大家有沒有發現，在低地球軌道星座運作中，美國是以馬斯克的星鏈為主，也就是衛星網際網路，英國“一網”亦然。歐洲則把LEO PNT專門拎出來，但是停留在做試驗的基礎上。我國低軌衛星星座，也是以衛星網際網路，或者說是物聯網展開，同時甚囂塵上的是衛星遙感，而且尺度很大，這是真正的市場需求嗎？而真正的低軌導航衛星，在中國涉及者不多，真正深入涉足者更少。有的是以低軌通訊衛星來為導航起到增強作用，如何增強，講的清清楚楚的不多。
2021 年 6 月 17 日，SpaceX 獵鷹 9 號從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的 40 號航天發射場發射了一顆 GPS 3 衛星。圖片來源：美國太空軍
由於GNSS過分強大，而且在今後相當長時期內，它還是PNT資訊的主要提供者，所以大家想象不出來，低軌導航衛星星座還有多大的發展餘地。GPS僅僅在美國的年度經濟影響力就達到5000億美元，而在歐洲10%的GDP與GNSS有關，全世界活躍在用的各種GNSS終端裝置數量，超過70億臺套。但是，人們對於GNSS的過度依賴，以及GNSS的脆弱性威脅和無法應用到非暴露空間，特別是室內的現實，給低軌導航衛星留下了足夠的想象空間。關係LEO PNT，在世界上還真有個特例，那就是美國的修娜（Xona）空間系統公司，這個公司，蠻有意思，它是專門衝著做導航來的。修娜公司認為，位置和時間是互聯世界的基本組成部分。每天，當任何一項技術啟動時，它都必須回答相同問題，即 “何時 ”和 “何地”。多年來，我們一直在使用 GNSS來獲取這些資訊。然而，近年來技術一直在蹣跚前行，現在需要比 GNSS 本身所能提供的更高的精度和保護才能安全執行。在 Xona，我們相信自動駕駛汽車、機器人、人工智慧和空中交通等現代技術有可能大幅提高人類的生活質量。近年來，這些技術取得了長足的進步，並且在結構化環境中已經證明了它們的實用性。沒有現代基礎設施的非結構化環境仍然對擴充套件到有限區域之外構成重大挑戰。太空的超能力是可擴充套件性。我們相信，透過將整個世界變成一個結構化的環境，並將這些技術的優勢帶到最需要的地方，太空是釋放這些技術真正潛力的關鍵。想象一下這樣一個世界：機器人農業可以減少發展中國家的飢餓，或者自動駕駛汽車在暴風雪中比人類駕駛員更安全，或者危險的採礦工作可以被自動駕駛裝置取代。我們的使命很簡單。最大限度地發揮現代技術的影響。透過提供地球上最強大、最準確的導航和授時服務，打破當今困擾增長和擴張的界限。
幾十年來，全球定位系統 （GPS） 星座一直是全球首選的導航工具，為從航空母艦到 Uber 司機的一切提供指引。但 GPS 容易受到干擾和欺騙。惡意行為者可以故意破壞或縱訊號，從而導致定位資訊不準確或具有誤導性。這些漏洞危及關鍵基礎設施、應急響應和軍事行動，促使人們對替代 PNT 或不依賴 GPS 的定位、導航和授時技術越來越感興趣。雖然五角大樓長期以來一直在尋求增強 GPS 能力，包括使用盟軍備份系統，但它現在正在探索一個蓬勃發展的商業市場，承諾提供創新選項來減少對 GPS 的依賴。為了響應軍方對 PNT 替代品的呼籲，公司正在排隊提供產品，以填補 GPS 變暗時的空白。這些應用範圍從利用現有蜂窩基礎設施的地面網路到廣播 PNT 訊號的低軌道小型衛星的新星座。
美國太空部隊的一名守護者在科羅拉多州的施裡弗太空部隊基地進行 GPS 電磁干擾訓練。圖片來源：美國太空軍 Ethan Johnson 攝
對替代PNT
(或互補PNT)的需求不斷增長
面對GPS如此多的風險，包括多種多樣的干擾和欺騙，以及衛星導航本身的訊號脆弱性威脅，五角大樓在過去十年中已採取行動為 GPS 新增安全功能，包括一種稱為 M 程式碼的更強訊號，即軍用程式碼的縮寫，它比民用訊號更抗干擾。M 程式碼在較新的 GPS 衛星中可用，但大多數美國軍隊無法利用它，因為支援 M 程式碼的接收器尚未廣泛使用。作為 GPS 被拒絕時的後備選項，一些軍事平臺能夠使用機載感測器來跟蹤其位置並在不使用外部訊號的情況下保持時間。軍用戰鬥機使用 GPS 與慣性導航系統配對，因此如果 GPS 出現故障，飛行員仍然可以完成任務。其他 PNT 備份使用天文導航或地形參考導航來確定位置，後者使用周圍地形的數字地圖來匹配車輛的運動並更新其位置。
與此同時，私營部門看到了需求並開始開發 GPS 替代品。2016 年的 Satelles 是首批不依賴 GPS 的天基 PNT 服務之一。該公司透過 Iridium Next 通訊衛星上的一個頻道廣播授時和位置訊號，該頻道以前用於尋呼。由於 GPS 的風險不斷增加，太空部隊現在正在尋求透過太空系統司令部的新商業太空辦公室 （COMSO） 來利用新一波的商業創新，該辦公室旨在確定有前途的技術並協調其採用。
