楊智杰

打開手機(jī)GPS，開闊環(huán)境下，導(dǎo)航定位的精度可達(dá)到4.9米。中國最新一代的導(dǎo)航系統(tǒng)北斗三號全球定位精度優(yōu)于4.4米。但任何一個定位系統(tǒng)都不是萬能的，比如，現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)仍會在立交橋等復(fù)雜路況下“迷路”。

近日在《新時代的中國北斗》白皮書發(fā)布會上，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室稱，2035年前，中國將建成新一代北斗系統(tǒng)，其中考慮納入低軌衛(wèi)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(wǎng)。

根據(jù)軌道高度不同，人造衛(wèi)星分為距地面高度3.6萬公里的高軌道地球同步衛(wèi)星、2000～3.6萬公里的中軌道衛(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，還可以補充和增強現(xiàn)有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱“GNSS”）。

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

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(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員袁洪看來，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。“回看衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展史，其精度從最早的百米級提升到米級，現(xiàn)在可以達(dá)到實時分米級。隨著近年來低軌衛(wèi)星制造和發(fā)射成本的大幅降低，人們會想，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?！彼f。

衛(wèi)星定位有三個指標(biāo)，即速度、精度、完好性?，F(xiàn)有GNSS并不完美，因衛(wèi)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(xiàn)室內(nèi)和水下定位。

“低軌衛(wèi)星如果能播發(fā)獨立的測距信號，就具備了獨立定位導(dǎo)航能力，對GNSS是有益補充。”武漢大學(xué)國際衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)組織（IGS）分析中心副所長李敏對《中國新聞周刊》說。

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，中國北斗系統(tǒng)的地面站大多建在國內(nèi)，需要通過星間鏈路實現(xiàn)全球觀測與運行。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)測站，提升北斗的全球服務(wù)性能 。北斗系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號系統(tǒng)2020年7月正式建成開通，并向全球提供服務(wù)。

一般來說，至少要4顆衛(wèi)星的信號才能確定位置坐標(biāo)。低軌衛(wèi)星離地面更近，要覆蓋全球信號，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，就要運用導(dǎo)航增強技術(shù)?，F(xiàn)有導(dǎo)航增強技術(shù)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(zhǔn)站，輔助修正衛(wèi)星信號誤差，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，美國不同部門圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航共建超過2000個基準(zhǔn)站，北斗在國內(nèi)也有2000多個地基增強系統(tǒng)。

低軌導(dǎo)航增強是星基增強的一種方式。“傳統(tǒng)的地基增強，沒有增加信號源，只是增強了信息處理信號。低軌導(dǎo)航增強能增加信號源，提高定位精準(zhǔn)度，在一些山區(qū)火災(zāi)等救援場景中可發(fā)揮作用?！敝袊茖W(xué)院院士、中國工程院院士、測繪遙感專家李德仁向《中國新聞周刊》介紹說。

武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室主任陳銳志介紹說，“如果低軌衛(wèi)星信號發(fā)射功率增強一些，在體育館、高鐵站、機(jī)場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)定位問題，這需要在現(xiàn)實中進(jìn)一步驗證?！?/p>

目前，GNSS使用的高精度單點定位技術(shù)，一般要花費20～30分鐘，可以實現(xiàn)厘米級定位，如果采用低軌導(dǎo)航增強，仿真驗證中，耗時約1分鐘。

低軌導(dǎo)航更大優(yōu)勢不在于民用，而是應(yīng)用于軍事和物聯(lián)網(wǎng)等場景。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)了未來十年內(nèi)更苛刻的市場需求”。如無人駕駛汽車、輪船或無人機(jī)，智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等場景的出現(xiàn)，對衛(wèi)星定位的需求正從目前的米級上升到厘米級，且需要在室內(nèi)外都能隨時獲得可靠的信號。

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

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

袁洪對《中國新聞周刊》說，假如GNSS在戰(zhàn)爭等特殊時期被摧毀，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《新時代的中國北斗》白皮書發(fā)布會上，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)過長期研討和論證，低軌衛(wèi)星導(dǎo)航一定會納入到國家層面的導(dǎo)航定位服務(wù)體系中來。但未來低軌衛(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，衛(wèi)星、地面站、用戶接收機(jī)的時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算。

星載原子鐘是時空基準(zhǔn)設(shè)計的重要設(shè)備，能提供極其穩(wěn)定的時間頻率基準(zhǔn)信號，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，國內(nèi)研制出國產(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)星的時空基準(zhǔn)，是業(yè)內(nèi)研究的熱點。

