一群畢業于斯坦福大學博士生和碩士生,他們已經具有在SpaceX、福特汽車系統公司、藍色起源、布茲·艾倫·漢密爾頓和其他公司中的工作經驗,最近組織起來成立了一家初創公司,以啟動低地球軌道導航(簡稱其為LEO PNT),成為GPS和其他GNSS(簡稱為MEO GNSS)的繼承者。他們說,現有的MEO GNSS服務不能適應自主的自動化和無人系統的挑戰。他們希望所創立了Xona空間系統公司,所倡導的LEO PNT以取代有點老舊感的全球衛星導航系統(GNSS)。但是理想很豐滿,現實卻很骨感??梢哉f,期待之說有點過,互補與后備是可以的。
“每年超過3000億美元依靠的是安全難于受保護的導航網絡。智能自主系統需要完善的導航系統解決方案,該解決方案必須為數百萬用戶提供對安全至關重要的服務運作,實現厘米級定位和網絡安全性。”
計劃于今年9月的ION / IEEE PLANS會議上發表的一篇論文中,他們提出了使用低地球軌道(LEO)衛星星座,以及正在申請專利的Pulsar PNT服務的方法。該公司聲稱,Pulsar將提供比標準GNSS更好十倍的精度、更強的信號、信號加密和更快的收斂時間。LEO的功能包括:一種低成本的導航有效載荷,其開始于原子鐘的去除,取而代之的是依靠機載GNSS接收器來確定時間和軌道;簡化的信號結構,只用兩個分量;還能夠利用由GNSS無線電掩星提供的商業天氣數據市場進行大氣校正等等副產品。
Xona空間系統公司最近獲得了100萬美元的種子前資金。該公司總部位于加利福尼亞州圣馬特奧,已在英國成立了一家子公司,并在倫敦任命了歐洲負責人,并計劃在英國雇用更多的員工。其創始人包括泰勒·里德(Tyler Reid),他是“北美公路上的獨立定位和RTK GNSS”一文的合著者(發表于《GNSS內參》2020年1-2月刊),還有一馬古寧(Kazuma Gunning),是2019年《GNSS內參》網絡研討會的“自主汽車應用天線”的演講者,和《用于GNSS防欺騙的消費者大眾市場加速度計》一文的合著者阿德里安·珀金斯(Adrien Perkins)(發表于《GNSS內參》2017年9-10月刊),以及《保護GNSS的安全的下行密碼學之路》一文的合著者安德魯·尼什(Andrew Neish)(該文發表于《GNSS內參考》2020年5-6月刊)。
ION / IEEE PLANS論文題目是《自動化時代的衛星導航》,文章得出的結論是:“大約300余顆衛星的LEO星座可以提供與當今GPS類似的覆蓋范圍。由OneWeb、SpaceX、Telesat和Amazon等公司建造的成千上萬個衛星組成的寬帶星座,現在已經在裝配線上批量生產了功能強大的衛星和組件,從而為以前無法想象的太空基礎設施創造了生態系統。在這場革命中,可以想象出只需花費一顆GPS III衛星(3.45億美元)就可以建造一個LEO導航星座(每顆衛星為100萬美元)。”
基于商業寬帶近地軌道(LEO)衛星星座的潛在定位、導航和授時(PNT)技術的預期正在建立。這些航天器比中軌或對地靜止軌道上的傳統全球導航衛星系統(GNSS)距離更近,數量也更多,它們的應答器既具有極高的增益,又可獲取廣泛的頻譜。因此,潛在的商業LEO PNT信號比傳統的GNSS更加精準、強大、可生存且抗干擾。Reid等人在他們的開創性工作中,分析了使用托管有效載荷實現的潛在系統的性能。該文將通過消除托管有效載荷方法固有的成本,工程設計和頻譜分配方面的主要障礙來加速LEO PNT的出現。取而代之的是,該文展示了LEO PNT的“融合”方法的可行性,通過這種方法,已經設計好的通信硬件和已經分配給衛星主要寬帶任務的下行鏈路頻譜可以用于PNT。
傳統GNSS的成本由國家和政府承擔,而且民用服務是免費的,與之不同,商業寬帶LEO提供商必須將成本轉嫁給用戶。為了使這種方案可行,就必須具有經濟性。也就是說,它必須提供與價格相稱的傳統(免費)GNSS的基本優勢,否則就沒有需求;并且該服務必須足夠便宜才能提供,否則將無法提供。這是一個硬幣的兩面,該文探討以下兩個方面:一方面,該系統必須提供優于傳統(免費)GNSS的基本優勢。文章將量化融合LEO PNT的許多優勢:改進的抗干擾性能(優勢為56 dB);更多的可見航天器以減少陰影;縮短積分時間以減少延遲;內置的高帶寬廣播數據通道,用于獲取最新的星歷表或短消息;與標準偽距GNSS接收機相比,極大地提高了單歷元定位精度。另一方面,服務必須對提供商具有成本效益。該文將表明,就衛星在提供PNT信號和重新定相天線方面所花費的時間(作為單個1 MB / s下行流)而言,向300 km2的區域提供PNT服務的成本大致相同。該文將進一步說明該系統如何適應愿意花更多錢購買提高精度或抗干擾能力的用戶。
該文論證了在短期內,LEO PNT將按照Reid等人的方法運行,它被稱為多層GNSS架構:每顆衛星將攜帶GNSS接收機。這種體系結構是傳統GNSS和完全由LEO保證的全自動PNT之間的保證體系的有效對接:它依賴于可在軌道上使用的GNSS,并為地面用戶提供高度抗干擾的信號。在LEO中用衛星對GNSS接收機進行干擾或欺騙要比對地面或空中接收機進行干擾更具挑戰性,而且LEO航天器的高軌道速度將使它們迅速超出任何固定干擾器的范圍。該文將說明,由于采用了多層體系結構,融合LEO PNT的硬件成本相當適中。根據蒙特布魯克(Montenbruck)等人的軌道確定結果表明,使用星載溫度控制的晶體振蕩器(OCXO)和雙頻GNSS接收機,可實現的用戶定位誤差可低至0.558 m(水平)和0.717 m(垂直)(95%,平均水平)。