GPS过时?卫星导航悄然加速进化

　　8月13日，美国火神火箭成功发射NTS-3卫星。这是美国国防部近50年来首次部署的新型实验性导航卫星。相比GPS系统，美国正在研究建设的新一代天基导航系统具有哪些优势?应用了哪些新技术、新设计?纵览各国航天规划，未来卫星导航系统将会怎样发展?

　　北斗系统实现了多轨道卫星组网

　　四大进步超越GPS

　　NTS-3卫星是美国空军研究实验室与太空军太空系统司令部的合作产物，集成了多项关键技术，特别是新一代定位、导航与授时技术。该卫星计划在轨进行为期一年的测试，旨在改善天基导航系统的定位精度，增强使用灵活性和安全性。

　　对比GPS系统，NTS-3卫星的主要技术创新包括以下4点：

　　其一，信号传输模式从“单向广播”变成“双向通信”。

　　传统GPS卫星只负责发送信号，虽然简单可靠，但限制了系统性能。NTS-3卫星引入了双向通信能力，能够同时发送和接收信号。一方面，卫星参考用户信息“反馈”，可以实时调整和优化信号传输，改善定位精度。另一方面，双向通信能够帮助卫星完成更复杂的信号处理工作，应用专门设计的防信号欺骗技术，从而提高系统安全性，特别有利于军事应用。

　　其二，NTS-3卫星搭载了号称当今最先进的原子钟。作为星载核心组件，原子钟的工作精度是影响卫星导航系统定位精度的核心要素之一。外界分析美国相关技术发展情况，认为冷原子钟或汞离子钟配备NTS-3卫星的可能性较大，两者的日稳定度均为10-16数量级，为提供更高精度的导航服务奠定了基础。

　　其三，NTS-3卫星应用了软硬件协同抗干扰技术，确保更加安全可靠。

　　得益于半导体和计算机技术进步，NTS-3卫星配备了工艺更先进的专用集成电路、数字信号处理器、现场可编程门阵列等器件，计算性能与抗辐射能力均大幅提升。而且，它使用的在轨可重新编程数字波形生成器、相控阵天线与L频段放大器均有助于通过灵活调整信号、功率增强、信号认证等操作，提升抗干扰能力。

　　此外，NTS-3卫星通过处理器和地面任务应用软件，支持快速部署新信号，同时保持兼容现役GPS系统。也就是说，未来天基导航系统面对复杂干扰和欺骗威胁时，可以迅速调整信号，确保使用安全。面临全新应用需求时，系统也能快速提供相应的信号支持，不必等待新一代卫星入轨。这对于提升系统安全性、抗干扰能力和服务质量具有重要意义。

　　其四，GPS卫星通常在中地球轨道上运行，而NTS-3卫星将在更高的地球同步轨道上运行，应用动态波束切换技术，将信号定向到广泛区域内的多个位置的接收器。而且，不同于传统GPS卫星通常采用固定信号覆盖模式，NTS-3卫星将在全地球覆盖模式和多个区域波束模式之间灵活切换，以便集中能量，确保某些特定区域的定位精度更高、信号更强。也就是说，动态波束切换技术既能提高系统的灵活性和适应性，又可以改善能源利用效率，延长卫星使用寿命。

　　群雄争相更新换代

　　目前，全球卫星导航应用市场格局正处于以美国GPS、中国“北斗”、欧洲“伽利略”、俄罗斯“格洛纳斯”四大系统为主，其他区域系统并存的时代。

　　美国GPS堪称全球卫星导航系统的“先行者”，长期不断推进升级换代工作。目前，美国正在加速部署第三代GPS卫星，目标是提供更稳定的信号、更强的抗干扰能力和更高的定位精度，还通过NTS-3卫星等测试项目积极探索下一代天基导航技术。此外，美国正在推进“韧性GPS”等计划，尝试开发小型低成本星座，探索新型导航技术和星座架构，增强军民两用导航定位能力。

