让路吧，GPS：低地球轨道导航卫星正在回归

# 让一让，GPS：低地球轨道导航卫星正在回归 来源：https://arstechnica.com/space/2026/07/move-over-gps-navigation-satellites-in-low-earth-orbit-are-making-a-comeback/ 那个被你遗忘的GPS前身正重新流行起来 Xona 计划部署 258 颗低地球轨道卫星，作为 GPS 的替代方案。 Xona Space Systems 开发的 Pulsar 卫星概念图，用于从低地球轨道提供 PNT 服务。图片来源：Xona Space Systems 运行在低地球轨道的新型导航卫星可提供比 GPS 及其他运行于更高轨道高度的全球导航卫星系统强 100 倍的信号强度——从而在密集城区、茂密植被下方甚至建筑物内部实现更高精度的定位。在商业航班、海运乃至各类智能手机应用日益遭受 GPS 干扰（https://arstechnica.com/space/2026/06/tests-suggest-russian-satellites-can-jam-gps-on-a-continental-scale/）普遍威胁的当下，这类信号也可能具备更强的抗干扰能力。 这一愿景或将在 2026 年 10 月开始成形——届时，总部位于加利福尼亚州的 Xona Space Systems 首批 6 颗量产卫星计划发射，早期服务则于 2027 年启动。待后续几年 258 颗 Pulsar 卫星全部组网完成后，Xona 声称客户将能在地球上任何地点实现厘米级精确定位。 “额外的功率意味着我们可以进入 GPS 目前无法触及的室内环境，”Xona Space Systems 联合创始人兼工程副总裁 Adrien Perkins（https://www.linkedin.com/in/adrien-perkins）向 Ars 表示。“凭借更高的功率，你在干扰环境中能够比单靠 GPS 走得更远。” Xona 已于 2025 年 7 月 1 日通过 SpaceX Falcon 9 火箭的拼车任务发射了首颗卫星 Pulsar-0。根据 Xona 的一篇博文（https://www.xonaspace.com/news/seeing-is-believing），Pulsar-0 卫星参与了“多个国家的实地干扰测试”（https://www.ion.org/jnc/abstracts.cfm?paperID=16667），展示了信号强度比 GPS 强 100 倍如何能将干扰器有效范围缩小 95%。该公司还测试了嵌入 Pulsar 信号中的反欺骗水印（https://www.xonaspace.com/news/the-next-era-of-navigation-is-secure-by-design），以帮助接收机认证卫星信号，并通过软件更新将初代卫星的“原生定位精度”从 4.2 厘米测距误差提升到 1.5 厘米精度。 与其他提供定位、导航与授时（PNT）服务的全球导航卫星系统类似，Pulsar 卫星在 10 月六颗量产卫星发射后，也可开始向中纬度地区客户提供间歇性授时信号。Xona 已签约多家精密授时客户（https://www.xonaspace.com/news/first-cutomers-precision-timekeeping），将 Pulsar 卫星信号用于金融市场、电信、数据中心（https://arstechnica.com/tag/data-center/）及交通系统的授时与同步服务。 Xona 预计其卫星最终能提供精度在 10 纳秒以内的授时基准。但与搭载昂贵原子钟以实现精确授时的 GPS 卫星不同，Pulsar 卫星将依赖于一种成本更低的软件方案来实现高精度授时。 根据 Xona 的说法，一旦星座规模增长到大约 16 颗卫星在轨，Pulsar 授时服务在城市环境中将变得更加持续可用，从而确保至少有一颗卫星能被常规观测到。该公司还指出，当一个区域上空有四颗 Pulsar 卫星可见时，即可实现厘米级定位能力；Xona 预计在全星座建设完成前，就能在“优先区域”实现这一目标。 Xona 及其他计划在低地球轨道（LEO）部署导航卫星的公司的首批客户，很可能将是“那些对可用性、弹性、完整性、认证和精度有极高要求，并且已经习惯于为优质 PNT 服务付费的组织”，俄亥俄州立大学自主系统感知、智能与导航（ASPIN）实验室主任 Zak Kassas（https://people.engineering.osu.edu/people/kassas.2）向 Ars 表示。他认为这类客户将是“国防与国家安全用户，以及负责弹性的政府机构”。 Xona Space Systems 位于加利福尼亚州伯林盖姆的卫星工厂内景。前景处有一块指示牌，指向“推进单元”、“制导与导航”和“热测试”。（https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2026/07/Xona-satellite-factory.jpg） Xona Space Systems 位于加利福尼亚州伯林盖姆的卫星工厂内景。 图片来源：Xona Space Systems Xona Space Systems 位于加利福尼亚州伯林盖姆的卫星工厂内景。