Peter Weiss

隨著2020年6月一顆衛(wèi)星的成功發(fā)射（圖1），中國(guó)完成了過(guò)去20年一直開展的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“北斗”系統(tǒng)）的研制[1]。在“北斗”系統(tǒng)全面運(yùn)行期間，歐盟的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)——“伽利略”系統(tǒng)在過(guò)去10年快速發(fā)展。到2020年年底，“伽利略”系統(tǒng)已有22顆運(yùn)行衛(wèi)星（圖 2）。與此同時(shí)，俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)——“格洛納斯”系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)?！案衤寮{斯”系統(tǒng)在2002年縮減到只有7顆衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在過(guò)去8年中實(shí)現(xiàn)了全面運(yùn)行[2]。在20多年之后，如今，在大部分情況下，只有美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）的24～31顆衛(wèi)星為用戶提供全球的位置和時(shí)間信號(hào)，這些系統(tǒng)的更新和升級(jí)極大地提高了導(dǎo)航衛(wèi)星對(duì)地球的區(qū)域覆蓋精度（幾乎達(dá)到了每平方米級(jí)）。

圖1. 經(jīng)過(guò)過(guò)去20多年的大規(guī)模擴(kuò)張，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)星座規(guī)模增加了大約4倍，其導(dǎo)航定位能力和服務(wù)也得到了改善。衛(wèi)星數(shù)量和性能的飛躍，大多要?dú)w功于中國(guó)和歐盟自21世紀(jì)初以來(lái)數(shù)百億美元的投資和偉大的航天器設(shè)計(jì)、建造和發(fā)射計(jì)劃以及廣泛的航空航天基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2020年6月23日，中國(guó)第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，此次發(fā)射將北斗導(dǎo)航衛(wèi)星射入距地球上空約36 000 km的地球靜止軌道。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的成功發(fā)射使該系統(tǒng)的運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量增加到45顆，其中的30顆組成了全面運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航星座。來(lái)源：China Satellite Navigation Office（公開）。

由4個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)[3]組成的多星座為全球數(shù)十億人、機(jī)器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)提供位置和時(shí)間信號(hào)，導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量增加了300%以上，目前達(dá)到了約125顆，預(yù)計(jì)還會(huì)有更多的衛(wèi)星。Bradford Parkinson說(shuō)：“因此，以前某一個(gè)用戶在開放領(lǐng)空下只能接收來(lái)自大約8顆GPS衛(wèi)星的傳播信號(hào)，而現(xiàn)在則可以獲得大約30顆衛(wèi)星的混合傳輸信號(hào)，在某些地方甚至超過(guò)了50顆?！弊鳛槊绹?guó)空軍上校，Bradford Parkinson在20世紀(jì)70年代擔(dān)任了GPS開發(fā)和測(cè)試的首席設(shè)計(jì)師和負(fù)責(zé)人，并在說(shuō)服美國(guó)軍方資助該系統(tǒng)全面部署的過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用 [4,5]。

通常情況下，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)同時(shí)接入的衛(wèi)星信號(hào)越多，位置測(cè)量的精度就越高。然而，當(dāng)采集的傳輸次數(shù)超過(guò)8～10次時(shí)，每采集一次信號(hào)，精度提高得就越少?？偟膩?lái)說(shuō)，可用衛(wèi)星數(shù)量增多能夠增加位置測(cè)量精度。由于有更多的衛(wèi)星可供選擇，接收機(jī)就可以選擇性能最佳、幾何分布最好的航天器，從而獲得更精確的讀數(shù)。加拿大卡爾加里大學(xué)地理信息工程學(xué)教授Yang Gao說(shuō)：“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)多星座帶來(lái)了更多的衛(wèi)星和更多的信號(hào)，它們可提高測(cè)量精度，但這還不是最重要的改變。最重要的改變是用戶端能夠利用更多的測(cè)量結(jié)果提高數(shù)據(jù)的可靠度?！?/p>

圖2. 圖中描繪了歐盟“伽利略”導(dǎo)航衛(wèi)星星座中的一個(gè)太陽(yáng)能動(dòng)力航天器。該航天器在中地軌道上以略超過(guò)23 200 km的高度繞地球一圈。該航天器的主天線（在飛行器的前部中心鑲嵌金塊的圓盤）不斷地向地球廣播時(shí)間和定位無(wú)線電信號(hào)，為全球數(shù)十億人、智能手機(jī)和其他設(shè)備以及航空、測(cè)量、農(nóng)業(yè)、運(yùn)輸?shù)纫幌盗行袠I(yè)的網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)。“伽利略”系統(tǒng)即將完成任務(wù)，將在2021—2022年再次發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)30顆衛(wèi)星的全面運(yùn)行，其中包括6顆備用衛(wèi)星。GSA：European GNSS Agency。來(lái)源：?GSA，經(jīng)許可。

