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斗极思考归入低轨卫星,导航能再也不“迷路”吗?

  斗极思考归入低轨卫星,导航是否再也不“迷路”?

  中国旧事周刊记者/杨智杰

  发于2022.12.26总第1074期《中国旧事周刊》杂志

  关上定位器GPS,宽阔环境下,导航定位的精度可达到4.9米。中国最新一代的导航零碎斗极三号寰球定位精度优于4.4米。但任何一个定位零碎都没有是全能的,比方,现有导航零碎仍会正在立交桥等复杂路况下“迷路”。

  近日正在《新时代的中国斗极》**公布会上,中国卫星导航零碎治理办公室称,2035年前,中国将建成新一代斗极零碎,此中思考归入低轨卫星,经过高中低轨的星座交融,提供一张笼罩寰球的高精度时空网。

  依据轨道高度没有同,人造卫星分为距高空高度3.6万千米的高轨道地球同步卫星、2000~3.6万千米的中轨道卫星,和500~2000千米的低轨卫星。相较中高轨卫星,低轨卫星体积小,数目更多,组成的卫星星座老本低、抗毁性强,还能够增补以及加强现有的寰球卫星导航零碎(如下简称“GNSS”)。

  卫星可用于导航、通讯、遥感等效劳。过来几年,以SpaceX、OneWeb为代表的贸易航天公司入局,动员低轨通讯卫星减速倒退。现在,低轨卫星与导航连系,也开端成为世界列国导航公司、航天局竞逐的赛道。

  低轨导航何故受追捧?

  今朝,美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、中国的斗极、欧洲的伽利略等GNSS,全都凑集正在中高轨。

  正在中国迷信院空天信息翻新钻研院钻研员袁洪看来,低轨导航卫星遭到追捧的首要缘由,是一直晋升卫星导航定位精度的惯性需要。“回看卫星导航技巧倒退史,其精度从最先的百米级晋升到米级,如今能够达到及时分米级。跟着最近几年来低轨卫星制作以及发射老本的年夜幅升高,人们会想,能否能够使导航卫星的定位精度达到更纤细的厘米级。”他说。

  卫星定位有三个目标,即速率、精度、完整性。现有GNSS其实不完满,因卫星高度间隔高空超越2万千米,旌旗灯号传输至高空会削弱很多,如果遇到遮挡,定位时效也会变慢,并且,GNSS无奈完成室内以及水下定位。

  “低轨卫星假如能播发自力的测距旌旗灯号,就具有了自力定位导航才能,对GNSS是无益增补。”武汉年夜学国内卫星导航效劳组织(IGS)剖析中心副所长李敏对《中国旧事周刊》说。

  卫星导航零碎蕴含三局部:导航卫星、高空站以及用户终端。没有同于GPS的高空站遍及寰球,中国斗极零碎的高空站年夜多建正在国际,需求经过星间链路完成寰球观测与运转。多位受访者提到,低轨卫星能笼罩寰球,能够作为空中监测站,晋升斗极的寰球效劳功能 。斗极零碎是中国自立研发的卫星导航零碎,斗极三号零碎2020年7月正式建成守旧,并向寰球提供效劳。

  普通来讲,至多要4颗卫星的旌旗灯号能力确定地位坐标。低轨卫星离高空更近,要笼罩寰球旌旗灯号,所需卫星数目远超于中高轨。卫星数目越多,定位越精准。

  假如要进一步晋升卫星导航定位的精准度,就要运用导航加强技巧。现有导航加强技巧分为两种:星基加强以及地基加强。地基加强,即正在高空建筑基准站,辅佐修改卫星旌旗灯号偏差,需求密集布设,并且,难以笼罩海面、戈壁等区域。据没有齐全统计,美国没有同部门环抱卫星导航共建超越2000个基准站,斗极正在国际也有2000多个地基加强零碎。

  低轨导航加强是星基加强的一种形式。“传统的地基加强,不添加旌旗灯号源,只是加强了信息解决旌旗灯号。低轨导航加强能添加旌旗灯号源,进步定位精准度,正在一些山区火警等救济场景中可施展作用。”中国迷信院院士、中国工程院院士、测绘遥感专家李德仁向《中国旧事周刊》引见说。

  武汉年夜学测绘遥感信息工程国度重点试验室主任陈锐志引见说,“假如低轨卫星旌旗灯号发射功率加强一些,正在体育馆、高铁站、机场等单层屋顶空间能穿透屋顶,就能够处理斗极零碎的室内定位成绩,这需求正在事实中进一步验证。”