另外，頻率資源是人類發(fā)展空間業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，但國際電聯(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?！痹閷Α吨袊侣勚芸氛f，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)，即能實現(xiàn)一定的導(dǎo)航服務(wù)功能?！痹榻忉屨f，低軌導(dǎo)航占用通信的頻率資源，并不一定會明顯影響通信業(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信號的頻率發(fā)播導(dǎo)航信號，但這會存在干擾現(xiàn)有中高軌GNSS信號的風(fēng)險；另一種方法，選擇與現(xiàn)有GNSS信號相鄰的頻段，用戶終端天線和射頻稍加改造，即能適應(yīng)低軌導(dǎo)航信號接收。目前，國內(nèi)相關(guān)單位對后一路線已有針對性考慮。

有專家認(rèn)為，采用低軌導(dǎo)航增強，會與現(xiàn)有技術(shù)激烈競爭。中國工程院院士、國家衛(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)是未來中國北斗的發(fā)展方向，但同時，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，針對現(xiàn)有GNSS的不足，各國都在研究應(yīng)對方案。一種途徑是對衛(wèi)星導(dǎo)航增強；另一種，即不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位，而是通過視覺、聽覺等傳感器定位，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)射成本長期居高不下，一直未有發(fā)展。

1963年，美國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公里高度的低軌運行，但數(shù)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(lián)轉(zhuǎn)而選擇中軌道衛(wèi)星，用更少衛(wèi)星實現(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，開展“銥星計劃”，由66個低軌衛(wèi)星提供地面通信服務(wù)。1998年，“銥星計劃”正式運行，但因設(shè)備和通信價格昂貴，在與2G的競爭中敗北。2000年后，銥星公司先后經(jīng)歷破產(chǎn)、被收購又“滿血復(fù)活”，之后長期服務(wù)美國軍方，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“消費品”。

袁洪稱，如今制造和發(fā)射低軌衛(wèi)星，單星成本低至百萬美元量級。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，國內(nèi)開始論證，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，設(shè)計研發(fā)國內(nèi)首個低軌衛(wèi)星的北斗信號增強試驗。同年，武漢大學(xué)發(fā)射“珞珈一號”，中國航天科工集團(tuán)和航天科技集團(tuán)先后發(fā)射“虹云工程”和“鴻雁”低軌試驗衛(wèi)星。此后，國內(nèi)相關(guān)國企、商業(yè)航天公司，陸續(xù)推出低軌導(dǎo)航星座規(guī)劃。2021年，國資委出資成立中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司（以下簡稱“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實現(xiàn)室內(nèi)和峽谷地區(qū)的定位導(dǎo)航。歐洲航天局在對低軌導(dǎo)航衛(wèi)星概念研究多年后，近期也宣布進(jìn)一步開展在軌演示，補充伽利略系統(tǒng)。

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

低地球軌道正進(jìn)行一場激烈的太空“圈地運動”。SpaceX已在低軌發(fā)射了3000多顆衛(wèi)星，馬斯克的野心是未來共發(fā)射4.2萬顆。此外，競爭者中還有OneWeb、亞馬遜、波音、銀河航天等多個“玩家”。星網(wǎng)集團(tuán)也計劃未來將發(fā)射12900余顆衛(wèi)星。

“原來的衛(wèi)星發(fā)射軌道高度高，設(shè)計得更精密，壽命也更長。而像‘星鏈’的衛(wèi)星，三五年就可能會淘汰。如果低軌有幾萬顆衛(wèi)星，未來可能會有更多衛(wèi)星失效，不受控后帶來安全隱患?！敝袊ù髮W(xué)航空與空間法研究中心研究員孔得建對《中國新聞周刊》說。

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

英國樸茨茅斯大學(xué)空間項目經(jīng)理盧辛達(dá)·金接受BBC采訪時也提到，如果碎片太多，“我們也可能無法穿過近地軌道，進(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，目前國際上對于低軌衛(wèi)星空間交通管理，出臺了一些管理規(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國航天部門組成的機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)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(wèi)星數(shù)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(huán)境的影響最小等。這對于各國規(guī)范低軌星座的部署和運行有指導(dǎo)意義。當(dāng)前，美國、中國等都已頒布相關(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。最終得到能夠落實的解決方案，技術(shù)上不見得是‘最優(yōu)的’，但一定是得到各方認(rèn)可的方案?！痹閷Α吨袊侣勚芸氛f。

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”中國航天科普巡展上，人們參觀“北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”模型。圖/中新