欧空局“未来导航”计划详解

据美国GPS世界网站2022年12月8日报道，欧洲航天局（ESA，欧空局）部长理事会确定将投资3.51亿欧元用于导航领域的项目，其中将重点关注名为“未来导航”（FutureNAV）的专项计划。

01

背景

1.1 必要性

一是目前卫星导航系统的信号功率较低。目前所有的卫星导航系统都处于中地球轨道（MEO）上，主要通过轨道的缓慢运动，确保卫星导航信号的全球可用性，由于其功率相对较低，因此对地面接收机的要求比较高。

二是对始终在线、无处不在的PNT的需求在增长。当前未来智慧城市、辅助驾驶设备和城市无人机的技术和需求不断增长，需要更精准的定位和测距能力以支持面向未来的应用。

三是对通过地理测绘实现反映微小变化的需要。现有国际地球参考框架（ITRF）已经不能满足当前国际社会对土木工程，农业和灾害管理以及辅助观测卫星在轨测试的需要，需要结合天基测量和陆基测绘技术形成新的方法以支撑国际地球参考框架的有效优化。

“未来导航”计划地理渲染图

1.2 研制目标

通过近地轨道卫星星座并进行在轨演示，同时结合星基地基四种组合测量技术和手段，构建适应未来导航技术发展趋势的新型国际地球参考框架，并实现更高的定位精度和整体信号的可用性。

02

低轨卫星PNT在轨试验

该项任务被定位为近地轨道导航卫星增强系统，同时也是欧空局“多层体系”方法的一次有效验证。欧空局一直希望采用系统的方法，扩展现有的卫星导航系统架构，使其涵盖中高轨GNSS，连同 LEO 层和靠近地面的设备，构建三层PNT架构以覆盖所有PNT 热点。在LEO层可以构建类似GNSS的系统，并引入新的频率以及提供更高的动态性。

LEO PNT概念示意图

该项任务是利用LEO特有的优势和附加能力的结合，以及LEO卫星发射容易快速部署的特性，最终提供更快的动态性，更低的信号损耗能力，更低的延迟等，最终可以对GNSS的韧性和鲁棒性提供能力补充和备份。

最终将有大约12颗卫星组成的低轨星座进行在轨演示，实现包括PNT有效载荷、小型卫星平台、卫星发射、地面控制系统、运行系统、测试用户终端、技术和服务端到端的演示任务，最终将提供更快更准的定位信息，并通过实现双向链路服务提高整体信号的可用性。该项任务涉及GNSS系统、广域和局域PNT服务、系统和技术、LEO卫星、小型卫星、空间等相关技术。

• 确定的技术方向：依赖于精确指向定位算法的快速收敛技术、增强的鲁棒性、在拒止环境中的信号穿透能力等；
• 主要应用领域：汽车、5G无线网络、物联网和一般性基于位置的服务；
• 研制步骤：通过24-30个月的时间用于开发和启动LEO-PNT星座的关键组件；通过6个月进行实验，明确和准备项目后续工作。

03

“创世”组合测量技术的设计验证

该项任务被定位为对国际地球参考框架的有效优化。其将通过开创性的基础科学研究，利用欧洲在PNT技术，基础设施和尖端技术方面的优势，有史以来首次将四种天基陆基测量技术（GNSS，SLR，VLBI和DORIS）会聚到一颗校准良好的卫星上，形成一个独特的动态天基陆基测量观测站，配合地球上大地测绘台站和相关技术，以重塑国际地球参考框架。

该项任务构建的新国际地球参考框架，目标是实现1毫米的全球参考系统精度和0.1毫米/年的长期稳定性，并配合PNT LEO有效改进全球时间和频率传递和同步，以便能够探测到地球系统运动的最小变化。

