低轨导航卫星强势回归，信号强度是GPS百倍

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低轨导航卫星有望取代GPS？信号强度提升百倍

新一代低地球轨道（LEO）导航卫星的信号强度，相比在更高轨道运行的GPS及其他全球导航卫星系统（GNSS）提升了约100倍，有望在密集城市、茂密植被覆盖区域甚至建筑物内部实现更高精度的定位。与此同时，在商业航班、海上运输乃至众多智能手机应用频繁遭遇GPS干扰的当下，低轨导航系统也有望展现出更强的抗干扰能力。

这一愿景正在逐步走向现实。总部位于加利福尼亚州的Xona Space Systems计划于2026年10月发射旗下Pulsar星座的首批6颗量产卫星，并于2027年开始提供早期服务。待未来数年内258颗Pulsar卫星全部入轨后，Xona表示其客户将能够在地球任何位置实现厘米级精度的位置定位。

"更强的信号功率意味着我们可以进入GPS目前无法覆盖的室内环境，"Xona Space Systems联合创始人兼工程副总裁阿德里安·帕金斯（Adrien Perkins）表示，"更高的功率也让你在受干扰的环境中比单独使用GPS走得更远。"

Xona已于2025年7月1日通过SpaceX猎鹰9号火箭的拼车任务，将首颗卫星Pulsar-0送入轨道。该卫星已参与"多国多次实地干扰测试"，验证了100倍于GPS的信号强度能将干扰源有效覆盖区域减少95%。公司还测试了内嵌于Pulsar信号中的抗欺骗水印技术，帮助接收器验证卫星信号的真实性，并通过软件更新将首颗卫星的"原生定位精度"从4.2厘米测距误差提升至1.5厘米。

与其他提供定位、导航和授时（PNT）服务的全球导航卫星系统类似，Pulsar卫星在10月发射首批6颗量产卫星后，也将开始向中纬度地区客户间歇性提供授时信号。Xona已签约多个精密授时客户，计划将Pulsar卫星信号应用于金融市场、电信、数据中心和交通系统的授时与同步服务。

Xona预计其卫星最终将提供10纳秒以内精度的授时参考。但与GPS卫星依赖昂贵原子钟计时不同，Pulsar卫星将采用成本更低的软件方案实现精密授时。

Xona表示，随着在轨卫星数量增长至约16颗，Pulsar授时服务将在城市地区变得更加持续稳定，届时将可定期看到至少一颗卫星。公司还描述了厘米级定位能力的实现条件——需要同时接收4颗Pulsar卫星的信号，预计在完整星座建成之前，"优先区域"将率先具备这一能力。

俄亥俄州立大学自主系统感知、智能与导航（ASPIN）实验室主任扎克·卡萨斯（Zak Kassas）告诉Ars，Xona及其他低轨卫星导航系统公司的首批客户，很可能是"对可用性、弹性、完整性、认证和精度有极高要求、且已习惯为高端PNT服务付费的机构"，他认为这类客户将是"国防和国家安全用户，以及负责弹性保障的政府机构"。

利用低轨卫星提供定位和授时服务"既是福音，也是挑战"，卡萨斯在《Inside GNSS》杂志的专栏文章中解释道。福音在于低轨卫星距地球更近，可向地面接收器提供更强的信号，且其在天空中的快速移动可被测量，为地面定位和导航提供额外有用信息。

挑战则在于，需要数百颗低轨卫星才能在全球范围内可靠地提供近实时的定位和授时服务。由于SpaceX推动了低成本火箭发射的发展，部署如此多卫星的前景已不再令人望而生畏，这也催生了如星链（Starlink）等拥有数千颗卫星的巨型星座。但在美国军方于20世纪60年代部署全球首个卫星导航系统"子午仪"（Transit）时，卫星数量是制约其发展的重大瓶颈。

