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