下一代卫星导航技术：信号强 100 倍，精度 10cm，有望替代 GPS

本月晚些时候，一颗重量为 150 公斤的卫星将搭乘 SpaceX Transporter 14 火箭发射升空。这颗看似不起眼的卫星，实则肩负着重大使命 —— 进入轨道后，它将对旨在弥补美国全球定位系统（GPS）缺陷的超高精度下一代卫星导航技术进行测试。

这颗卫星是名为 “脉冲星”（Pulsar）的卫星群的首颗卫星，该卫星群由总部位于加州的 Xona Space Systems 公司精心开发。最终，该公司计划在低地球轨道上部署一个由 258 颗卫星组成的庞大卫星群。虽然这些卫星的运行方式与用于 GPS 的卫星有相似之处，但它们的轨道距离地球表面约 12,000 英里，相较于 GPS 卫星，其发射的信号更强、更精确，并且具备更强的抗干扰能力。

Xona 首席技术官兼联合创始人泰勒・里德 (Tyler Reid) 指出：“由于距离地球更近，我们发出的信号将比 GPS 信号强大约一百倍。这不仅意味着干扰器对我们系统的覆盖范围会大幅缩小，而且我们的信号还能深入室内，穿透多层墙壁。” 以目前的技术水平来看，这一特性在很多应用场景中具有极大的优势，比如室内定位、复杂建筑环境下的导航等。

21世纪的卫星导航系统

回顾卫星导航系统的发展历程，第一个 GPS 系统于 1993 年投入使用。几十年来，它已成为世界不可或缺的基础技术之一。GPS 卫星发射的精确定位、导航和授时（PNT）信号，其应用范围广泛，远不止手机上的谷歌地图。它可以引导海上石油钻井平台的钻头精准作业，为金融交易添加精确的时间戳，还能帮助同步世界各地的电网，确保电力系统的稳定运行。

然而，尽管 GPS 系统至关重要，但它却极易受到各种干扰。干扰源涵盖了从太空天气到 5G 基站，甚至价值仅几十美元、手机大小的干扰器。多年来，专家们一直在关注这个问题，但自俄罗斯入侵乌克兰以来，该问题在过去三年里变得尤为突出。这场战争中无人机战争的兴起，引发了一场技术研发竞赛，各方试图通过干扰无人机导航所需的 GPS 信号（或伪造信号，制造虚假的定位数据）来阻止无人机袭击。

问题的关键在于距离。GPS 卫星群由 24 颗卫星和少量备用卫星组成，位于地球上方 12,550 英里（20,200 公里）的中地球轨道。当它们的信号到达地面接收器时，由于信号极其微弱，很容易被干扰器干扰。其他现有的全球导航卫星系统星座，如欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯和中国的北斗，也存在类似的架构问题，面临着相同的干扰风险。

当里德和联合创始人布莱恩・曼宁于 2019 年创立 Xona Space Systems 时，他们最初的目标是让自动驾驶汽车更加完善。

当时，Uber 和 Waymo 的数十辆自动驾驶汽车已在美国高速公路上行驶，它们配备了价格昂贵的传感器套件，如高分辨率摄像头和激光雷达。工程师们认为，更精确的卫星导航系统可以减少对这些传感器的依赖，从而有可能打造出价格合理、安全可靠的自动驾驶汽车，并使其最终成为主流。里德表示，未来某一天，汽车甚至可能能够相互共享定位数据。但他们深知，GPS 的精度远远不足以让自动驾驶汽车精确地保持在车道线内，并安全地避开道路上的其他物体。在建筑密集的城市环境中，由于信号容易在墙壁上反射，GPS 的误差问题更为明显。

里德认为：“GPS 的优势在于它是一种无处不在的系统，在世界各地都能以相同的方式运行。但它最初设计的目的是支持军事任务，实际上就是为了让军事行动能够在同一地点投下五枚炸弹。然而，这种米级的精度远远不足以引导机器到达它们需要去的地方，也无法安全地与人类共享物理空间。”

于是，里德和曼宁开始思考如何构建一个基于太空的 PNT 系统，该系统不仅可以完成 GPS 的功能，而且性能更优，精度可达 3 英寸（10 厘米）或更低，并且在各种具有挑战性的条件下都能保持绝对的可靠性。