GPS之前的"子午仪"时代

在GPS出现之前，"子午仪"卫星导航系统承担着这一使命。"子午仪"系统的诞生，源于约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的物理学家们研究如何计算苏联第一颗人造卫星"斯普特尼克1号"的轨道。他们的研究基于计算"斯普特尼克"飞越头顶时无线电信号的多普勒频移——即观测到的信号频率变化。进一步的讨论使他们意识到，来自已知位置卫星的多普勒频移，同样可以反过来计算地面信号接收器的位置。

这一发现为1959年开始的原型卫星发射铺平了道路，"子午仪"卫星导航系统于1964年正式投入运行。借助地面站追踪卫星轨道并计算其位置，"子午仪"系统主要用于帮助美国海军"北极星"弹道导弹潜艇在世界任何地方精确确定自身位置。潜艇或舰船上的导航员可通过测量飞越头顶的"子午仪"卫星的多普勒频移，同时接收卫星预先计算好的轨道和位置数据来确定自身位置。

然而，由于完整星座仅有36颗运行卫星，"子午仪"最多只能在卫星出现于地平线时每隔一两个小时提供一次定位服务。这对于帮助美国潜艇计算导弹发射参数的主要用途而言已足够，但以现代标准来看，这种间隔几乎是无法接受的。

"子午仪"最终让位于GPS及其他运行于中地球轨道的全球导航卫星系统。这些系统以相近的卫星数量，在全球提供近实时的PNT服务。与"子午仪"利用多普勒频移的方式不同，GPS通过至少4颗卫星的无线电信号组合来计算地面接收器的位置并消除计时误差。

卡萨斯解释说，要在低地球轨道复制GPS的性能，所需的卫星数量大约是中地球轨道同类星座的10倍。但正如Xona及其他竞争对手的崛起所示，更低的制造和发射成本使得专门在低轨提供PNT服务的卫星星座成为可能。

卫星制造与团队建设

Xona已与比利时卫星制造商Aerospacelab签约，由其制造最初几颗搭载Xona PNT有效载荷的卫星。但公司的战略重心在于自主研发卫星平台，计划在加利福尼亚州伯灵格姆的工厂生产大部分共258颗Pulsar卫星。

"我们内部卫星团队的第一位成员入职至今刚过一年多，看到团队迄今取得的成就，确实令人印象深刻，"帕金斯说，"引进有经验的人才，能帮助我们从初版设计不断迭代，持续优化流程。"

Xona近期的重要新员工之一蒂姆·格雷厄姆（Tim Graham），曾在SpaceX从事工程工作长达十年，最终担任驱动SpaceX星舰火箭的猛禽发动机航空电子系统的工程经理。他看到了将自身在硬件规模化生产方面的专业经验贡献给Xona的机会，于今年早些时候加入公司，负责领导涵盖硬件、软件和推进系统的卫星开发工作。

"纵观重大技术发展对历史的影响，GPS绝对是改变世界的存在，"格雷厄姆告诉Ars，"为世界带来更现代化设计的新一代GPS系统，是一项相当令人振奋的使命。"

格雷厄姆也很高兴能加入一家由Xona联合创始人兼CEO布莱恩·曼宁（Brian Manning）领导的公司——后者曾在SpaceX担任工程师，主导猎鹰9号火箭推力结构组件的重新设计工作。"SpaceX的人共同经历过磨砺，所以彼此契合，"格雷厄姆说。

目前，公司已生产出两颗计划参与2026年10月发射任务的自研卫星平台。今年6月Ars与Xona团队交流时，这两颗卫星平台正在进行振动测试，以检验其承受模拟火箭发射应力的能力。格雷厄姆表示，尽早且频繁地测试硬件极限，可以在卫星发射前更好地发现并应对潜在故障。

"我秉承SpaceX的测试理念……一次不能打破什么或展示新发现的测试，价值并不高，"格雷厄姆解释道，"让我们大胆尝试，看看什么有效，什么会损坏，然后加以强化。"

