信息来源：微信公众号《斗室智库》
这不是开玩笑，这是一个不错的主意。利用现成的终端设备，就能够接收未来的卫星信号，这样做，把许多应用与服务的资源充分用起来，而且依托原有的产业基础，不需要大量投入，就能够将产业做大做强，这是低地球轨道（LEO）PNT的一种创新。有个刚刚起步的修娜空间系统（Xona Space System）公司，就是这样干的。一下子，把多个卫星导航公司，而且是大公司都动员起来了。那是涉及到天空地三体，以及信号和终端，是个系统性升级问题，决不是那么简单的系统创新。
当Xona于2019年开始涉足商业卫星导航时，已有四个全球系统在中地球轨道运行，三个区域系统部署在地球同步轨道。国家为建立传统星座和全球导航定位基础设施进行了非凡投资。尽管创新带来了用新信号导航的新方式，但行业深度依赖的基础设施仍是创新被采用的主要障碍。全球使用超过60亿台支持GNSS的设备，任何要求制造商添加新的不兼容硬件的服务提供商都会面临集成挑战，将使高级能力仅限于最昂贵的解决方案，并强化其他设备的现状。在GNSS已使用频率进行广播时，在任何广播开始前都会受到严格的审查。GPS实在太关键了——即使是短暂的中断也会造成广泛的中断，预计北美每天经济影响超过10亿美元。
克服这些障碍缓慢且昂贵，需要许多新进入者所缺乏的监管、技术和财政资源。因此，快速创新变得至关重要。不仅是为了引入新功能，更是确保兼容性、市场准入以及在所有用户层级的有意义的采用。2022年发射了我们的先驱卫星Huginn后，我们不得不问自己：在一个依赖根深蒂固基础设施的行业中，快速创新是什么样的？
1.地球上的三体问题
答案不是单一的突破，而是承认了复杂性的存在。GNSS不仅仅是单一产品，而是由三个截然不同且紧密耦合的社区组成的生态系统：卫星、接收器和测试设备。任意两方需要第三方才能有效。
在轨道力学中，“三体问题”指的是当三个天体同时相互作用时，预测运动的挑战。每个天体相互影响，因此没有简单的一次性解决方案，只有持续调整。GNSS的采用遵循同样的模式。为了正确融入这样一个根深蒂固的市场，并确保无缝采纳，公司必须在卫星、模拟器和测试设备以及接收器社区的各个层面上进行应对。
2.第一实体：卫星、信号与频谱
任何卫星网络的新进入者都从频谱开始。国际和美国的频谱分配定义了可行范围，提供了三种主要选项：成熟的L波段;印度NAVIC和中国北斗地区采用的较少使用的S波段;以及2019年大部分未被使用的C波段。由于Wi-Fi和蓝牙在S波段中广泛存在，干扰风险已被充分理解。对于2022年推出的Huginn，我们选择同时构建L波段和C波段。C波段作为一个新兴领域，在我们能做的事情上更开放，但L波段最终设定了最重要的限制。为了取得成功，我们必须与传统的GNSS系统共存，保护在L5运行的航空服务，同时仍能实现实质性的性能提升。
传统上，GNSS系统通过保持均匀较低的发射功率来保护航空。但随着干扰的增加和对室内和韧性导航需求的增长，需要采取不同的方法。我们的团队发现了一个关键见解：航空接收器在低仰角下增益远高于其大部分，有效接收功率来自靠近地平线的卫星。基于此，我们设计了一个系统，卫星升起时保持静音，随着升空逐渐增加发射功率。这一设计使Pulsar能够在不影响航空服务的情况下提供高达100倍的信号功率。然而接收器制造商需要类似GNSS的信号，而客户则要求新功能：安全、认证和数据服务。
3.CDMA的由旧变新
数字信号处理和码分多址（CDMA）最早在20世纪70年代被广泛应用于GPS。GPS L1 C/A 信号采用二进制相位移键控（BPSK），通过使载波相位移位 180 度来编码每个符号一个比特。随着电信网络在20世纪80年代末的扩展，他们采用了正交相移键控（QPSK），该技术使用四相态编码每个符号两位——在同一带宽下数据吞吐量翻倍。随着手机的普及和地面蜂窝网络的流量激增，即使是QPSK也变得不够用。出于压力，为了进一步提升带宽效率，Enhanced Feher的正交相位移键控（EFQPSK）诞生了。该数字波形于20世纪80年代末至21世纪初开发，具有与QPSK相同的特性，保持每位两个符号，同时平滑相变以减少涨落。这减少了信号在频域中的旁瓣，意味着对于相同信息的旁瓣较小，且不会像现在这样干扰邻近信号。从GNSS接收机的角度来看，EFQPSK可以被视为熟悉的BPSK信号，但从干扰角度看，它在带宽利用上更高效，将功率集中在中央瓣。