图片来源：Xona Space Systems 利用 LEO 卫星提供定位与授时服务“既有益也有弊”，Kassas 在《Inside GNSS》（https://insidegnss.com/inside-leo-leo-pnt-why-now/）的专栏中解释道。益处在于：LEO 卫星由于运行距离地面更近，可以向地面接收机提供更强的信号；同时它们在天空中相对快速的移动可以通过测量方式提供额外信息，有助于地球上的定位与导航。 弊端在于：需要数百颗 LEO 卫星才能可靠地覆盖全球并提供近乎实时的定位与授时服务。部署如此多卫星的前景已不再令人畏惧——得益于 SpaceX（https://arstechnica.com/space/2026/07/rocket-developers-used-to-chase-satellite-trends-is-the-inverse-now-true/）推动的低成本火箭发射，这使得诸如 Starlink（https://arstechnica.com/tag/starlink/）等拥有数千颗卫星的大型星座得以壮大。但在 20 世纪 60 年代，美国军方部署世界上首个卫星导航系统 Transit 时，这曾是一个严重的制约因素。 ## 助力海军“静默部队” 在 GPS 之前，有 Transit。Transit 卫星系统（https://en.wikipedia.org/wiki/Transit_(satellite_navigation_system)）的构想源于约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的物理学家们，他们计算出了苏联第一颗人造卫星 Sputnik-1 的轨道。他们的工作依赖于计算 Sputnik 飞过头顶时无线电信号的多普勒频移（观测到的信号频率变化）。但进一步的讨论使他们意识到，对于一颗已知位置的卫星，其多普勒频移也可用于计算地球上信号接收机的位置。 这为 1959 年起的原型卫星发射以及 1964 年 Transit 卫星导航系统（https://timeandnavigation.si.edu/satellite-navigation/reliable-global-navigation/first-satellite-navigation-system）的投入运行铺平了道路。通过地面站跟踪卫星轨道并计算其位置，Transit 系统旨在让美国海军的“北极星”弹道导弹潜艇能够在地球上任何地方确定自己的位置。潜艇或舰船上的导航员可以通过测量飞过头顶的 Transit 卫星的多普勒频移，同时接收卫星作为传输信号预先计算好的轨道和位置数据，来确定自己的位置（https://timeandnavigation.si.edu/multimedia-asset/transit-satellite-navigation-system）。 然而，由于整个星座仅有 36 颗可用卫星，Transit 系统最多只能每隔一两小时（当卫星出现在地平线上时）提供一次定位服务。这对于系统的主要目的——帮助美国潜艇计算自身位置，作为对其打击目标进行导弹发射计算的基础——来说已经足够。但对于习惯了实时获取精确位置信息的现代用户而言，这简直像永恒那么漫长。 Transit 最终让位于 GPS 和其他运行于中地球轨道的全球导航卫星系统。这些系统使用类似数量的卫星就能在全球范围内提供近乎实时的 PNT 服务。与 Transit 系统利用多普勒频移不同，GPS 系统（https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_geodesy/geo09_gps.html）通过组合至少四颗卫星的无线电信号来计算地球上接收机的位置并解决授时误差。 Kassas 解释说，要复制 GPS 的性能，低地球轨道的卫星导航系统所需卫星数量大约是中地球轨道同类星座的 10 倍。但随着 Xona 及其他竞争对手近年来的崛起，较低的制造和发射成本使得建造并发射这样一个专门从低地球轨道提供 PNT 服务的卫星星座成为可能。 Tim Graham 正在 Xona Space Systems 负责卫星开发，涵盖硬件、软件和推进系统。（https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2026/07/Tim-at-Xona.jpg） Tim Graham 正在 Xona Space Systems 负责卫星开发，涵盖硬件、软件和推进系统。 图片来源：Xona Space Systems Tim Graham 正在 Xona Space Systems 负责卫星开发，涵盖硬件、软件和推进系统。图片来源：Xona Space Systems ## 建造并发射卫星群 Xona 已与比利时卫星制造商 Aerospacelab（https://www.aerospacelab.com/blog/press-releases-1/aerospacelab-to-supply-eight-additional-satellites-for-xona-building-on-success-of-pulsar-0-36）签约，由其制造首批搭载 Xona PNT 有效载荷的部分卫星。