北斗考慮納入低軌衛星，導航能不再「迷路」嗎？
文/微信公眾號「中國新聞週刊」
打開手機GPS，開闊環境下，導航定位的精度可達到4.9米。中國最新一代的導航系統北斗三號全球定位精度優於4.4米。但任何一個定位系統都不是萬能的，比如，現有導航系統仍會在立交橋等複雜路況下「迷路」。
近日在《新時代的中國北斗》白皮書發佈會上，中國衛星導航系統管理辦公室稱，2035年前，中國將建成新一代北斗系統，其中考慮納入低軌衛星，通過高中低軌的星座融合，提供一張覆蓋全球的高精度時空網。
根據軌道高度不同，人造衛星分為距地面高度3.6萬公里的高軌道地球同步衛星、2000~3.6萬公里的中軌道衛星，以及500~2000公里的低軌衛星。相較中高軌衛星，低軌衛星體積小，數量更多，組成的衛星星座成本低、抗毀性強，還可以補充和增強現有的全球衛星導航系統（以下簡稱「GNSS」）。
衛星可用於導航、通信、遙感等服務。過去幾年，以SpaceX、OneWeb為代表的商業航太公司入局，帶動低軌通信衛星加速發展。如今，低軌衛星與導航結合，也開始成為世界各國導航公司、航天局競逐的賽道。
圖片2021年10月17日，在貴州貴陽市舉辦的2021全國科普日「中國飛天夢」中國航太科普巡展上，人們參觀「北斗三號全球衛星導航系統」模型。圖/中新
低軌導航何以受追捧？
目前，美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、中國的北斗、歐洲的伽利略等GNSS，全都聚集在中高軌。
在中國科學院空天資訊創新研究院研究員袁洪看來，低軌導航衛星受到追捧的重要原因，是不斷提升衛星導航定位精度的慣性需求。「回看衛星導航技術發展史，其精度從最早的百米級提升到米級，現在可以達到即時分米級。隨著近年來低軌衛星製造和發射成本的大幅降低，人們會想，是否可以使導航衛星的定位精度達到更細微的釐米級。」他說。
衛星定位有三個指標，即速度、精度、完好性。現有GNSS並不完美，因衛星高度距離地面超過2萬公里，信號傳輸至地面會減弱不少，假如遇到遮擋，定位時效也會變慢，而且，GNSS無法實現室內和水下定位。
「低軌衛星如果能播發獨立的測距信號，就具備了獨立定位導航能力，對GNSS是有益補充。」武漢大學國際衛星導航服務組織（IGS）分析中心副所長李敏對《中國新聞週刊》說。
衛星導航系統包含三部分：導航衛星、地面站和使用者終端。不同於GPS的地面站遍佈全球，中國北斗系統的地面站大多建在國內，需要通過星間鏈路實現全球觀測與運行。多位受訪者提到，低軌衛星能覆蓋全球，可以作為空中監測站，提升北斗的全球服務性能 。北斗系統是中國自主研發的衛星導航系統，北斗三號系統2020年7月正式建成開通，並向全球提供服務。
一般來說，至少要4顆衛星的信號才能確定位置座標。低軌衛星離地面更近，要覆蓋全球信號，所需衛星數量遠超于中高軌。衛星數量越多，定位越精准。
如果要進一步提升衛星導航定位的精准度，就要運用導航增強技術。現有導航增強技術分為兩種：星基增強和地基增強。地基增強，即在地面修建基準站，輔助修正衛星信號誤差，需要密集佈設，而且，難以覆蓋海面、沙漠等區域。據不完全統計，美國不同部門圍繞衛星導航共建超過2000個基準站，北斗在國內也有2000多個地基增強系統。
低軌導航增強是星基增強的一種方式。「傳統的地基增強，沒有增加信號源，只是增強了資訊處理信號。低軌導航增強能增加信號源，提高定位精准度，在一些山區火災等救援場景中可發揮作用。」中國科學院院士、中國工程院院士、測繪遙感專家李德仁向《中國新聞週刊》介紹說。
武漢大學測繪遙感資訊工程國家重點實驗室主任陳銳志介紹說，「如果低軌衛星信號發射功率增強一些，在體育館、高鐵站、機場等單層屋頂空間能穿透屋頂，就可以解決北斗系統的室內定位問題，這需要在現實中進一步驗證。」
