日常生活中，我們都曾遇到過(guò)這樣的麻煩事：在陌生街角開(kāi)啟手機(jī)導(dǎo)航前，軟件總提示“請(qǐng)水平轉(zhuǎn)動(dòng)手機(jī)以校準(zhǔn)方向”，我們不得不原地轉(zhuǎn)上一圈，才能讓導(dǎo)航箭頭朝向正確。這是因?yàn)椋粡V泛使用的GPS、北斗等無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)只能精確告訴我們“身在何處”，無(wú)法直接告知我們“面朝何方”。
清華大學(xué)的這項(xiàng)研究，則能幫你解決這個(gè)麻煩——時(shí)空信息精密感知技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室邢飛教授團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了基于衛(wèi)星光學(xué)信號(hào)的全球性導(dǎo)航原理與方法。研究團(tuán)隊(duì)于2024年6月6日在酒泉發(fā)射了清華光學(xué)導(dǎo)航雙星NS-3A/B（納星三號(hào)A、B星）。同年11月15日，清華光學(xué)導(dǎo)航雙星NS-4A/B（納星四號(hào)A、B星）在文昌發(fā)射中心通過(guò)貨運(yùn)飛船天舟八號(hào)運(yùn)抵空間站組合體，釋放后與前期的NS-3A/B構(gòu)成光學(xué)導(dǎo)航衛(wèi)星星座。該成果入選2024年清華大學(xué)最受師生關(guān)注的年度亮點(diǎn)成果。
清華納衛(wèi)星發(fā)射與全球性光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)能通過(guò)一顆衛(wèi)星同時(shí)確定主體的位置和朝向。隨著清華光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星的成功發(fā)射和部署，這項(xiàng)由“光”引領(lǐng)的全新導(dǎo)航技術(shù)，將作為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的有力補(bǔ)充，為地面提供更精準(zhǔn)、安全的導(dǎo)航服務(wù)。
“人造北極星”
導(dǎo)航包括兩個(gè)核心部分：一方面是通過(guò)測(cè)量確定目標(biāo)的姿態(tài)朝向和位置；另一方面是引導(dǎo)目標(biāo)，使其能夠從一個(gè)地方成功地移動(dòng)到另一個(gè)地方。其中的測(cè)量，是測(cè)量目標(biāo)相對(duì)于某一固定的空間基準(zhǔn)來(lái)完成的。
為了實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的導(dǎo)航，從古至今，人類(lèi)一直在尋找更可靠的空間基準(zhǔn)。曾經(jīng)，航海家只能通過(guò)仰望北極星來(lái)辨別自己的朝向，恒星就是一種空間基準(zhǔn)。隨著衛(wèi)星時(shí)代的到來(lái)，以GPS、北斗為代表的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航衛(wèi)星成為全新的動(dòng)態(tài)空間基準(zhǔn)，它們以全天候、全球覆蓋的優(yōu)勢(shì)，成為了現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的導(dǎo)航基礎(chǔ)設(shè)施。
“無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航主要以‘測(cè)距’為主?！毙巷w說(shuō)，“它通過(guò)精確測(cè)量接收機(jī)與至少四顆衛(wèi)星之間的距離來(lái)確定位置。這個(gè)距離實(shí)際上是通過(guò)測(cè)量無(wú)線(xiàn)電信號(hào)從衛(wèi)星傳播到接收機(jī)所需的時(shí)間，再乘以光速計(jì)算得出的。”
但這種技術(shù)存在兩大“先天不足”。一是有位置、無(wú)方向，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)如同從四面八方傳來(lái)的聲音，我們能根據(jù)聲音大小判斷遠(yuǎn)近，卻無(wú)法辨別聲源方向，因此導(dǎo)航設(shè)備需借助內(nèi)置的電子羅盤(pán)等輔助傳感器，或通過(guò)其他方式來(lái)確定朝向。二是易受干擾，導(dǎo)航無(wú)線(xiàn)電信號(hào)波長(zhǎng)在分米級(jí)，極易受到電磁的繞射信號(hào)干擾，信號(hào)一旦被壓制或欺騙，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。例如在無(wú)人機(jī)表演等場(chǎng)景中，因電磁干擾造成的大規(guī)模設(shè)備“掉線(xiàn)”事件屢見(jiàn)不鮮，暴露了其脆弱性。
而光學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航則能避免這兩種短板，它主要利用衛(wèi)星發(fā)射光學(xué)信號(hào)，用一種更接近人類(lèi)觀(guān)星辨位的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。“光學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航的原理，非常類(lèi)似于我們夜晚辨認(rèn)北極星?！毙巷w介紹道，“無(wú)論身在何處，只要抬頭看到北極星，我們立刻就能知道北方在哪里。不過(guò)恒星太遠(yuǎn)了，我們無(wú)法精確知曉與它的距離，進(jìn)而無(wú)法精準(zhǔn)定位。而光學(xué)導(dǎo)航衛(wèi)星就相當(dāng)于一顆離我們很近、只有幾百公里并且精確知道其位置的‘人造北極星’?！?/p>
也就是說(shuō)，光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星是能夠自主發(fā)光的導(dǎo)航衛(wèi)星，地面通過(guò)接收其發(fā)射的光學(xué)信號(hào)，能同時(shí)計(jì)算出主體的位置和朝向。更重要的是，光學(xué)信號(hào)具有較強(qiáng)的抗電磁波干擾性，光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星能在天氣晴朗時(shí)提供更穩(wěn)定、安全的導(dǎo)航服務(wù)。
納星三號(hào)（左）和四號(hào)（右）實(shí)體圖。
由“光”引領(lǐng)航向
光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星具體是如何提供導(dǎo)航服務(wù)的？首先，衛(wèi)星要在浩瀚宇宙中完成精確地自主導(dǎo)航。一方面，光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星通過(guò)星敏感器、微型太陽(yáng)敏感器等光學(xué)載荷精準(zhǔn)識(shí)別恒星、太陽(yáng)，確定自身姿態(tài)朝向，確保太陽(yáng)能板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)、發(fā)光載荷指向地面區(qū)域。另一方面，光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星通過(guò)接收測(cè)控、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的信號(hào)來(lái)確定自己在航行軌道上的準(zhǔn)確位置。