但该公司正专注于开发自研卫星平台，以便在其位于加利福尼亚州伯林盖姆的工厂中生产大部分计划中的 258 颗 Pulsar 卫星。 “我们内部卫星团队的第一位成员是一年多前招的，看到团队至今取得的成就，令人难以置信，”Perkins 表示。“能够引进有经验的人才，可以帮助我们从第一版的样子出发，思考如何持续优化。” Xona 近期最引人注目的招聘之一，Tim Graham（https://www.linkedin.com/in/grahamtim），曾在 SpaceX 工作了十年，负责解决工程挑战，最终成为 SpaceX Starship 火箭所用 Raptor 发动机航电系统工程经理。但他看到了将自己的专业知识和硬件生产规模化经验应用到 Xona 的机会，并于今年早些时候加入公司，领导卫星开发工作，涵盖硬件、软件和推进系统。 “如果你看看历史上重大技术发展的影响，GPS 堪称世界级变革，”Graham 告诉 Ars。“为世界带来一种更现代的 GPS 技术系统设计，是一个相当激动人心的使命。” Graham 也很欣赏能加入一家由 Xona 联合创始人兼首席执行官 Brian Manning（https://www.linkedin.com/in/brian-manning-x/）领导的公司，后者曾在 SpaceX 担任工程师，负责 Falcon 9 火箭推力结构部件的重新设计。“SpaceX 的人有点像一起经历过磨炼，所以这很匹配，”Graham 说。 该公司已经生产了两台内部自研的卫星平台，计划于 2026 年 10 月发射。当 Ars 在 6 月与 Xona 团队交流时，这些卫星平台正在进行振动测试，以检验它们在模拟火箭发射应力下的耐受能力。Graham 表示，尽早且频繁地测试硬件的极限，可以更早地发现故障，并在卫星发射入轨前更轻松地理解和缓解这些问题。 “我秉承 SpaceX 的测试理念……一个不损坏东西或不揭示新信息的测试，价值不大，”Graham 解释道。“我们就试试看，看看什么行得通，什么会坏掉，然后把它做得更坚固。” Xona 还在设计和制造 Pulsar 卫星时，使其与几乎所有火箭发射供应商兼容。“有大量新的发射供应商刚刚开始上线，并且以相当有竞争力的成本进入市场，”Graham 说。“因此，作为我们整体卫星设计的一部分，我们确实在努力与发射生态系统的未来兼容，这样我们就能利用发射机会，并随着该领域的发展降低发射成本。” 目标是在提前规划好每个发射选项可容纳多少颗 Pulsar 卫星的同时，最大限度地提高灵活性并缩短 Pulsar 星座的部署时间。“我们想与所有人合作，”Perkins 告诉 Ars。这种规划必然要求对每颗卫星的质量和外形尺寸进行设计权衡，但“工程师们很喜欢在这方面钻研，”他说。 Xona Space Systems 团队在其位于加利福尼亚州伯林盖姆的公司工厂内的合影。（https://cdn.arstechnica.net/wp-content/uploads/2026/07/Xona-team.jpg） Xona Space Systems 团队合影。 图片来源：Xona Space Systems Xona Space Systems 团队合影。图片来源：Xona Space Systems ## 硬件兼容性与可访问性 Xona 并非唯一致力于建立基于低地球轨道卫星的 PNT 服务的公司。例如，总部位于弗吉尼亚州的初创公司 TrustPoint 目标是在 2027 年开始从低地球轨道提供早期 PNT 服务，并最终建成一个由 300 颗卫星组成的星座。据 SpaceNews（https://spacenews.com/trustpoint-sets-2027-target-for-initial-rollout-of-leo-based-navigation-services/）报道，TrustPoint 专注于使用 4 到 8 GHz 范围的 C 波段卫星信号（而非 1 到 2 GHz 范围的 L 波段信号），以实现更大的数据传输量并增加干扰或欺骗的难度。 然而，Xona 选择了不同的路径——使 Pulsar 卫星信号与为 L1 或 L5 波段信号设计的地面接收机兼容。这一决定有助于 Pulsar 卫星信号更容易地与目前为 GPS 及其他全球导航卫星系统 L 波段信号设计的地面接收机和芯片组协同工作。该公司声称，部分现有硬件和接收机仅需固件和软件更新即可。 “我们的工程师会审查制造商的产品及其预期应用，制定定制的测试计划，并验证其实现是否能够接收信号，”Perkins 告诉 Ars。“美妙之处在于，实际上不需要重新设计硬件。” 为此，Xona 于 2026 年 7 月 9 日发布了其 Pulsar Verified 计划（https://www.xonaspace.com/news/introducing-pulsar-verified），为每位硬件制造商提供定制测试方案，以确保与 Pulsar 信号的兼容性。已签约加入该计划的公司包括 Trimble 和 Septentrio 等领先的 PNT 公司，以及 STMicroelectronics、Safran、StarNav 和 Keysight。 “Xona 与其他竞争对手的不同之处在于，他们旨在创建接收机生态系统的采用，”俄亥俄州立大学的 Kassas 说。 更多卫星星座的崛起