【视野】低轨卫星星座PNT服务应有什么新模式？

从一网（OneWeb）开始，到马斯克的星链（Stailink），近些年来，关于低轨（LEO）卫星巨型星座，已经成为航天界的热门话题，但是其重点还是在卫星低轨宽带互联网，关于用来进行导航，只有停留在用于增强的话题，这是沿用铱星的概念（iGPS）。

自从2018年《导航》杂志第一期有文章提出利用低轨卫星星座独立实现PNT服务以来，确立了导航在低轨卫星星座中的地位，而且也逐步引入了导航与通信融合星座的问题，还形成了如修娜空间系统（Xona Space Systems）这样的初创公司。从研究结果看来，低轨导航卫星星座，将从三方面，改变PNT服务的格局，这就是泛在化、可信化、市场化。而其真正创造的新模式，是市场化模式。 以下将从“三化一模式”来谈LEOPNT后续的发展。

低轨导航星座，将PNT服务推向泛在化的格局，实现室内外无缝定位。一年一度的慕尼黑卫星导航峰会，以其在空间和导航大国顶级代表之间的高层交流而闻名，但会议还设有丰富的技术会议，深入了解最新趋势。在2022年慕尼黑卫星导航峰会上，来自美国和欧洲的演讲者谈到了用低轨卫星于新PNT服务。进一步把低轨卫星星座的PNT服务提到可行的高度。 未来的LEO巨型星座将与现有的中轨（MEO）GNSS解决方案结合运行和/或自行提供成熟的PNT服务。它们将帮助推动最新的自主应用，利用新空间技术、5G、人工智能和有效载荷软件化等。

低轨导航卫星，将PNT服务推向可信化的格局，实现可信可靠可确保的服务。总部位于加利福尼亚州的修娜空间系统（Xona Space Systems）公司的首席执行官布赖恩﹒曼宁（Brian Manning）在关于新的天基导航概念的会议上展开的讨论中，他告诉在线参与者：“可信的位置和时间是真正任何设备或设备安全运行最基本支柱之一。

车辆，随着自主性的不断提高和人际互动的减少，这一点变得更加重要。 我们的目标是使现代技术、自主性、无人机、机器人技术成为可能，并且为了使这些应用扩展到大众，我们需要拥有强大且值得信赖的PNT，来与它们一起扩展”。

低轨导航星座，将PNT服务推向市场化的格局，实现高精度多样化服务。GNSS是当今占主导地位的PNT技术，支持大批量用户应用，但每个用户部门都有自己的需求、自己的痛点和威胁向量。一些用户正在寻找极高的精度和快速收敛，而另一些用户则更关心室内穿透和干扰保护，或GNSS的其它替代品。还有一些人专注于降低功耗和对付多路径效应。

然后是汽车自动驾驶领域，他们往往想要这一切。“在精度方面，当今理想的导航解决方案需要以每分钟内保持一英寸精度级别的性能为目标，”曼宁说，“但它还需要在分米左右的级别上非常非常可靠的实现，它必须在没有任何本地基础设施的情况下做到这一点。在现代世界，我们开始看到LEO星座可能是个明显的赢家”。

Xona正在开发使用现成组件的低成本卫星，高功率信号可以到达室内。LEO的快速几何变化意味着快速收敛。 曼宁说，与在冷战范式下开发的现有的GNSS架构不同，新的LEO架构不需要具有更高的轨道，不需要基于公共部门的控制系统或坚固的抗辐射硬件。

“我们看到的最突出的现代用户是在商业市场上，”他说，“与军方相反，保持自动驾驶汽车依次有序运作，已成为比原先GPS提出的将五枚炸弹投入同一个洞中更为热门的主题。 甚至人们正在处理的威胁空间——现在的目标是防止诸如网络攻击和欺骗攻击之类的事情，而不是战术核打击。”当曼宁提出导航可能是最后一个完全拥抱新太空时代的太空领域时，他引起了一些人的注意。“我们需要开始超越一些经典轨道”，他说。“有了新的LEO架构，你真正开始利用其他一些新空间技术，比如星间电路交叉链接和新的信号结构，来创建具有一些非常独特特征的新一代导航星座”。

至于地面控制，他说，“现在有很多我们可以利用的地面站即服务商业运营商，可见国家机构控制不一定是硬性要求，而市场化带来强大的生命力，是无法估量的驱动能量。

Xona计划在今年（2022年）晚些时候发射其前两颗演示卫星。“该脉冲（Pulsar）星座旨在提供安全、高性能的PNT服务，并围绕民用进行规划。该服务不需要任何类型的外部校正即可达到厘米级精度，事实上，它实际上包含GNSS校正作为服务的一部分，以及其他GNSS增强功能，不仅限于校正，例如安全性和完好性监测控制、采集辅助以及现代加密和身份验证技术”。

