让路吧，GPS：低地球轨道导航卫星以100倍更强信号卷土重来
精选图片： 低地球轨道上Xona脉冲星卫星的概念图；图片来源：Xona Space Systems
三十多年来，GPS一直是现代文明的无声支柱，指引着从飞机降落到智能手机地图的一切。但它的信号来自20,200公里的高空，微弱如耳语。一个仅30美元的干扰器就能在整整一个街区范围内将其阻断。在战时的乌克兰，俄罗斯的电子战已使GPS制导武器失效。
如今，新一代导航卫星正通过靠近地球而卷土重来。初创公司和航天机构正在低地球轨道（约1,080公里高度）部署导航载荷，此处的信号到达强度是GPS的100倍，能够穿透建筑物、树冠和人为干扰。
“低地球轨道导航卫星的信号强度是GPS的100倍，”Jeremy Hsu在Ars Technica 7月16日关于这一新兴行业的专题报道中写道。
Xona的脉冲星卫星星座
领先的商业参与者是Xona Space Systems，这家总部位于加利福尼亚州伯林盖姆的初创公司由SpaceX和Blue Origin的资深人士于2019年创立。该公司计划在低地球轨道部署258颗脉冲星卫星，提供厘米级定位和加密防欺骗保护。
信号强度的优势是显著的。脉冲星信号强度是民用GPS L1 C/A信号的100倍，可将干扰器有效范围减少95%。在多个国家进行的实地抗干扰测试中，该系统在GPS完全被阻断的区域仍保持了精确定位。该系统还能实现GPS无法实现的室内定位和城市峡谷导航。
Xona的卫星在毗邻GPS L1和L5的双频段上运行，采用将功率集中在中央波瓣的调制方案，以避免干扰现有GNSS服务。该系统可通过固件或软件更新与现有GPS接收器向后兼容，这意味着用户无需购买新硬件。
该公司已从Craft Ventures、Mohari Ventures、Toyota Ventures、洛克希德·马丁风险投资公司和Trimble Ventures等投资者处完成了八轮融资，筹集超过1.5亿美元，外加美国太空军提供的2,000万美元资助。
从Transit到脉冲星
低地球轨道导航的概念并不新鲜。美国海军的Transit系统从1964年运行至1990年代，使用36颗低地球轨道卫星，通过多普勒频移测量为北极星潜艇提供定位。但Transit每1至2小时才能定位一次，无法用于实时导航。GPS取而代之，在中地球轨道部署了24至31颗卫星，提供连续覆盖。
改变的是发射成本。SpaceX推动的轨道交付价格暴跌，使得建造和维护258颗卫星的低地球轨道星座在经济上变得可行——这在十年前从财务上看是不可能的。
技术原理
低地球轨道靠近地球是其核心优势。在约1,080公里高度，脉冲星卫星比位于20,200公里高度的GPS卫星近约20倍。由于信号功率遵循平方反比定律，这一差异转化为到达地面接收器的信号功率增强了约100倍。
低地球轨道卫星在天空中快速移动也带来一个好处：接收器可以在几秒钟内解决载波相位模糊度，而传统GPS精密单点定位需要10分钟以上。
低地球轨道还避开了范艾伦辐射带，因此可以使用商用现成电子元件，并实现更快的技术升级。Xona开发了专利分布式时钟架构，无需搭载原子钟。
目标精度为水平方向2厘米、垂直方向4厘米，定时精度在10纳秒以内。该公司已在Pulsar-0测试卫星上演示了加密认证水印，可防止欺骗。
部署时间表
Xona的首颗演示卫星Huginn于2022年5月发射。其首颗生产型卫星Pulsar-0于2025年6月发射，实现了仅43毫米的在轨信号用户测距误差，后通过软件更新改进至15毫米。
首批六颗生产卫星（两颗内部制造，四颗由比利时Aerospacelab承包）计划于2026年10月发射。早期商业服务预计于2027年开始，提供中纬度覆盖，随后几年扩展至完整的258颗卫星星座。
挑战与竞争
最大的挑战是星座规模。低地球轨道需要约10倍于中地球轨道的卫星才能实现同等的全球覆盖。约1,080公里高度的大气阻力会导致轨道衰减，需要站保推进剂和快速补充，特别是在太阳活动高发期。
卫星数量较少时仍存在覆盖盲区风险。持续定时服务要求城市用户视野内至少有16颗卫星，而厘米级定位需要4颗或更多。
竞争也在涌现。弗吉尼亚州的TrustPoint正计划建设一个使用C波段的300颗卫星低地球轨道导航星座，目标2027年提供服务。欧洲的ESA Celeste任务于2026年4月捕获了首个低地球轨道导航信号。中国也有实验性低地球轨道PNT卫星在轨运行。
但更广泛的背景可能是最大的驱动力。GPS干扰已达到全球创纪录水平，扰乱商业航班、海上航运和民用智能手机导航。俄乌战争表明，即使是最精密的GPS制导武器也可能被电子战削弱。正如俄亥俄州立大学导航研究员Zak Kassas告诉Ars Technica的那样：”我们需要额外的冗余层。”
婷 翻译