低轨PNT，需要市场化和完整的解决方案

大家有没有发现，在低地球轨道星座运作中，美国是以马斯克的星链为主，也就是卫星互联网，英国“一网”亦然。欧洲则把LEO PNT专门拎出来，但是停留在做试验的基础上。我国低轨卫星星座，也是以卫星互联网，或者说是物联网展开，同时甚嚣尘上的是卫星遥感，而且尺度很大，这是真正的市场需求吗？而真正的低轨导航卫星，在中国涉及者不多，真正深入涉足者更少。有的是以低轨通信卫星来为导航起到增强作用，如何增强，讲的清清楚楚的不多。

2021 年 6 月 17 日，SpaceX 猎鹰 9 号从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的 40 号航天发射场发射了一颗 GPS 3 卫星。图片来源：美国太空军      

由于GNSS过分强大，而且在今后相当长时期内，它还是PNT信息的主要提供者，所以大家想象不出来，低轨导航卫星星座还有多大的发展余地。GPS仅仅在美国的年度经济影响力就达到5000亿美元，而在欧洲10%的GDP与GNSS有关，全世界活跃在用的各种GNSS终端设备数量，超过70亿台套。但是，人们对于GNSS的过度依赖，以及GNSS的脆弱性威胁和无法应用到非暴露空间，特别是室内的现实，给低轨导航卫星留下了足够的想象空间。关系LEO PNT，在世界上还真有个特例，那就是美国的修娜（Xona）空间系统公司，这个公司，蛮有意思，它是专门冲着做导航来的。修娜公司认为，位置和时间是互联世界的基本组成部分。每天，当任何一项技术启动时，它都必须回答相同问题，即 “何时 ”和 “何地”。多年来，我们一直在使用 GNSS来获取这些信息。然而，近年来技术一直在蹒跚前行，现在需要比GNSS本身所能提供的更高的精度和保护才能安全运行。在Xona，我们相信自动驾驶汽车、机器人、人工智能和空中交通等现代技术有可能大幅提高人类的生活质量。近年来，这些技术取得了长足的进步，并且在结构化环境中已经证明了它们的实用性。没有现代基础设施的非结构化环境仍然对扩展到有限区域之外构成重大挑战。太空的超能力是可扩展性。我们相信，通过将整个世界变成一个结构化的环境，并将这些技术的优势带到最需要的地方，太空是释放这些技术真正潜力的关键。想象一下这样一个世界：机器人农业可以减少发展中国家的饥饿，或者自动驾驶汽车在暴风雪中比人类驾驶员更安全，或者危险的采矿工作可以被自动驾驶设备取代。我们的使命很简单。最大限度地发挥现代技术的影响。通过提供地球上最强大、最准确的导航和授时服务，打破当今困扰增长和扩张的界限。

几十年来，全球定位系统 （GPS） 星座一直是全球首选的导航工具，为从航空母舰到 Uber 司机的一切提供指引。但 GPS 容易受到干扰和欺骗。恶意行为者可以故意破坏或纵信号，从而导致定位信息不准确或具有误导性。这些漏洞危及关键基础设施、应急响应和军事行动，促使人们对替代 PNT 或不依赖 GPS 的定位、导航和授时技术越来越感兴趣。虽然五角大楼长期以来一直在寻求增强 GPS 能力，包括使用盟军备份系统，但它现在正在探索一个蓬勃发展的商业市场，承诺提供创新选项来减少对 GPS 的依赖。为了响应军方对 PNT 替代品的呼吁，公司正在排队提供产品，以填补 GPS 变暗时的空白。这些应用范围从利用现有蜂窝基础设施的地面网络到广播 PNT 信号的低轨道小型卫星的新星座。

美国太空部队的一名守护者在科罗拉多州的施里弗太空部队基地进行 GPS 电磁干扰训练。图片来源：美国太空军 Ethan Johnson 摄

对替代PNT（或者说是互补PNT）的需求不断增长

面对GPS如此多的风险，包括多种多样的干扰和欺骗，以及卫星导航本身的信号脆弱性威胁，五角大楼在过去十年中已采取行动为 GPS 添加安全功能，包括一种称为 M 代码的更强信号，即军用代码的缩写，它比民用信号更抗干扰。M 代码在较新的 GPS 卫星中可用，但大多数美国军队无法利用它，因为支持 M 代码的接收器尚未广泛使用。作为 GPS 被拒绝时的后备选项，一些军事平台能够使用机载传感器来跟踪其位置并在不使用外部信号的情况下保持时间。军用战斗机使用 GPS 与惯性导航系统配对，因此如果 GPS 出现故障，飞行员仍然可以完成任务。其他 PNT 备份使用天文导航或地形参考导航来确定位置，后者使用周围地形的数字地图来匹配车辆的运动并更新其位置。