“创世”（GENESIS）项目徽标

四种测量技术主要包括：

• 全球导航卫星系统（GNSS）;
• 卫星激光测距（SLR）技术：利用部署在地面上的卫星激光测距系统所发射的激光脉冲，跟踪观测装有激光反射棱镜的卫星，以测定观测站到卫星之间的距离的技术和方法；
• 甚长基线干涉测量（VLBI）技术：用于射电天文学中的天文干涉测量方法，其运用电磁波的干涉原理，用多面天线组成射电阵面同时观测同一个目标，观测结果为多面镜的干涉结果以得到很高的分辨率；
• 陆基多普勒无线电定轨定位系统（DORIS）：基于多普勒效应和无线电测距原理，通过互联的地面基准站和卫星上的各种设备来实现定轨定位的技术。

“创世”（GENESIS）原理示意图

该项任务被认为是精确轨道测定和先进授时技术的结合以及GNSS信号的科学利用，为地球科学、基础物理学、天文学和计量学等开辟了新天地。该项任务的研制将分为以下步骤：

第一步配备实验设备，包括：可接收GPS信号和伽利略卫星导航系统的信号的GNSS接收机、应用不同频率发射信号的VLBI发生器、基于无源SLR的回反射器以及最新DORIS机载接收机。所有的设备通过安装紧凑时标有效载荷，并连接超稳振荡器实现时间同步功能。

第二步是通过2-3年完成GENESIS卫星的设计、开发、发射和运行任务，整个过程将采用精益工艺的创新试验板和基于模型的工程设计的方法，并考虑针对现有小型卫星平台进行改造以降低成本，同时完成星上环境建模和反辐射环境建模工作，并适时完成在轨精度模拟测试等任务。

第三步是启动和早期运行阶段，将卫星送入约6000公里高的预定轨道，完成在轨调试工作。

第四步是科学应用阶段，用2-3年完成数据处理、归档和应用分析工作，最终对现有国际地球参考框架进行优化。

04

评述

“未来导航”计划构建了一个涵盖GNSS、LEO和地面台站的欧洲未来PNT体系的雏形。该项计划目前的两项主要任务符合欧空局基于“多层体系”PNT服务体系的构想，可以通过LEO PNT的在轨测试和“创世”组合测量技术的设计验证验证其构想的可实现性和相关设想的效果。

“未来导航”计划通过包括GNSS、LEO和多种测量技术结合的方式将提供更精确和更可靠的PNT服务。LEO PNT作为GNSS的低轨导航卫星增强系统或服务，将有效改善和增强GNSS信号固有的脆弱性，并实现更精确的PNT能力，其与空基陆基多种测量技术的结合，由于其多源的优势以及机理的不同，其将有效地为军民应用以及地理测绘提供更为精确的位置服务。

“未来导航”计划具备提供军事应用的潜力。该项计划提供的低轨导航服务增强，高精度的定位和时间传递能力以及精确可靠的测绘服务，由于其性能的优异，当技术成熟并经过有效验证时，也具备用于为军用设备提供可靠和准确PNT服务以及军事测绘服务的能力。

目前的“未来导航”计划仅仅是初具雏形，不排除后续增加更多项目的可能性。但基于其“响应和领导未来导航发展趋势”的口号来看，欧洲业界未来将建立以GNSS为核心，多种天基陆基增强系统为辅助的PNT服务体系，体现多种PNT服务手段可备份可替代，以促进多种军民应用，而这也将是ESA对GNSS和PNT市场机会做出的快速有效反应。

参考链接：

https://www.gpsworld.com/esa-funding-expanded-to-help-boost-leading-role-in-satellite-navigation；

https://www.esa.int/Applications/Navigation/New_navigation_missions_for_enhanced_satnav_and_Earth_mapping；

https://ideas.esa.int/apps/IMT/UploadedFiles/00/f_08094c5955a483010e6ab290c96d67c1/RFI_GENESIS_v1.0.pdf?v=1656010296；

https://ideas.esa.int/apps/IMT/UploadedFiles/00/f_c65b5668babd367a5b6445edb4cf3a46/RFI-LEO-PNT_IoD.pdf?v=1656010296；

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转自丨学术plus

作者丨 川

编辑丨郑实

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