雖然在有多顆衛(wèi)星的情況下，一輛大型半掛卡車可能會(huì)短時(shí)降低附近汽車星基定位的完備性，但衛(wèi)星數(shù)量的增加仍然可以提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的整體性能。更多的衛(wèi)星能夠讓路過(guò)的卡車在關(guān)鍵時(shí)刻留下足夠的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。美國(guó)加利福尼亞州斯坦福大學(xué)航空航天工程學(xué)教授Parkinson（現(xiàn)為名譽(yù)教授）為衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)做出了很多開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，他指出，需要避免一些情況的發(fā)生才能解決信號(hào)接收或精度的問(wèn)題，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)欺騙或干擾[6]。可用衛(wèi)星數(shù)量增加（特別是當(dāng)它們?cè)诓煌娜驅(qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)中工作時(shí)），極大地減少了位置測(cè)量受阻或在不知情的情況下接收錯(cuò)誤位置的概率。

Parkinson說(shuō)：“你可以把其他星座看作是潛在的‘黑天鵝’（black swan）殺手。”Parkinson所說(shuō)的是一個(gè)廣泛使用的比喻，即極不可能發(fā)生的故障。但這種故障會(huì)發(fā)生在系統(tǒng)上，因?yàn)榧词惯@些系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和建造時(shí)已經(jīng)過(guò)了全面且系統(tǒng)地故障安全操作，其也會(huì)不可避免地遭遇這些故障[7]。例如，在借助多星座的衛(wèi)星多樣性和高可用性保護(hù)系統(tǒng)位置和定時(shí)解決方案的完整性的各種方法中，有一種方法叫做接收機(jī)自主完整性監(jiān)測(cè)技術(shù)[8]。在這一技術(shù)中，如果有6顆以上的衛(wèi)星可用，那么用戶的全范圍全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)就可以通過(guò)實(shí)時(shí)交叉比較，從可用信號(hào)中計(jì)算位置解，并剔除因?yàn)閿?shù)據(jù)缺陷而產(chǎn)生的異常解，以此應(yīng)對(duì)干擾和衛(wèi)星或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)故障的發(fā)生。

除了航天器的數(shù)量，建造和運(yùn)行4個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)時(shí)的功能和性能標(biāo)準(zhǔn)共享也增強(qiáng)了互用性[9]。此外，各種最新的技術(shù)進(jìn)步，如“伽利略”和“北斗”衛(wèi)星使用的空間級(jí)、高度穩(wěn)定的被動(dòng)型氫原子鐘，也有助于提高授時(shí)的一致性和準(zhǔn)確性[10,11]。負(fù)責(zé)管理“伽利略”系統(tǒng)項(xiàng)目的歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理局（GSA）主管、航空航天工程師Guerric Pont表示，這些性能的完善既鞏固了互用性的基礎(chǔ)，也有助于實(shí)現(xiàn)單個(gè)和多個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的新功能或擴(kuò)展功能。例如，無(wú)論是“北斗”系統(tǒng)還是“伽利略”系統(tǒng)，其速度都得到了提升，可精確地確定船舶碰撞或其他事故產(chǎn)生的求救信號(hào)的來(lái)源，從而在全球范圍內(nèi)提供更好的衛(wèi)星輔助搜索和救援服務(wù)。2020年11月下旬，在旺代單人環(huán)球帆船賽比賽期間，印度洋上的巨浪將一艘裝有廣播求救信號(hào)信標(biāo)的法國(guó)賽艇劈成了兩半。Pont說(shuō)，警報(bào)傳到了三個(gè)“伽利略”航天器上，這些航天器幾乎都配備了用于檢測(cè)和處理此類警報(bào)的電子設(shè)備和天線。他說(shuō)：“從發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)，再到第一次定位，大約只用了兩分鐘。三分鐘后，通知就傳到了救援中心?！边@兩個(gè)系統(tǒng)還可以發(fā)送簡(jiǎn)短的回傳信號(hào)，確認(rèn)收到求救信號(hào)并提醒發(fā)送者：救援人員已經(jīng)接到通知，正在趕來(lái)[12,13]。

“北斗”和“伽利略”系統(tǒng)采用的其他先進(jìn)技術(shù)也提高了系統(tǒng)的定位性能。Pont指出，“伽利略”系統(tǒng)的地面站網(wǎng)絡(luò)仍在不斷擴(kuò)大，每80 min向其衛(wèi)星傳輸一次新的測(cè)量數(shù)據(jù)以測(cè)量其在太空中的精確位置。航天器位置的準(zhǔn)確性對(duì)于為用戶提供可靠的三維位置坐標(biāo)及依賴這些精確位置和時(shí)間的輔助性全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)至關(guān)重要。相比之下，幾十年來(lái)，GPS依賴于精密的軌道預(yù)測(cè)模型，衛(wèi)星空間位置的更新往往要等待數(shù)小時(shí)之久 [5,14]。