最简单的方法是让卫星更靠近地球，这样数据就能实时到达接收器，避免因信号传输延迟而造成不准确的定位。低地球轨道卫星信号更强，更能抵御各种干扰。在 GPS 诞生之初，实现这样的低地球轨道卫星群是不可能的。因为低地球轨道卫星群（高度可达 1200 英里，即 2000 公里）需要数百颗卫星才能实现全球持续覆盖。长期以来，太空技术过于庞大且成本高昂，无法实现如此大规模的卫星群部署。然而，在过去十年里，更小的电子设备和更低的发射成本改变了这一现状。

紧急事项

里德回忆道：“2019 年，我们刚开始的时候，低地球轨道的生态系统确实蓬勃发展。我们见证了星链（Starlink）、一网（OneWeb）和其他星座项目的崛起。” 如今，随着地缘政治紧张局势的加剧，人们对 GPS 脆弱性的担忧日益增加。寻找可靠的替代方案已成为一项重要的战略任务。

尤其是在乌克兰，GPS干扰和欺骗已经变得如此普遍，以至于美国珍贵的精确制导武器，例如高机动火箭炮系统，实际上变得无效。作为战争象征的第一人称视角无人机制造商不得不重新关注人工智能驱动的自主导航，以保持这些无人机的竞争力。

问题迅速蔓延至乌克兰以外。芬兰和爱沙尼亚等与俄罗斯接壤的国家抱怨称，GPS干扰和欺骗日益猖獗，影响了该地区的商业航班和船舶。但苏黎世联邦理工学院的空间安全研究员克莱门斯·波瓦里尔 (Clémence Poirier) 表示，GPS 干扰问题并不局限于战区附近。

“基础款干扰器非常便宜，而且网上每个人都能轻松获取，”Poirier 说，“即使是最简单的，只有手机大小的干扰器，也能干扰方圆一百米甚至更远的 GPS 信号。”

2013年，一名卡车司机使用这种设备向老板隐瞒自己的位置，意外干扰了新泽西州纽瓦克机场周围的GPS信号。2022年，达拉斯沃斯堡国际机场报告了24小时的GPS中断，导致其一条跑道暂时关闭。干扰源一直未被发现。同年，丹佛国际机场也经历了长达33小时的GPS中断。

争夺PNT

面对 GPS 的诸多问题，众多公司纷纷投身于寻找替代方案的研发中。Xona 并非唯一一家希望为日益脆弱的 GPS 提供备份的公司。总部位于加州圣克拉拉的 Anello Photonics 和总部位于悉尼的 Advanced Navigation 等公司正在测试地面解决方案 —— 体积小巧、价格实惠的惯性导航设备。这些设备依靠陀螺仪和加速度计，根据车辆自身的运动推断其位置。当这些技术集成到 PNT 接收器中时，可以帮助检测 GPS 欺骗，并在干扰期间接管导航。惯性导航技术已经存在了几十年，但近年来光子技术和微机电系统的进步使其逐渐成为主流。

法国航空航天和国防集团赛峰集团正在开发一种通过光纤网络分发 PNT 数据的系统，光纤网络构成了全球互联网基础设施的骨干。不过，太空领域的吸引力依然巨大，能够随时随地到达任何地点的能力，正是让 GPS 从一个鲜为人知的军事系统变成如今大多数人生活中不可或缺的基础设施的关键因素。

Xona 也可能会面临一些太空领域的竞争。总部位于弗吉尼亚州的 TrustPoint 目前正在筹集资金，用于构建自己的低地球轨道 PNT 星座；还有人提议，SpaceX 的 Starlink 信号也可以重新用于提供 PNT 服务。为了巩固自身的市场地位，Xona 希望通过设计与 GPS 兼容的信号，使 GPS 接收器制造商能够轻松地将新星座插入现有技术中。

尽管整个卫星群至少要到 2030 年才能建成并运行，但里德表示，一旦其中 16 颗卫星进入轨道，Xona 的系统将为现有的 GPS 基础设施提供宝贵的补充。此次即将发射的卫星是在名为 “Huginn” 的演示任务三年前对该技术的基础进行了测试之后的进一步尝试。这颗名为 “Pulsar - 0” 的新卫星将用于测试该系统抵抗干扰或欺骗的能力。Xona 计划明年发射另外四艘航天器，并希望到 2030 年部署大部分星座。