目前，GNSS使用的高精度單點定位技術，一般要花費20~30分鐘，可以實現釐米級定位，如果採用低軌導航增強，模擬驗證中，耗時約1分鐘。
低軌導航更大優勢不在於民用，而是應用於軍事和物聯網等場景。歐洲航天局低軌衛星PNT的研究負責人萊昂內爾·裡斯曾感慨，導航衛星的成功應用，「激發了未來十年內更苛刻的市場需求」。如無人駕駛汽車、輪船或無人機，智慧城市、工業物聯網等場景的出現，對衛星定位的需求正從目前的米級上升到釐米級，且需要在室內外都能隨時獲得可靠的信號。
PNT（positioning, navigation，and timing），即定位、導航和授時，是人類獲悉時空位置的關鍵技術。日常生活中的導航定位、校準時間，以及在國家安全等領域，PNT都發揮著重要作用。
2021年，美國智庫蘭德公司發佈的《對更具彈性的國家PNT能力分析》的報告中提到，GPS系統正面臨著多種威脅：針對太空系統的核戰爭、太陽風暴等極端天氣、大規模網路入侵等，較小威脅包括對局部地區或部分城市GPS信號的干擾等。
袁洪對《中國新聞週刊》說，假如GNSS在戰爭等特殊時期被摧毀，低軌衛星是唯一普適性的替代手段。低軌衛星建設和發射成本遠低於中高軌衛星，即便部分被摧毀，也能快速補網發射，「從這一角度講，打造低軌導航衛星，是非常必要的」。
新舊技術的複雜博弈
在《新時代的中國北斗》白皮書發佈會上，北斗衛星導航系統新聞發言人表示，構建高中低軌的導航星座，「技術上進行了很好論證，方案也是完善的」。
據袁洪瞭解，經過長期研討和論證，低軌衛星導航一定會納入到國家層面的導航定位服務體系中來。但未來低軌衛星導航到底採用什麼樣的服務模式、選擇哪種技術路線，要慎重考量。
低軌導航系統的技術，與中高軌有諸多差異。以時空基準為例，這是衛星導航系統的核心技術，衛星定位時，衛星、地面站、用戶接收機的時間必須同步才能精准推算出距離，導航衛星軌道位置也要被精確測算。
星載原子鐘是時空基準設計的重要設備，能提供極其穩定的時間頻率基準信號，但精度要求極高，製造難度非常大，曾是北斗的「卡脖子」技術，2007年，國內研製出國產原子鐘。
袁洪等人在相關研究中指出，中高軌星載原子鐘的功耗、尺寸、品質和成本難以適用于低軌衛星。如何依賴現有GNSS建立低軌衛星的時空基準，是業內研究的熱點。
另外，頻率資源是人類發展空間業務的基礎，但國際電聯為衛星導航業務劃定的頻率範圍有限，現有導航頻段已十分擁擠。「相較導航頻段，低軌通信業務擁有更豐富的頻率資源。」袁洪對《中國新聞週刊》說，在低軌通信業務上疊加一些導航功能，讓導航占通信的一些「便宜」，可以變相解決導航頻率資源短缺的難題，這也是低軌導航發展的潛在出路。
「可以將低軌通信所佔用的頻率理解為一列火車，每節車廂中裝載著不同用戶的通信業務。通信業務未完全佔據的車廂空隙，穿插一些導航業務，即能實現一定的導航服務功能。」袁洪解釋說，低軌導航佔用通信的頻率資源，並不一定會明顯影響通信業務的品質。
如何採用導航頻率資源，袁洪介紹，一種方法是，低軌導航系統在既有GNSS信號的頻率發播導航信號，但這會存在干擾現有中高軌GNSS信號的風險；另一種方法，選擇與現有GNSS信號相鄰的頻段，使用者終端天線和射頻稍加改造，即能適應低軌導航信號接收。目前，國內相關單位對後一路線已有針對性考慮。
有專家認為，採用低軌導航增強，會與現有技術激烈競爭。中國工程院院士、國家衛星定位系統工程技術研究中心主任劉經南曾表示，低軌衛星系統是未來中國北斗的發展方向，但同時，不能忽視現有基礎設施的建設。低軌衛星系統，必須有高、中軌導航衛星及地基增強系統的支援，才能保證更好的定位精度以及穩定性。
李德仁提到，針對現有GNSS的不足，各國都在研究應對方案。一種途徑是對衛星導航增強；另一種，即不依賴衛星導航系統定位，而是通過視覺、聽覺等感測器定位，組成空天地一體化的智慧服務系統。
新一輪的國際競爭