　　中国北斗系统已成为联合国认可的全球卫星导航系统核心供应商，实现了全球覆盖，能够在亚太地区提供性能优于GPS的服务。根据2024年11月发布的《北斗卫星导航系统2035年前发展规划》，中国将于今年完成下一代北斗系统关键技术攻关;2027年左右发射3颗先导试验卫星，开展下一代新技术体制试验;2029年左右开始发射下一代北斗系统组网卫星;2035年完成下一代北斗系统建设。

　　下一代北斗系统以“精准可信、随遇接入、智能化、网络化、柔性化”为代际特征，将为全球用户和其他定位导航授时系统提供覆盖地表开阔空间及近地空间的米级至分米级实时高精度的导航定位授时服务。

　　欧洲“伽利略”同样旨在提供高精度、高可靠性的导航服务，并期望减少对美国GPS的依赖。经历卫星制造延误、频谱分配争端、火箭延期等波折后，伽利略系统借助美国猎鹰9火箭和欧洲阿里安6火箭继续维持和扩展星座规模。此外，第二代伽利略导航卫星的研制和测试正在积极开展，以数字化和在轨重构技术为重点，计划集成先进原子钟及全电推进系统，拓展星间链路。

　　“格洛纳斯”在苏联解体后一度丧失大多数功能，俄罗斯近年来努力恢复并更新该系统，包括使用新一代格洛纳斯-K系列卫星替换旧型号卫星，延长使用寿命，改善服务性能，降低系统维护成本，增强与其他卫星导航系统的兼容性。此外，俄罗斯还在提升新型导航卫星的国产化率，克服西方制裁的消极影响。

　　日本准天顶卫星系统、印度区域导航卫星系统等依托全球卫星导航系统，尝试在特定区域内提供定位精度更高、信号更稳定的增强型导航服务。不过，这些区域导航星座面临着系统自主性不足、技术更新需求迫切、拓展应用市场不易等挑战。

　　新应用开创新天地

　　在诸多技术成果支持下，卫星导航系统正在加速升级迭代，争取尽早在军民领域大放异彩。

　　在军用领域，卫星导航系统将朝着增强抗干扰能力、提高定位精度和增强自主能力的方向发展。

　　现代战争中，干扰卫星导航信号，进而削弱和瘫痪敌方军事行动，已成为司空见惯的电子战手段。此外，各国军队要求卫星导航系统进一步提升自主性和韧性，减轻对地面站等设施的过度依赖。

　　例如，NTS-3卫星计划在轨测试跳频抗干扰、增强授时、波束成形等多项关键技术。美军希望在此基础上建设更可靠的天基定位、导航与授时系统。当传统GPS信号被干扰、系统部分节点被摧毁时，新系统将继续为陆海空天全域提供稳定的服务，提升军事行动在复杂电磁环境中的可靠性和有效性。

　　在民用领域，未来卫星导航系统将更注重高精度、广覆盖和多场景适应性。特别是在定位精度方面，卫星导航系统提供的服务将从米级向分米级甚至厘米级发展，授时精度将突破纳秒量级，从而开创更多应用场景。

　　比如，在交通运输方面，卫星导航系统将与智能交通系统深度融合，促使自动驾驶、智能物流和智能交通管理迎来更多“用武之地”，有关设备将在汽车、轨道交通、航空器、内河及远洋船舶上进一步普及推广安装。

　　再比如，在农业方面，卫星导航系统有望促使精准农业技术大力推广，助力无人自动化农机、多用途农业无人机、智能渔船等加速扩大装备规模，减轻人力负担，降低综合成本，进一步提高农业生产和资源利用效率。

　　卫星导航系统还将加速与5G/6G通信、人工智能等前沿技术融合创新，在低空经济、城市建设管理等方面发挥更出色的效能。

　　此外，卫星导航系统正在向更广阔的空间探索领域扩展应用，从近地轨道空间向地月空间乃至其他深空探测目标延伸，为科学探索和深空资源开发提供重要支持。

　　总之，随着技术进步和全球格局多元化，卫星导航技术正在经历一场悄然而深刻的革命，必将提供更高的精度、更强的抗干扰能力、更灵活的覆盖范围和更多创新应用，从而为人类社会发展进步提供强大助力。

文章转载于：中国航天报·飞天科普周刊