  今朝,GNSS应用的高精度单点定位技巧,普通要破费20~30分钟,能够完成厘米级定位,假如采纳低轨导航加强,仿真验证中,耗时约1分钟。

  低轨导航更年夜劣势没有正在于平易近用,而是使用于军事以及物联网等场景。欧洲航天局低轨卫星PNT的钻研担任人莱昂内尔·里斯曾感叹,导航卫星的胜利使用,“激起了将来十年内更刻薄的市场需要”。如无人驾驶汽车、汽船或无人机,智慧都会、产业物联网等场景的呈现,对卫星定位的需要正从今朝的米级回升到厘米级,且需求正在室表里都能随时取得牢靠的旌旗灯号。

  PNT(positioning, navigation,and timing),即定位、导航以及授时,是人类得悉时空地位的要害技巧。一样平常生存中的导航定位、校准工夫,和正在国度平安等畛域,PNT都施展着首要作用。

  2021年,美国智库兰德公司公布的《对更具弹性的国度PNT才能剖析》的陈诉中提到,GPS零碎侧面临着多种要挟:针对太空零碎的核和平、太阳风暴等极其天色、年夜规模网络入侵等,较小要挟包罗对部分地域或局部都会GPS旌旗灯号的滋扰等。

  袁洪对《中国旧事周刊》说,如果GNSS正在和平等非凡期间被捣毁,低轨卫星是惟一普适性的代替手法。低轨卫星建立以及发射老本远低于中高轨卫星,即使局部被捣毁,也能疾速补网发射,“从这一角度讲,打造低轨导航卫星,长短常须要的”。

  新旧技巧的复杂博弈

  正在《新时代的中国斗极》**公布会上,斗极卫星导航零碎旧事讲话人示意,构建高中低轨的导航星座,“技巧上进行了很好论证,计划也是欠缺的”。

  据袁洪理解,通过长时间研讨以及论证,低轨卫星导航肯定会归入到国度层面的导航定位效劳体系中来。但将来低轨卫星导航到底采纳甚么样的效劳模式、抉择哪一种技巧道路,要稳重考量。

  低轨导航零碎的技巧,与中高轨有诸多差别。以时空基准为例,这是卫星导航零碎的外围技巧,卫星定位时,卫星、高空站、用户接纳机的工夫必需同步能力精准推算出间隔,导航卫星轨道地位也要被准确测算。

  星载原子钟是时空基准设计的首要设施,能提供极端稳固的工夫频次基准旌旗灯号,但精度要求极高,制作难度十分年夜,曾是斗极的“洽商”技巧,2007年,国际研制出国产原子钟。

  袁洪等人正在相干钻研中指出,中高轨星载原子钟的功耗、尺寸、品质以及老本难以实用于低轨卫星。若何依赖现有GNSS建设低轨卫星的时空基准,是业内钻研的热点。

  另外,频次资本是人类倒退空间营业的根底,但国内电联为卫星导航营业划定的频次范畴无限,现有导航频段已非常拥堵。“相较导航频段,低轨通讯营业领有更丰厚的频次资本。”袁洪对《中国旧事周刊》说,正在低轨通讯营业上叠加一些导航性能,让导航占通讯的一些“廉价”,能够变相处理导航频次资本充足的难题,这也是低轨导航倒退的潜正在前途。

  “能够将低轨通讯所占用的频次了解为一列火车,每一节车箱中装载着没有同用户的通讯营业。通讯营业未齐全盘踞的车箱空地空闲,交叉一些导航营业,即能完成肯定的导航效劳性能。”袁洪诠释说,低轨导航占用通讯的频次资本,其实不肯定会显著影响通讯营业的品质。

  若何采纳导航频次资本,袁洪引见,一种办法是,低轨导航零碎正在既有GNSS旌旗灯号的频次发播导航旌旗灯号,但这会存正在滋扰现有中高轨GNSS旌旗灯号的危险;另外一种办法,抉择与现有GNSS旌旗灯号相邻的频段,用户终端天线以及射频略加革新,即能顺应低轨导航旌旗灯号接纳。今朝,国际相干单元对后一道路已有针对性思考。

  有专家以为,采纳低轨导航加强,会与现有技巧强烈竞争。中国工程院院士、国度卫星定位零碎工程技巧钻研中心主任刘经南曾示意,低轨卫星零碎是将来中国斗极的倒退标的目的,但同时,不克不及漠视现有根底设备的建立。低轨卫星零碎,必需有高、中轨导航卫星及地基加强零碎的支持,能力保障更好的定位精度和稳固性。

  李德仁提到,针对现有GNSS的有余,列国都正在钻研应答计划。一种路子是对卫星导航加强;另外一种,即没有依赖卫星导航零碎定位,而是经过视觉、听觉等传感器定位,组成空寰宇一体化的智能效劳零碎。