与此同时，私营部门看到了需求并开始开发 GPS 替代品。2016 年的Satelles是首批不依赖 GPS 的天基 PNT 服务之一。该公司通过Iridium Next通信卫星上的一个频道广播授时和位置信号，该频道以前用于寻呼。由于GPS的风险不断增加，太空部队现在正在寻求通过太空系统司令部的新商业太空办公室（COMSO）来利用新一波的商业创新，该办公室旨在确定有前途的技术并协调其采用。

商业 PNT 解决方案

商业PNT参与者坚称他们无法取代GPS，但正在响应美国政府和商业对备份或补充技术的需求，从而减少对单一系统的依赖。总部位于加利福尼亚州的Xona Space Systems正在开发一项专为自动驾驶汽车和无人机设计的PNT服务，该服务也针对国防市场。

“我们已经看到许多不同细分市场的需求都在增长，”该公司的联合创始人兼首席执行官布赖恩·曼宁（Brian Manning）说。Xona计划在 2025 年开始在近地轨道上建造一个由250到300颗小型卫星组成的星座。该公司根据 SBIR 合同与空军合作Lockheed Martin Ventures是其投资者之一。

曼宁说，新的低轨道天基PNT服务提供了更高的精度。与GPS相比，信号只需传播几百英里，而GPS则从地球上空约12,000英里的卫星进行广播。Xona 不打算制造用户设备，而是与现有的 GPS 设备公司合作，将公司的软件集成到他们的接收器中。

“GPS 社区已经意识到，部署新服务最昂贵和最具挑战性的部分通常不是基础设施。不是卫星。它实际上是用户设备，“曼宁说。“你真的必须能够与现有的用户设备集成，这是我们看到军队非常渴望的事情。”Manning 说，Xona 的一些合作伙伴已经制造了原型接收器，以表明他们可以接收和使用我们的信号。他补充说，国防市场现在变得有吸引力，因为政府“已经开始真正弄清楚如何与商业公司合作，尤其是近年来”。“他们正在使用 Starlink 等系统进行卫星通信。”“我们带来的是相同的方法，但在导航角色中，从历史上看，那里真的没有太多投资，”曼宁说。他说，国防部似乎准备真正开始采用 GPS 的替代方案。“你有一个单点故障，这就是我们今天使用 GPS 的情况。它存在于所有事情中都是如此根深蒂固。

四枚 GBU-39 小直径炸弹位于卡塔尔 Al Udeid 空军基地的一个储存区。美国空军将 GPS 制导的炸弹存放在战争储备弹药库中。图片来源：美国空军国民警卫队 （U.S. Air National Guard） 中士乔丹·马丁 （Jordan Martin） 摄

美国空军将探索修娜空间系统公司的 GPS 商业替代方案

总部位于加利福尼亚州的初创公司 Xona Space Systems 于 2 月 25 日宣布，该公司已获得空军研究实验室（AFRL）价值 460 万美元的合同，以展示其基于卫星的定位、导航和授时（PNT）服务如何支持军事行动。Xona 正在通过一个名为Pulsar的近地轨道 （LEO） 卫星星座开发一种商业 PNT 服务，该服务旨在作为全球定位系统（GPS）的补充和备份。美国军方对测试Pulsar在无人驾驶飞机作和自动驾驶汽车方面的能力特别感兴趣，在这些领域，精确导航至关重要。

修娜公司去年筹集了 1900 万美元的风险投资，并正在寻求国防合同，因为军方对使 PNT 来源多样化以减轻 GPS 中断带来的风险的兴趣日益浓厚。该公司在一份声明中表示：“通过这份合同，Xona 将在多个商业用户设备和各种情况下展示其 Pulsar 高性能卫星导航服务的关键性能方面，包括 GPS 和其他全球导航卫星信号（GNSS）可能受到质疑或拒绝的情况。

为了执行合同，Xona与多家PNT用户设备供应商合作，包括QinetiQ、StarNav和Locus Lock，它们将提供支持 Pulsar 的设备进行测试。AFRL 资助的演示最初将在模拟环境中进行，然后在 Xona 的第一颗 Pulsar 卫星发射后过渡到现场试验。该卫星计划于 2025 年 6 月部署在 SpaceX 的 Transporter-14 拼车任务中，该任务将携带多颗小型卫星进入轨道。

“我们已经能够为第一颗卫星提供间歇性能力，”Xona 联合创始人兼首席执行官布赖恩·曼宁 （Brian Manning） 告诉 SpaceNews。“我们计划在 2026 年底增加发射，以便在 2027 年初进行第一阶段的运营服务。”