“北斗”系統(tǒng)的工程師選擇了不同的策略，設(shè)計(jì)了一套衛(wèi)星星間測(cè)距和通信信號(hào)系統(tǒng)。通過(guò)星座航天器上的電子轉(zhuǎn)向天線，系統(tǒng)可以向衛(wèi)星陣列的一個(gè)成員傳送高度精確的觀測(cè)位置，然后提供一個(gè)參考，星座本身可根據(jù)該精確測(cè)量的數(shù)據(jù)更新衛(wèi)星陣列中其他成員的空間位置。這種獨(dú)有的、可調(diào)整的測(cè)量和通信系統(tǒng)，被稱為“星間鏈路”[15]，其可以提供一系列獨(dú)有的通信服務(wù)。例如，可利用“星間鏈路”在區(qū)域范圍內(nèi)和全球范圍內(nèi)，通過(guò)星座子集在特定的發(fā)送者和接收者之間傳輸信息 [13]。

多星座還采用了新的無(wú)線電頻率，并利用更豐富、更多樣的頻率來(lái)擴(kuò)大服務(wù)范圍和優(yōu)化衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。作為幾十年來(lái)唯一的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，GPS最初只在一個(gè)頻率（1575.42 MHz，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)1）上公開廣播位置和授時(shí)數(shù)據(jù)，主要用于民用；而補(bǔ)充的第二個(gè)頻率（1227.60 MHz，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)2），則只有美國(guó)軍方才能使用[14]。然而，Pont指出，“伽利略”系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)需要11個(gè)信號(hào)組件。一份關(guān)于“北斗”系統(tǒng)的白皮書顯示，該系統(tǒng)至少使用了5個(gè)獨(dú)立的民用頻率[16]。Parkinson說(shuō)，GPS和“格洛納斯”系統(tǒng)也紛紛效仿，最新的GPS衛(wèi)星除了原有的信號(hào)頻率外，還使用了多個(gè)頻率來(lái)廣播10個(gè)信號(hào)[17]。

由于能夠在兩個(gè)不同的頻率上接收位置數(shù)據(jù)，那些配備了雙頻全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)的智能手機(jī)用戶可以明顯感受到精度的提高。這種能力可以減少因信號(hào)穿越電離層的延遲而產(chǎn)生的位置誤差，也可以減少表面（如摩天大樓林立的城市峽谷墻壁）信號(hào)反射的誤差[18]。負(fù)責(zé)歐洲全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理局空間數(shù)據(jù)應(yīng)用和市場(chǎng)開發(fā)的航天工程師Fiametta Diani說(shuō)，通過(guò)設(shè)計(jì)，利用雙頻發(fā)射顯示位置的測(cè)距信號(hào)在“伽利略”系統(tǒng)中幾乎是通用的。這表明，制造商將星座和雙頻功能設(shè)計(jì)在了智能手機(jī)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的接收芯片中。Diani說(shuō)：“這不僅增加了一個(gè)多全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)解決方案，還增強(qiáng)了衛(wèi)星可用性，并提高了手機(jī)定位的精確性。例如，在城市中，你將知道應(yīng)該在道路的哪一側(cè)等待你的出租車或Uber，而這在以前是無(wú)法做到的?！?/p>

除了讓人們更方便地找到自己的乘車地點(diǎn)外，頻率的擴(kuò)大還能提升更多的服務(wù)，如“伽利略”系統(tǒng)基于返回鏈路的搜索和救援服務(wù)。這是一項(xiàng)即將推出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)認(rèn)證功能，旨在應(yīng)對(duì)欺騙干擾以及提供快速且定位極其精確的高精度服務(wù)。“北斗”系統(tǒng)也同樣規(guī)劃了一項(xiàng)服務(wù)，即廣播修正，旨在提供快速且高精度定位。

Gao說(shuō)，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)工作頻率的不斷增加也對(duì)未來(lái)與第五代（5G）移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)生了影響，如自動(dòng)汽車、智慧城市以及人口密集的交互式物聯(lián)網(wǎng)等[19,20]。他還指出，多星座對(duì)于提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定、無(wú)處不在的時(shí)間信號(hào)至關(guān)重要，是解決這些技術(shù)的核心（絕對(duì)定位）。這些技術(shù)很可能通過(guò)同時(shí)利用三個(gè)或更多的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)頻率的快速位置收斂算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還會(huì)涉及來(lái)自車輛和其他裝置上的相對(duì)位置傳感器的輔助信號(hào)，并可能涉及來(lái)自低地球軌道衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。當(dāng)Gao和他的同事思考這種衛(wèi)星、傳感器和網(wǎng)絡(luò)能力的強(qiáng)力組合可以應(yīng)用于哪些實(shí)際任務(wù)和問(wèn)題時(shí)，他說(shuō)：“我們只受限于自己的想象力?！?/p>