商業 PNT 參與者堅稱他們無法取代 GPS，但正在響應美國政府和商業對備份或補充技術的需求，從而減少對單一系統的依賴。總部位於加利福尼亞州的 Xona Space Systems 正在開發一項專為自動駕駛汽車和無人機設計的 PNT 服務，該服務也針對國防市場。
“我們已經看到許多不同細分市場的需求都在增長，”該公司的聯合創始人兼執行長布賴恩·曼寧 （Brian Manning） 說。Xona 計劃在 2025 年開始在近地軌道上建造一個由 250 到 300 顆小型衛星組成的星座。該公司根據 SBIR 合同與空軍合作，Lockheed Martin Ventures 是其投資者之一。
曼寧說，新的低軌道天基 PNT 服務提供了更高的精度。與 GPS 相比，訊號只需傳播幾百英里，而 GPS 則從地球上空約 12,000 英里的衛星進行廣播。Xona 不打算製造使用者裝置，而是與現有的 GPS 裝置公司合作，將公司的軟體整合到他們的接收器中。
“GPS 社群已經意識到，部署新服務最昂貴和最具挑戰性的部分通常不是基礎設施。不是衛星。它實際上是使用者裝置，“曼寧說。“你真的必須能夠與現有的使用者裝置整合，這是我們看到軍隊非常渴望的事情。”Manning 說，Xona 的一些合作伙伴已經制造了原型接收器，以表明他們可以接收和使用我們的訊號。他補充說，國防市場現在變得有吸引力，因為政府“已經開始真正弄清楚如何與商業公司合作，尤其是近年來”。“他們正在使用 Starlink 等系統進行衛星通訊。”“我們帶來的是相同的方法，但在導航角色中，從歷史上看，那裡真的沒有太多投資，”曼寧說。他說，國防部似乎準備真正開始採用 GPS 的替代方案。“你有一個單點故障，這就是我們今天使用 GPS 的情況。它存在於所有事情中都是如此根深蒂固。
四枚 GBU-39 小直徑炸彈位於卡達 Al Udeid 空軍基地的一個儲存區。美國空軍將 GPS 制導的炸彈存放在戰爭儲備彈藥庫中。圖片來源：美國空軍國民警衛隊 （U.S. Air National Guard） 中士喬丹·馬丁 （Jordan Martin） 攝
美國空軍將探索
修娜空間系統公司的GPS商業替代方案
總部位於加利福尼亞州的初創公司 Xona Space Systems 於 2 月 25 日宣佈，該公司已獲得空軍研究實驗室 （AFRL） 價值 460 萬美元的合同，以展示其基於衛星的定位、導航和授時 （PNT） 服務如何支援軍事行動。Xona 正在透過一個名為 Pulsar 的近地軌道 （LEO） 衛星星座開發一種商業 PNT 服務，該服務旨在作為全球定位系統 （GPS） 的補充和備份。美國軍方對測試 Pulsar 在無人駕駛飛機作和自動駕駛汽車方面的能力特別感興趣，在這些領域，精確導航至關重要。
修娜公司去年籌集了 1900 萬美元的風險投資，並正在尋求國防合同，因為軍方對使 PNT 來源多樣化以減輕 GPS 中斷帶來的風險的興趣日益濃厚。該公司在一份宣告中表示：“透過這份合同，Xona 將在多個商業使用者裝置和各種情況下展示其 Pulsar 高效能衛星導航服務的關鍵效能方面，包括 GPS 和其他全球導航衛星訊號 （GNSS） 可能受到質疑或拒絕的情況。
為了執行合同，Xona 與多家 PNT 使用者裝置供應商合作，包括 QinetiQ、StarNav 和 Locus Lock，它們將提供支援 Pulsar 的裝置進行測試。AFRL 資助的演示最初將在模擬環境中進行，然後在 Xona 的第一顆 Pulsar 衛星發射後過渡到現場試驗。該衛星計劃於 2025 年 6 月部署在 SpaceX 的 Transporter-14 拼車任務中，該任務將攜帶多顆小型衛星進入軌道。
“我們已經能夠為第一顆衛星提供間歇效能力，”Xona 聯合創始人兼執行長布賴恩·曼寧 （Brian Manning） 告訴 SpaceNews。“我們計劃在 2026 年底增加發射，以便在 2027 年初進行第一階段的運營服務。”
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本文轉載自“斗室智庫”，原標題《低軌PNT，需要市場化和完整的解決方案》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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