从GNSS接收器的角度来看，EFQPSK可以被看作熟悉的BPSK信号。从干扰角度看，它的频谱效率显著更高。在一个完整的循环时刻——从导航影响电信，再到电信影响导航，我们采用了EFQPSK作为Pulsar信号架构的方案。我们的演示任务在C波段传输了EFQPSK，使我们能够在更新颖的频段快速测试技术。在所有早期试验中，社区反馈一致且果断：使用L波段。相比之下，C波段需要新的射频元件和较长的设计周期，显著放缓了采用速度。Xona 最终目标是服务所有 GNSS 用户。我们的商业模式不是制造新的GNSS接收器，而是与已有GNSS接收器的合作伙伴合作，并用新型信号升级其能力。接收方现在可以通过对现有硬件的软件更新，在数周甚至数天内整合我们的L波段信号。我们的道路很明确——有意义且无阻碍的采用需要在L波段内创新。
GPS的L1和L5（灰色）以及脉冲星X1和X5（青绿色）信号存在于频域中。Pulsar的相邻特性意味着相同的硬件路径允许Xona信号进入现有接收器，而分离和不同的调制（形状）则使Pulsar不会干扰GPS。
4.第二实体：接收者与接收者伙伴
Xona的商业模式从未是制造商用接收机。但在我们最初的任务中，我们很快体会到了理解它们如何建造以及我们将如何建造它们所带来的价值。
为了测试卫星的精度，我们需要能够与信号同步演变的接收器。为了验证模拟器实现，我们需要参考接收器。为了验证第三方接收器，我们需要基线信号接收数据进行比较。对于Pulsar-0来说，这意味着在卫星旁建造接收器，作为引领生态系统的最佳实践和加速发展的工具。如今，脉冲星支持着一个蓬勃发展的接收器和模拟器生态系统，能够跟踪轨道上的脉冲星Pulsa-0，并模拟我们今天的完整星座。与传统GNSS在代际时间尺度上演进并通过新信号的引入不同，我们预计会更快地引入新功能。因此，我们的卫星采用软件定义，采用灵活的消息结构。这意味着新的数据产品可能明天就在我们的频段上交付，使最新设备具备新功能，同时不破坏以往的实现。不断演进和新功能的引入意味着接收机实现应领先，以支持快速原型制作、模拟器验证和验证具备最新能力的Pulsar接收机。
继脉冲星0号发射之后，我们现在广播靠近GPS L1和L5的信号，称为X1和X5。这一里程碑是在美国及国际监管层面广泛协调后实现的，使Xona成为首家获得FCC许可、在GNSS L波段运营的商业运营商。接收器行业的整合便利性已亲眼见证，多家商业接收机在发射数日内即可追踪Pulsar-0信号。它还涉及为促进接收器开发而构建的生态系统和验证流程，特别是与GNSS模拟器社区合作。
5.第三实体：GNSS模拟器
GNSS模拟器是卫星导航系统在星座尚未完成前就启动的场所。这些实验室系统生成真实的射频信号，详细模拟轨道、多普勒频移、调制、安全和数据帧。它们使接收器能够在受控环境中获取、跟踪、解码、认证并生成时间和位置。
通过模拟器，设备制造商和客户能够在现实场景中直观地体验Pulsar的价值，比如在密集城市中导航。脉冲星更快的轨道运动帮助接收器区分反射。模拟器，比如Spirent的这个实例，显示卫星信号被阻挡（橙色）或以多径（蓝色）形式反射，只有部分信号保持直接视线（绿色）。
对于没有完整星座在轨道的初创企业来说，模拟器是必不可少的。为了让接收器合作伙伴在发射前能够集成Pulsar，模拟器支持必须优先。这种早期访问带来了两个关键优势：一是让合作伙伴在信号上线后立即投入工作，二是通过提前验证集成，降低了技术栈的风险——使行业合作伙伴更容易实现信号整合。
但模拟器也带来了一个熟悉的三体问题。没有实时卫星，模拟器合作伙伴基于接口控制文档实现信号。接球方的搭档也是如此。当轨道信号最终到达时，卫星、模拟器和接收机三者必须达成一致。如果不这样做，哪一个才是对的？与轨道三体问题类似，没有静态解。对Xona来说，这意味着要精通卫星、模拟器和接收器三个领域。
6.行业三体问题的解决方案
普遍兼容性并非仅凭单一设计选择或技术突破。它通过不断变化和变化的生态系统中的持续协调构建——并通过与用户社区的积极协作。
GNSS长期以来被视为静态基础设施，主要受政府需求和代际时间表影响。通过直接与商业用户、集成商和合作伙伴合作，Xona正在帮助重塑这一模式——引入一个随着客户需求演进的系统，同时保持与全球已依赖的设备和基础设施的兼容性。协作才是让兼容性成为可能的关键。