據美國GPS世界網站2022年12月8日報導，歐洲航天局（ESA，歐空局）部長理事會確定將投資3.51億歐元用於導航領域的項目，其中將重點關注名為「未來導航」（FutureNAV）的專項計劃。

背景

1.1 必要性

一是目前衛星導航系統的信號功率較低。目前所有的衛星導航系統都處於中地球軌道（MEO）上，主要通過軌道的緩慢運動，確保衛星導航信號的全球可用性，由於其功率相對較低，因此對地面接收機的要求比較高。

二是對始終在線、無處不在的PNT的需求在增長。當前未來智慧城市、輔助駕駛設備和城市無人機的技術和需求不斷增長，需要更精準的定位和測距能力以支持面向未來的應用。

三是對通過地理測繪實現反映微小變化的需要。現有國際地球參考框架（ITRF）已經不能滿足當前國際社會對土木工程，農業和災害管理以及輔助觀測衛星在軌測試的需要，需要結合天基測量和陸基測繪技術形成新的方法以支撐國際地球參考框架的有效優化。

「未來導航」計劃地理渲染圖

1.2 研製目標

通過近地軌道衛星星座並進行在軌演示，同時結合星基地基四種組合測量技術和手段，構建適應未來導航技術發展趨勢的新型國際地球參考框架，並實現更高的定位精度和整體信號的可用性。

低軌衛星PNT在軌試驗

該項任務被定位為近地軌道導航衛星增強系統，同時也是歐空局「多層體系」方法的一次有效驗證。歐空局一直希望採用系統的方法，擴展現有的衛星導航系統架構，使其涵蓋中高軌GNSS，連同 LEO 層和靠近地面的設備，構建三層PNT架構以覆蓋所有PNT 熱點。在LEO層可以構建類似GNSS的系統，並引入新的頻率以及提供更高的動態性。

LEO PNT概念示意圖

該項任務是利用LEO特有的優勢和附加能力的結合，以及LEO衛星發射容易快速部署的特性，最終提供更快的動態性，更低的信號損耗能力，更低的延遲等，最終可以對GNSS的韌性和魯棒性提供能力補充和備份。

最終將有大約12顆衛星組成的低軌星座進行在軌演示，實現包括PNT有效載荷、小型衛星平台、衛星發射、地面控制系統、運行系統、測試用戶終端、技術和服務端到端的演示任務，最終將提供更快更準的定位信息，並通過實現雙向鏈路服務提高整體信號的可用性。該項任務涉及GNSS系統、廣域和局域PNT服務、系統和技術、LEO衛星、小型衛星、空間等相關技術。

確定的技術方向：依賴於精確指向定位算法的快速收斂技術、增強的魯棒性、在拒止環境中的信號穿透能力等；
主要應用領域：汽車、5G無線網絡、物聯網和一般性基於位置的服務；
研製步驟：通過24-30個月的時間用於開發和啟動LEO-PNT星座的關鍵組件；通過6個月進行實驗，明確和準備項目後續工作。

「創世」組合測量技術的設計驗證

該項任務被定位為對國際地球參考框架的有效優化。其將通過開創性的基礎科學研究，利用歐洲在PNT技術，基礎設施和尖端技術方面的優勢，有史以來首次將四種天基陸基測量技術（GNSS，SLR，VLBI和DORIS）會聚到一顆校準良好的衛星上，形成一個獨特的動態天基陸基測量觀測站，配合地球上大地測繪台站和相關技術，以重塑國際地球參考框架。

該項任務構建的新國際地球參考框架，目標是實現1毫米的全球參考系統精度和0.1毫米/年的長期穩定性，並配合PNT LEO有效改進全球時間和頻率傳遞和同步，以便能夠探測到地球系統運動的最小變化。

「創世」（GENESIS）項目徽標

四種測量技術主要包括：

全球導航衛星系統（GNSS）;
衛星雷射測距（SLR）技術：利用部署在地面上的衛星雷射測距系統所發射的雷射脈衝，跟蹤觀測裝有雷射反射稜鏡的衛星，以測定觀測站到衛星之間的距離的技術和方法；
甚長基線干涉測量（VLBI）技術：用於射電天文學中的天文干涉測量方法，其運用電磁波的干涉原理，用多面天線組成射電陣面同時觀測同一個目標，觀測結果為多面鏡的干涉結果以得到很高的解析度；
陸基都卜勒無線電定軌定位系統（DORIS）：基於都卜勒效應和無線電測距原理，通過互聯的地面基準站和衛星上的各種設備來實現定軌定位的技術。

「創世」（GENESIS）原理示意圖

該項任務被認為是精確軌道測定和先進授時技術的結合以及GNSS信號的科學利用，為地球科學、基礎物理學、天文學和計量學等開闢了新天地。該項任務的研製將分為以下步驟：

第一步配備實驗設備，包括：可接收GPS信號和伽利略衛星導航系統的信號的GNSS接收機、應用不同頻率發射信號的VLBI發生器、基於無源SLR的回反射器以及最新DORIS機載接收機。所有的設備通過安裝緊湊時標有效載荷，並連接超穩振盪器實現時間同步功能。

第二步是通過2-3年完成GENESIS衛星的設計、開發、發射和運行任務，整個過程將採用精益工藝的創新試驗板和基於模型的工程設計的方法，並考慮針對現有小型衛星平台進行改造以降低成本，同時完成星上環境建模和反輻射環境建模工作，並適時完成在軌精度模擬測試等任務。

第三步是啟動和早期運行階段，將衛星送入約6000公里高的預定軌道，完成在軌調試工作。

第四步是科學應用階段，用2-3年完成數據處理、歸檔和應用分析工作，最終對現有國際地球參考框架進行優化。

評述

「未來導航」計劃構建了一個涵蓋GNSS、LEO和地面台站的歐洲未來PNT體系的雛形。該項計劃目前的兩項主要任務符合歐空局基於「多層體系」PNT服務體系的構想，可以通過LEO PNT的在軌測試和「創世」組合測量技術的設計驗證驗證其構想的可實現性和相關設想的效果。

「未來導航」計劃通過包括GNSS、LEO和多種測量技術結合的方式將提供更精確和更可靠的PNT服務。LEO PNT作為GNSS的低軌導航衛星增強系統或服務，將有效改善和增強GNSS信號固有的脆弱性，並實現更精確的PNT能力，其與空基陸基多種測量技術的結合，由於其多源的優勢以及機理的不同，其將有效地為軍民應用以及地理測繪提供更為精確的位置服務。

「未來導航」計劃具備提供軍事應用的潛力。該項計劃提供的低軌導航服務增強，高精度的定位和時間傳遞能力以及精確可靠的測繪服務，由於其性能的優異，當技術成熟並經過有效驗證時，也具備用於為軍用設備提供可靠和準確PNT服務以及軍事測繪服務的能力。

目前的「未來導航」計劃僅僅是初具雛形，不排除後續增加更多項目的可能性。但基於其「響應和領導未來導航發展趨勢」的口號來看，歐洲業界未來將建立以GNSS為核心，多種天基陸基增強系統為輔助的PNT服務體系，體現多種PNT服務手段可備份可替代，以促進多種軍民應用，而這也將是ESA對GNSS和PNT市場機會做出的快速有效反應。

參考連結：

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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轉自丨學術plus

作者丨川

編輯丨鄭實

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歐空局「未來導航」計劃詳解

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