下一代卫星导航将提供厘米级精度——但有代价

太空竞赛的现代化身之一是争相建立全球导航卫星系统，例如全球定位系统。GPS 已成为现代技术社会的基石之一。

但该系统由美国军方拥有和运营，他们可以随时关闭它，或仅供其部队使用。这种举动对其他国家来说将是灾难性的。

因此，他们想要自己的版本。俄罗斯开发了 GLONASS，一个由 24 颗卫星组成的全球系统；中国有北斗，由 35 颗卫星组成；欧洲则拥有一个名为 Galileo 的由 30 颗卫星组成的星座。

这些系统惊人地相似。它们由数量相对较少的航天器组成，这些航天器在中地球轨道或更高轨道运行，高度大于 2,000 公里，通常更接近 20,000 公里。

它们也极其昂贵。例如，Galileo 的开发和部署成本为 100 亿欧元，而 GPS 的运营成本据估计每年约为 50 亿美元。尽管如此，它们的免费服务使得很难看到商业系统如何能够与之竞争。

巨型星座

随着 SpaceX 的 Starlink、亚马逊的 Kuiper 和 OneWeb 等商业巨型星座的出现，这种想法开始改变。这些公司正在部署或计划部署数万颗卫星到近地轨道，以向付费的地面客户提供高速互联网连接。

工程师们指出，这些相同的卫星还可以提供定位服务，与现有服务相比具有显著优势。由于这些卫星位于近地轨道并使用不同的、更宽的射频信道，因此该服务将比传统的卫星定位服务更强大、更不易干扰且更精确。而这是客户愿意付费的。

但是这样的系统是如何工作的呢？一种想法是，每颗卫星都可以搭载一个独立的定位模块，该模块寄生在卫星上。该模块将完全独立于互联网服务运行，拥有自己的发射器、天线和原子钟。但这将非常昂贵，难以商业化。

现在，德克萨斯大学奥斯汀分校无线电导航实验室的 Peter Iannucci 和 Todd Humphreys 提出了另一种方法，这种方法有可能更具成本效益。他们的想法是将导航数据与互联网数据相结合，以便卫星在同一数据流中广播信息。这样就不需要单独的模块了。研究人员表示，这项创新有潜力成为传统卫星导航服务的商业可行替代方案。

新方法将通过每颗卫星广播一个地面接收器可以调谐的精确计时信号来工作。通过比较来自几颗卫星的信号到达时间，地面系统可以进行三角定位。这是所有卫星导航使用的相同原理。

但新卫星将不携带自己的原子钟。相反，它们将转发从另一颗卫星（如 GPS、GLONASS 或 Galileo 卫星）接收到的时间信号。

显然，这种转发会在信号中增加时间延迟。因此，卫星还必须广播其轨道细节，以便地面接收器能够将额外延迟考虑在内。这甚至可以提前完成，因为卫星轨迹可以提前计算好。

计时信号还必须与作为卫星主要目的的宽带互联网信号相结合。Iannucci 和 Humphreys 表示，这是一项复杂但可管理的任务，仅会占用一小部分可用带宽。“对于像 SpaceX 的 Starlink 这样的星座，要为全球 99.8% 的人口提供连续服务，最多只需要预留系统下行链路容量的 0.8%，”他们说。

这是系统能力的一小部分，这使得商业服务具有潜在的可行性。

资金紧缺

那么，什么样的客户可能会使用这种定位服务呢？由于潜在的精度仅为几厘米，因此很容易想象自动驾驶汽车、卡车和机器人如何利用这样的系统。这些设备预计将在不久的将来蓬勃发展。

通信公司 OneWeb 不经意间找到了另一个用户。今年早些时候，该公司耗尽了资金，尽管已发射了超过 70 颗计划中的 650 颗卫星。7 月，它被一个由英国政府牵头的财团收购，该财团承诺投资 5 亿美元。

英国之所以感兴趣，是因为在 2016 年投票决定脱离欧盟时，它被毫不客气地赶出了 Galileo 项目。自那时以来，它一直在思考如何开发自己的卫星定位系统。

OneWeb 是实现这一目标的重要垫脚石。该系统目前纯粹被设想为基于卫星的互联网服务。但目标是将其升级为也提供定位数据。现在 Iannucci 和 Humphreys 已经找到了方法。

唯一的缺点是，该系统最初将依赖于现有卫星导航系统（如 Galileo 或 GPS）的时间信号。因此，它并没有解决这些系统可能随时被关闭的原始问题。

这可能意味着英国最终需要发射自己的原子钟。或者设法与现有的卫星导航系统谈判达成合作伙伴关系。无论哪种方式，商业卫星导航似乎都越来越近了。

参考：Iannucci & Humphreys. 2020. Fused Low-Earth-Orbit GNSS. arXiv.org arxiv.org/abs/2009.12334