低軌衛星並非新概念，但因製造與發射成本長期居高不下，一直未有發展。
1963年，美國海軍研製的第一代衛星導航系統——子午衛星系統，便是在約1100公里高度的低軌運行，但數量僅有5~10顆，精確定位耗時長，精度受限。1970年代，美國和蘇聯轉而選擇中軌道衛星，用更少衛星實現快速定位，才有了GPS和格洛納斯系統。
1998年，低軌衛星再一次受到關注。1991年，摩托羅拉成立了子公司銥星，開展「銥星計畫」，由66個低軌衛星提供地面通信服務。1998年，「銥星計畫」正式運行，但因設備和通信價格昂貴，在與2G的競爭中敗北。2000年後，銥星公司先後經歷破產、被收購又「滿血復活」，之後長期服務美國軍方，慢慢淡出大眾視野。
直到2015年，SpaceX首席執行官伊隆·馬斯克宣佈推出「星鏈計畫」，發射低軌衛星星座，提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。此後，低軌衛星建設成本大幅下降，由「奢侈品」變為平價「消費品」。
袁洪稱，如今製造和發射低軌衛星，單星成本低至百萬美元量級。此外，低軌導航衛星的導航載荷借鑒了中高軌的成熟技術，進一步降低了建設門檻。
2016年，銥星公司演示了基於衛星授時與定位的導航服務技術，證明低軌衛星可作為GPS的替代方案，引發全球關注。
袁洪記得，這一年前後，國內開始論證，PNT體系下納入低軌衛星導航服務的可能性。2018年，袁洪所在的中科院空天資訊創新研究院團隊，設計研發國內首個低軌衛星的北斗信號增強試驗。同年，武漢大學發射「珞珈一號」，中國航太科工集團和航太科技集團先後發射「虹雲工程」和「鴻雁」低軌試驗衛星。此後，國內相關國企、商業航太公司，陸續推出低軌導航星座規劃。2021年，國資委出資成立中國衛星網路集團有限公司（以下簡稱「星網集團」），也將低軌導航作為重要業務方向。
2019年，美國完成新一代銥星系統發射部署。通信業務外，銥星系統可輔助GPS實現室內和峽谷地區的定位導航。歐洲航天局在對低軌導航衛星概念研究多年後，近期也宣佈進一步開展在軌演示，補充伽利略系統。
低軌衛星的發展，也使得軌道資源越發擁擠，並將面對不斷提升的碰撞風險。
低地球軌道正進行一場激烈的太空「圈地運動」。SpaceX已在低軌發射了3000多顆衛星，馬斯克的野心是未來共發射4.2萬顆。此外，競爭者中還有OneWeb、亞馬遜、波音、銀河航太等多個「玩家」。星網集團也計畫未來將發射12900余顆衛星。
「原來的衛星發射軌道高度高，設計得更精密，壽命也更長。而像‘星鏈’的衛星，三五年就可能會淘汰。如果低軌有幾萬顆衛星，未來可能會有更多衛星失效，不受控後帶來安全隱患。」中國政法大學航空與空間法研究中心研究員孔得建對《中國新聞週刊》說。
「如果兩顆衛星發生撞擊，造成衛星解體，會產生多個碎片，碎片又將進一步增加碰撞風險。最終，近地軌道會被碎片充滿，所有低軌系統不再有安全運行的空間。」袁洪表示。
英國朴茨茅斯大學空間專案經理盧辛達·金接受BBC採訪時也提到，如果碎片太多，「我們也可能無法穿過近地軌道，進入導航衛星和電信衛星所在的更高處的軌道。」
孔得建介紹，目前國際上對於低軌衛星空間交通管理，出臺了一些管理規定、監管指南等，但都不具備法律效力。2017年，美、俄、日、歐、中等11國航天部門組成的機構間空間碎片協調委員會，起草了《對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、衛星數量等方面提出建議，比如部署在500公里高度時，對空間碎片環境的影響最小等。這對於各國規範低軌星座的部署和運行有指導意義。當前，美國、中國等都已頒佈相關管理措施。
「目前發展低軌導航，關鍵是如何以更低成本，達成更好的服務性能。最終得到能夠落實的解決方案，技術上不見得是‘最優的’，但一定是得到各方認可的方案。」袁洪對《中國新聞週刊》說。