商业模式将是PNT即服务，曼宁表示 Xona已经与一级供应商和接收机制造商合作，将Pulsar功能集成到不同的用户设备中，以便在2024年底，或者2025年初推出初始服务。

为了将PNT服务，或者从广义层面而言是时空信息服务，推向一个从未有的应用与服务产业高度，将这一巨大无比的生产力，从政府部门或者相关机构手中解放出来，唯一的办法是推进市场化运作新模式。从GNSS发出的PNT服务，为时空信息服务奠定了高精度大众化产业发展的技术基础，而低轨导航卫星星座开辟的是真正的市场化的产业基础，在它基础之上，把PNT服务系统的分层结构加以完善，由技术基础（MEO）、产业基础（LEO）两个分层向外延伸，特别是向地面延伸，形成以近地分层为主的服务基础，进而实现真正实时动态地覆盖全时空，做到了无处不在、无处不在、无所不在。

欧洲航天局的ESTEC无线电导航系统和技术部门负责人莱昂内尔·雷斯（Lionel Reis）将LEO PNT描述为更大的、多层系统系统中的关键部分，以实现无处不在、可靠的分米级PNT服务，范围从室内到月球。“具有航位推算、增强数据、完好性数据的多星座GNSS非常成功，并且已经满足了很多需求。 但现在我们看到了激发PNT技术发展的趋势，超越了现有的GNSS，主要解决了要求更高的用例，例如自主系统、自主车辆和无人机的高精度和可靠的定位。另一个例子是室内定位、工业物联网（物联网），工厂中的机器控制和旁及各行各业的自主无人系统”。

今天的用户需要完全安全且有弹性的PNT、低能耗定位和进行资产跟踪。“很可能一个万能的、单一的系统、将不适合满足所有这些更苛刻的需求”，雷斯说。他坚持认为，多星座GNSS具有真正的优势，包括全球覆盖、高精度、无处不在厘米机精度、免费可用以及非常高的稳定性和安全性。“尽管如此”，他说，“与任何其他解决方案一样，它也有其缺点，比如众所周知的低信号强度脆弱性”。 雷斯表示，欧空局将扩展系统架构方法，以涵盖中高轨道GNSS，连同LEO分层和靠近地面的第三层，覆盖PNT热点。“MEO GNSS系统不断发展，”雷斯说。“在欧空局，我们正在研究伽利略第二代以及新的EGNOS开发。

同时，LEO分层卫星可以利用这些低轨道的更高动态，它们可以引入新的频率。因此，这个LEO分层可能涉及类似GNSS的系统，或5G非地面网络，即5G的天基组件。或者它可以是为海上开发的VDES（VHF 数据交换系统）信号，例如。然后在最低级别，我们可以谈论地面或无人机上的要素。我们还可以利用航位推算和用户技术的进步，例如天线分集、传感器融合等”。

雷斯说，今天的LEO计划回归了过去的概念：“我们知道子午仪（TRANSIT），是1960和 70 年代第一个可运作的LEO PNT系统。在上世纪90年代，INES概念着眼于如何重用不同种类的信号来提供来自LEO的定位服务。而今天的举措是由对替代PNT和新兴需求的日益增长的期望推动的”。他说，新空间机会可以降低在LEO部署大型空间基础设施的成本，自2018年左右以来，我们已经看到全球商业和机构举措的加速。最近的LEO计划包括中国的CentiSpace项目、美国的机构计划，包括 DARPA的Blackjack项目，以及像 Xona正在推进的商业项目。“阿联酋正在考虑在LEO中部署GNSS增强系统”，雷斯说，“在欧洲，我们最近在法国、芬兰和欧盟层面在安全空间连接系统框架内采取了LEO举措。“再一次，LEO真正有趣的机会是在GNSS等其他天基PNT提供的功能（例如室内覆盖）之上带来频率分集、超越LS波段的甜蜜点、测量分集和附加功能。

与MEO相比，LEO还具有更高的动态性，这导致了整体误差去相关过程，同时也会导致多径白化，以及PPP有更快的收敛时间，最后可能意味着更短的中断率。此外，由于简化了制造和发射，新空间和 LEO巨型星座正在引入托管有效载荷和卫星通信集成的机会，降低部署成本并缩短上市时间”。这就是市场化的威力，它有融合化创新的所有不可或缺、不可替代的能力和吸引力，关键还是用户需求驱动。

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