择与现有GNSS信号相邻的频段，用户终端天线和射频稍加改造，即能适应低轨导航信号接收。目前，国内相关单位对后一路线已有针对性考虑。
有专家认为，采用低轨导航增强，会与现有技术激烈竞争。中国工程院院士、国家卫星定位系统工程技术研究中心主任刘经南曾表示，低轨卫星系统是未来中国北斗的发展方向，但同时，不能忽视现有基础设施的建设。低轨卫星系统，必须有高、中轨导航卫星及地基增强系统的支持，才能保证更好的定位精度以及稳定性。
李德仁提到，针对现有GNSS的不足，各国都在研究应对方案。一种途径是对卫星导航增强；另一种，即不依赖卫星导航系统定位，而是通过视觉、听觉等传感器定位，组成空天地一体化的智能服务系统。
新一轮的国际竞争
低轨卫星并非新概念，但因制造与发射成本长期居高不下，一直未有发展。
1963年，美国海军研制的第一代卫星导航系统——子午卫星系统，便是在约1100公里高度的低轨运行，但数量仅有5~10颗，精确定位耗时长，精度受限。1970年代，美国和苏联转而选择中轨道卫星，用更少卫星实现快速定位，才有了GPS和格洛纳斯系统。
1998年，低轨卫星再一次受到关注。1991年，摩托罗拉成立了子公司铱星，开展“铱星计划”，由66个低轨卫星提供地面通信服务。1998年，“铱星计划”正式运行，但因设备和通信价格昂贵，在与2G的竞争中败北。2000年后，铱星公司先后经历破产、被收购又“满血复活”，之后长期服务美国军方，慢慢淡出大众视野。
直到2015年，SpaceX首席执行官伊隆·马斯克宣布推出“星链计划”，发射低轨卫星星座，提供覆盖全球的高速互联网接入服务。此后，低轨卫星建设成本大幅下降，由“奢侈品”变为平价“消费品”。
袁洪称，如今制造和发射低轨卫星，单星成本低至百万美元量级。此外，低轨导航卫星的导航载荷借鉴了中高轨的成熟技术，进一步降低了建设门槛。
2016年，铱星公司演示了基于卫星授时与定位的导航服务技术，证明低轨卫星可作为GPS的替代方案，引发全球关注。
袁洪记得，这一年前后，国内开始论证，PNT体系下纳入低轨卫星导航服务的可能性。2018年，袁洪所在的中科院空天信息创新研究院团队，设计研发国内首个低轨卫星的北斗信号增强试验。同年，武汉大学发射“珞珈一号”，中国航天科工集团和航天科技集团先后发射“虹云工程”和“鸿雁”低轨试验卫星。此后，国内相关国企、商业航天公司，陆续推出低轨导航星座规划。2021年，国资委出资成立中国卫星网络集团有限公司(以下简称“星网集团”)，也将低轨导航作为重要业务方向。
2019年，美国完成新一代铱星系统发射部署。通信业务外，铱星系统可辅助GPS实现室内和峡谷地区的定位导航。欧洲航天局在对低轨导航卫星概念研究多年后，近期也宣布进一步开展在轨演示，补充伽利略系统。
低轨卫星的发展，也使得轨道资源越发拥挤，并将面对不断提升的碰撞风险。
低地球轨道正进行一场激烈的太空“圈地运动”。SpaceX已在低轨发射了3000多颗卫星，马斯克的野心是未来共发射4.2万颗。此外，竞争者中还有OneWeb、亚马逊、波音、银河航天等多个“玩家”。星网集团也计划未来将发射12900余颗卫星。
“原来的卫星发射轨道高度高，设计得更精密，寿命也更长。而像‘星链’的卫星，三五年就可能会淘汰。如果低轨有几万颗卫星，未来可能会有更多卫星失效，不受控后带来安全隐患。”中国政法大学航空与空间法研究中心研究员孔得建对《中国新闻周刊》说。
“如果两颗卫星发生撞击，造成卫星解体，会产生多个碎片，碎片又将进一步增加碰撞风险。最终，近地轨道会被碎片充满，所有低轨系统不再有安全运行的空间。”袁洪表示。
英国朴茨茅斯大学空间项目经理卢辛达·金接受BBC采访时也提到，如果碎片太多，“我们也可能无法穿过近地轨道，进入导航卫星和电信卫星所在的更高处的轨道。”
孔得建介绍，目前国际上对于低轨卫星空间交通管理，出台了一些管理规定、监管指南等，但都不具备法律效力。2017年，美、俄、日、欧、中等11国航天部门组成的机构间空间碎片协调委员会，起草了《对低轨巨型星座的声明》，在低轨星座部署高度、高度间隔、在轨年限、卫星数量等方面提出建议，比如部署在500公里高度时，对空间碎片环境的影响最小等。这对于各国规范低轨星座的部署和运行有指导意义。当前，美国、中国等都已颁布相关管理措施。
“目前发展低轨导航，关键是如何以更低成本，达成更好的服务性能。最终得到能够落实的解决方案，技术上不见得是‘最优的’，但一定是得到各方认可的方案。”袁洪对《中国新闻周刊》说。
《中国新闻周刊》2022年第48期
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