北斗考虑纳入低轨卫星导航能不再“迷路”吗？

♀OVE↘摑儞 · 发表于 2022-12-26 10:55:41

　　选择哪种技术路线，需慎重考量
　　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。
2021年10月17日，在贵州贵阳市举办的2021全国科普日“中国飞天梦”中国航天科普巡展上，人们参观“北斗三号全球卫星导航系统”模型。图/中新
　　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。
　　发于2022.12.26总第1074期《中国新闻周刊》杂志
　　杂志标题：北斗考虑纳入低轨卫星，导航能否不再“迷路”？
　　记者：杨智杰

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责任编辑：张迪

ove兲使哋寶赑 · 发表于 2022-12-26 11:01:43

抓紧考虑，再不落实，低轨就让马斯克他们占满了

BLOG宣传大使 · 发表于 2022-12-26 11:07:59

做一套卫星回收装置，把星链给它回收了

一般小丑鱼 · 发表于 2022-12-26 11:13:42

现在低轨道有点像马路上乱停乱放一样，如果不制定一套共同遵守的国际规则，而是谁想占谁就占，卫星报废了也不管，很快人类就会被这些不负责的国家制造的太空垃圾堵死在地球上。

_不良法师_ · 发表于 2022-12-26 11:19:55

赶快实施！

_不良法师_ · 发表于 2022-12-26 11:26:27

像重庆那样容易迷路的地方全国没听说有几处，就不能考虑在易迷路的地方开发一个能导航的装置树在路边用以导航。那成本不是很低吗？这是不是很难啊？我不懂，瞎说。

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