光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星軌道示意圖。
在此基礎(chǔ)上，光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星便可為地面目標(biāo)提供導(dǎo)航服務(wù)：擁有確定位置的衛(wèi)星對(duì)地面進(jìn)行光學(xué)信號(hào)廣播，同時(shí)，地面的光學(xué)傳感器會(huì)對(duì)衛(wèi)星發(fā)射的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。接收到光學(xué)信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)光線(xiàn)進(jìn)行高精度的角度測(cè)量，融合恒星方位與衛(wèi)星精確位置，同時(shí)完成目標(biāo)“定位”與“定向”的雙重任務(wù)。
據(jù)邢飛介紹，在將光學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航從原理變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)攻克了兩大核心技術(shù)難題：
一是解決衛(wèi)星光信號(hào)覆蓋與快速捕獲難題。與無(wú)線(xiàn)電通信的寬波束覆蓋不同，光學(xué)通信通常使用相對(duì)較窄的光束直接指向接收器。當(dāng)光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星從數(shù)百公里外進(jìn)行廣播時(shí)，其光學(xué)接收機(jī)指向必須精確，否則，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的通信。研究團(tuán)隊(duì)將激光技術(shù)與衛(wèi)星機(jī)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)信號(hào)大范圍覆蓋。同時(shí)，為了幫助地面在盡可能大的天區(qū)范圍內(nèi)精準(zhǔn)、快速捕捉到光學(xué)導(dǎo)航衛(wèi)星，研究團(tuán)隊(duì)從昆蟲(chóng)復(fù)眼結(jié)構(gòu)中得到啟發(fā)，首創(chuàng)了“復(fù)眼式”光學(xué)系統(tǒng)方案：利用先進(jìn)的集成技術(shù)，將多個(gè)高分辨率的小型光學(xué)單元整合起來(lái)，做到既保證每個(gè)單元的測(cè)量準(zhǔn)確度，又能擴(kuò)大信號(hào)接收覆蓋范圍。
光學(xué)傳感器。
二是攻克高精度測(cè)角難題。想要獲得米級(jí)甚至更高精度的導(dǎo)航定位結(jié)果，光學(xué)傳感器對(duì)光學(xué)信號(hào)角度的測(cè)量精度要達(dá)到角秒級(jí)（約0.0003度）。因?yàn)樵趲装俟锏能壍栏叨壬?，微小角度誤差會(huì)被大幅放大：“測(cè)量在800公里的高度上發(fā)射的光學(xué)信號(hào)，如果測(cè)的角度偏差了0.1度，定位誤差就可能達(dá)到公里級(jí)。”邢飛解釋道。
研究團(tuán)隊(duì)將星敏感器技術(shù)、太陽(yáng)敏感器技術(shù)和激光測(cè)量技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)突破。邢飛說(shuō)：“我們的思路是進(jìn)一步細(xì)分光學(xué)相機(jī)的分辨率?，F(xiàn)在我們細(xì)分的技術(shù)可以達(dá)到千分之五個(gè)像素，大幅提升了光學(xué)相機(jī)的分辨率?！?/p>
構(gòu)建更安全、強(qiáng)大的導(dǎo)航系統(tǒng)
目前，已經(jīng)發(fā)射的四顆光學(xué)導(dǎo)航納衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)、艦船等載體的全球性光學(xué)導(dǎo)航驗(yàn)證。該導(dǎo)航系統(tǒng)在實(shí)踐中展現(xiàn)出更精確、更安全、更自主的特征：其導(dǎo)航精度比傳統(tǒng)天文光學(xué)方法高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并在復(fù)雜電磁環(huán)境下展現(xiàn)出了強(qiáng)大的抗干擾能力。
但這僅僅是一個(gè)開(kāi)始，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)由更多光學(xué)導(dǎo)航衛(wèi)星組成的全球星座?！拔覀兡壳暗囊?guī)劃是在約816公里的近地軌道上，部署37顆衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地球南北緯60度以?xún)?nèi)區(qū)域的全球覆蓋。”邢飛介紹說(shuō)，這覆蓋了全球絕大部分人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)域。
這項(xiàng)技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，尤其在蓬勃發(fā)展的低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)、電動(dòng)垂直起降飛行器等設(shè)備可利用光學(xué)導(dǎo)航徹底擺脫地面無(wú)線(xiàn)電干擾，確保航行安全；在月球等深空探測(cè)領(lǐng)域無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航信號(hào)較弱的特殊區(qū)域，光學(xué)導(dǎo)航也能為其提供有力補(bǔ)充……
從仰望星空到創(chuàng)造“星辰”，光學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航不僅是對(duì)地面、低空導(dǎo)航技術(shù)的一次顛覆性創(chuàng)新，更是我國(guó)在航天領(lǐng)域自主創(chuàng)新、勇攀科技高峰的生動(dòng)寫(xiě)照。它將作為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，與其共同構(gòu)建一個(gè)更加強(qiáng)大、更安全、更穩(wěn)定的導(dǎo)航系統(tǒng)。
可以預(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)由“光”指引的航程將更加精準(zhǔn)、安全，并深刻改變我們的世界。