  新一轮的国内竞争

  低轨卫星并不是新概念,但因制作与发射老本长时间居高没有下,不断未有倒退。

  1963年,美国水师研制的第一代卫星导航零碎——子午卫星零碎,即是正在约1100千米高度的低轨运转,但数目仅有5~10颗,准确定位耗时长,精度受限。1970年月,美国以及苏联转而抉择中轨道卫星,用更少卫星完成疾速定位,才有了GPS以及格洛纳斯零碎。

  1998年,低轨卫星再一次遭到存眷。1991年,摩托罗拉成立了子公司铱星,展开“铱星方案”,由66个低轨卫星提供高空通讯效劳。1998年,“铱星方案”正式运转,但因设施以及通讯价钱低廉,正在与2G的竞争中战败。2000年后,铱星公司前后经验破产、被收买又“满血复生”,之后长时间效劳美国军方,缓缓淡出公众视野。

  直到2015年,SpaceX首席执行官伊隆·马斯克发表推出“星链方案”,发射低轨卫星星座,提供笼罩寰球的高速互联网接入效劳。尔后,低轨卫星建立老本年夜幅降落,由“朴素品”变成平价“生产品”。

  袁洪称,现在制作以及发射低轨卫星,单星老本低至百万美圆量级。别的,低轨导航卫星的导航载荷自创了中高轨的成熟技巧,进一步升高了建立门坎。

  2016年,铱星公司演示了基于卫星授时与定位的导航效劳技巧,证实低轨卫星可作为GPS的代替计划,诱发寰球存眷。

  袁洪记患上,这一年先后,国际开端论证,PNT体系下归入低轨卫星导航效劳的可能性。2018年,袁洪所正在的中科院空天信息翻新钻研院团队,设计研发国际首个低轨卫星的斗极旌旗灯号加强实验。同年,武汉年夜学发射“珞珈一号”,中国航天科工团体以及航天科技团体前后发射“虹云工程”以及“鸿雁”低轨实验卫星。尔后,国际相干国企、贸易航天公司,陆续推出低轨导航星座布局。2021年,国资委出资成立中国卫星网络团体无限公司(如下简称“星网团体”),也将低轨导航作为首要营业标的目的。

  2019年,美国实现新一代铱星零碎发射部署。通讯营业外,铱星零碎可辅佐GPS完成室内以及峡谷地域的定位导航。欧洲航天局正在对低轨导航卫星概念钻研多年后,近期也发表进一步展开正在轨演示,增补伽利略零碎。

  低轨卫星的倒退,也使患上轨道资本越发拥堵,并将面临一直晋升的碰撞危险。

  低地球轨道正进行一场强烈的太空“圈地静止”。SpaceX已正在低轨发射了3000多颗卫星,马斯克的野心是将来共发射4.2万颗。别的,竞争者中另有OneWeb、亚马逊、波音、河汉航天等多个“玩家”。星网团体也方案将来将发射12900余颗卫星。

  “原来的卫星发射轨道高度高,设计患上更精细,寿命也更长。而像‘星链’的卫星,三五年就可能会裁汰。假如低轨有几万颗卫星,将来可能会有更多卫星生效,没有受控后带来平安隐患。”中国政法年夜学航空与空间法钻研中心钻研员孔患上建对《中国旧事周刊》说。

  “假如两颗卫星发作撞击,造成卫星崩溃,会孕育发生多个碎片,碎片又将进一步添加碰撞危险。终极,近地轨道会被碎片充溢,一切低轨零碎再也不有平安运转的空间。”袁洪示意。

  英国朴茨茅斯年夜学空间名目司理卢辛达·金承受BBC采访时也提到,假如碎片太多,“咱们也可能无奈穿过近地轨道,进入导航卫星以及电信卫星所正在的更高处的轨道。”

  孔患上建引见,今朝国内上关于低轨卫星空间交通治理,出台了一些治理规则、羁系指南等,但都没有具有法令效能。2017年,美、俄、日、欧、中等11国航天部门组成的机构间空间碎片调和委员会,草拟了《对低轨巨型星座的申明》,正在低轨星座部署高度、高度距离、正在轨年限、卫星数目等方面提出倡议,比方部署正在500千米高度时,对空间碎片环境的影响最小等。这关于列国标准低轨星座的部署以及运转有指点意思。以后,美国、中国等都已颁发相干治理措施。

  “今朝倒退低轨导航,要害是若何以更低老本,告竣更好的效劳功能。终极失去可以落实的处理计划,技巧上没有见患上是‘最优的’,但肯定是失去各方认可的计划。”袁洪对《中国旧事周刊》说。

  《中国旧事周刊》2022年第48期

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