Xona还将Pulsar卫星设计为与几乎所有火箭发射服务商兼容。"有一批新的发射服务商正在涌现，报价非常有竞争力，"格雷厄姆说，"因此，我们在整体卫星设计上，真的在努力与这一未来的发射生态系统保持兼容，以便充分利用各类发射机会和不断降低的发射成本。"

目标是在规划每种发射方案可容纳的Pulsar卫星数量的同时，实现最大的灵活性，并将星座部署所需时间降至最短。"我们希望与所有人合作，"帕金斯告诉Ars。他坦言，这样的规划必然需要在每颗卫星的质量和外形尺寸上做出设计权衡，"但工程师们乐在其中"。

低轨PNT赛道的竞争格局

Xona并非低轨PNT服务领域的唯一玩家。例如，总部位于弗吉尼亚州的初创公司TrustPoint计划从2027年开始提供低轨早期PNT服务，并最终建立一个包含300颗卫星的星座。据《SpaceNews》报道，TrustPoint选择使用4到8吉赫兹的C波段卫星信号，而非1到2吉赫兹的L波段信号，旨在实现更大的数据传输量，同时增加干扰和欺骗的难度。

然而，Xona选择了不同的路径——将Pulsar卫星信号设计为与L1或L5波段地面接收器兼容。这一决策使Pulsar信号更易于与当前为GPS及其他全球导航卫星系统L波段信号设计的地面接收器和芯片组协同工作。公司表示，部分现有硬件和接收器仅需固件和软件升级即可兼容。

"我们的工程师审查制造商的产品及其预期应用，共同制定定制化测试方案，验证该实现方案能否正常接收信号，"帕金斯告诉Ars，"妙处在于，这实际上不需要对硬件进行重新设计。"

为此，Xona于2026年7月9日宣布推出"Pulsar认证"（Pulsar Verified）计划，为每家硬件制造商提供定制化测试方案，以确保与Pulsar信号的兼容性。已加入该计划的企业包括Trimble、Septentrio等领先PNT公司，以及意法半导体（STMicroelectronics）、赛峰（Safran）、StarNav和是德科技（Keysight）。

"Xona有别于其他竞争者的地方在于，他们致力于构建接收器生态系统的广泛采用，"俄亥俄州立大学的卡萨斯评价道。

低轨卫星星座的大量涌现，甚至催生了独立导航解决方案的新机遇。卡萨斯及其同事使用现成天线并自研软件算法，利用Xona及众多其他并非专门提供PNT服务的卫星运营商（包括星链）的信号构建导航方案。他们的导航解决方案采用"旁听"技术测量信号的多普勒频移——这不禁令人想起"子午仪"卫星系统开创卫星导航能力时的先驱之举。

Q&A

Q1：Xona Space Systems的Pulsar低轨导航卫星相比GPS有哪些优势？

A：Pulsar卫星运行在低地球轨道，信号强度比GPS高出约100倍，可覆盖GPS无法到达的室内环境，并将干扰源有效覆盖区域缩减95%。完整的258颗卫星星座建成后，可实现全球厘米级定位精度，同时提供10纳秒以内精度的授时服务，抗干扰和抗欺骗能力也显著增强。

Q2：Pulsar卫星的授时服务与GPS有何不同？

A：GPS卫星依赖昂贵的原子钟来保证授时精度，而Pulsar卫星采用成本更低的软件方案实现精密授时，目标精度为10纳秒以内。这一服务将面向金融市场、电信、数据中心和交通系统等对精密授时有强烈需求的行业。

Q3：Pulsar信号能兼容现有的GPS接收器吗？

A：Xona将Pulsar信号设计为与现有L1和L5波段接收器兼容，部分现有硬件和接收器仅需固件和软件升级即可使用，无需重新设计硬件。Xona还推出了"Pulsar认证"计划，已有Trimble、Septentrio、意法半导体等多家主流PNT企业加入，确保硬件兼容性。