日常生活中，我们都曾遇到过这样的麻烦事：在陌生街角开启手机导航前，软件总提示“请水平转动手机以校准方向”，我们不得不原地转上一圈，才能让导航箭头朝向正确。这是因为，被广泛使用的GPS、北斗等无线电导航系统只能精确告诉我们“身在何处”，无法直接告知我们“面朝何方”。
清华大学的这项研究，则能帮你解决这个麻烦——时空信息精密感知技术全国重点实验室邢飞教授团队首创了基于卫星光学信号的全球性导航原理与方法。研究团队于2024年6月6日在酒泉发射了清华光学导航双星NS-3A/B（纳星三号A、B星）。同年11月15日，清华光学导航双星NS-4A/B（纳星四号A、B星）在文昌发射中心通过货运飞船天舟八号运抵空间站组合体，释放后与前期的NS-3A/B构成光学导航卫星星座。该成果入选2024年清华大学最受师生关注的年度亮点成果。
清华纳卫星发射与全球性光学导航技术。
研究团队首创的光学导航系统能通过一颗卫星同时确定主体的位置和朝向。随着清华光学导航纳卫星的成功发射和部署，这项由“光”引领的全新导航技术，将作为北斗导航系统的有力补充，为地面提供更精准、安全的导航服务。
“人造北极星”
导航包括两个核心部分：一方面是通过测量确定目标的姿态朝向和位置；另一方面是引导目标，使其能够从一个地方成功地移动到另一个地方。其中的测量，是测量目标相对于某一固定的空间基准来完成的。
为了实现更精准的导航，从古至今，人类一直在寻找更可靠的空间基准。曾经，航海家只能通过仰望北极星来辨别自己的朝向，恒星就是一种空间基准。随着卫星时代的到来，以GPS、北斗为代表的无线电导航卫星成为全新的动态空间基准，它们以全天候、全球覆盖的优势，成为了现代社会不可或缺的导航基础设施。
“无线电导航主要以‘测距’为主。”邢飞说，“它通过精确测量接收机与至少四颗卫星之间的距离来确定位置。这个距离实际上是通过测量无线电信号从卫星传播到接收机所需的时间，再乘以光速计算得出的。”
但这种技术存在两大“先天不足”。一是有位置、无方向，无线电信号如同从四面八方传来的声音，我们能根据声音大小判断远近，却无法辨别声源方向，因此导航设备需借助内置的电子罗盘等辅助传感器，或通过其他方式来确定朝向。二是易受干扰，导航无线电信号波长在分米级，极易受到电磁的绕射信号干扰，信号一旦被压制或欺骗，会导致整个导航系统出现错误。例如在无人机表演等场景中，因电磁干扰造成的大规模设备“掉线”事件屡见不鲜，暴露了其脆弱性。
而光学卫星导航则能避免这两种短板，它主要利用卫星发射光学信号，用一种更接近人类观星辨位的方式实现导航。“光学卫星导航的原理，非常类似于我们夜晚辨认北极星。”邢飞介绍道，“无论身在何处，只要抬头看到北极星，我们立刻就能知道北方在哪里。不过恒星太远了，我们无法精确知晓与它的距离，进而无法精准定位。而光学导航卫星就相当于一颗离我们很近、只有几百公里并且精确知道其位置的‘人造北极星’。”
也就是说，光学导航纳卫星是能够自主发光的导航卫星，地面通过接收其发射的光学信号，能同时计算出主体的位置和朝向。更重要的是，光学信号具有较强的抗电磁波干扰性，光学导航纳卫星能在天气晴朗时提供更稳定、安全的导航服务。
纳星三号（左）和四号（右）实体图。
由“光”引领航向
光学导航纳卫星具体是如何提供导航服务的？首先，卫星要在浩瀚宇宙中完成精确地自主导航。一方面，光学导航纳卫星通过星敏感器、微型太阳敏感器等光学载荷精准识别恒星、太阳，确定自身姿态朝向，确保太阳能板对准太阳、发光载荷指向地面区域。另一方面，光学导航纳卫星通过接收测控、全球导航卫星系统的信号来确定自己在航行轨道上的准确位置。
光学导航纳卫星轨道示意图。
在此基础上，光学导航纳卫星便可为地面目标提供导航服务：拥有确定位置的卫星对地面进行光学信号广播，同时，地面的光学传感器会对卫星发射的光学信号进行探测。接收到光学信号后，系统会对光线进行高精度的角度测量，融合恒星方位与卫星精确位置，同时完成目标“定位”与“定向”的双重任务。
据邢飞介绍，在将光学卫星导航从原理变为现实的过程中，研究团队攻克了两大核心技术难题：
一是解决卫星光信号覆盖与快速捕获难题。与无线电通信的宽波束覆盖不同，光学通信通常使用相对较窄的光束直接指向接收器。当光学导航纳卫星从数百公里外进行广播时，其光学接收机指向必须精确，否则，导致无法实现与卫星的通信。研究团队将激光技术与卫星机动技术相结合，实现了光学信号大范围覆盖。同时，为了帮助地面在尽可能大的天区范围内精准、快速捕捉到光学导航卫星，研究团队从昆虫复眼结构中得到启发，首创了“复眼式”光学系统方案：利用先进的集成技术，将多个高分辨率的小型光学单元整合起来，做到既保证每个单元的测量准确度，又能扩大信号接收覆盖范围。
光学传感器。
二是攻克高精度测角难题。想要获得米级甚至更高精度的导航定位结果，光学传感器对光学信号角度的测量精度要达到角秒级（约0.0003度）。因为在几百公里的轨道高度上，微小角度误差会被大幅放大：“测量在800公里的高度上发射的光学信号，如果测的角度偏差了0.1度，定位误差就可能达到公里级。”邢飞解释道。
研究团队将星敏感器技术、太阳敏感器技术和激光测量技术相融合，实现了核心技术突破。邢飞说：“我们的思路是进一步细分光学相机的分辨率。现在我们细分的技术可以达到千分之五个像素，大幅提升了光学相机的分辨率。”
构建更安全、强大的导航系统
目前，已经发射的四颗光学导航纳卫星在国际上首次实现了对飞机、舰船等载体的全球性光学导航验证。该导航系统在实践中展现出更精确、更安全、更自主的特征：其导航精度比传统天文光学方法高了两个数量级，并在复杂电磁环境下展现出了强大的抗干扰能力。
但这仅仅是一个开始，研究团队的目标是构建一个由更多光学导航卫星组成的全球星座。“我们目前的规划是在约816公里的近地轨道上，部署37颗卫星，从而实现对地球南北纬60度以内区域的全球覆盖。”邢飞介绍说，这覆盖了全球绝大部分人口和经济活动区域。
这项技术拥有广阔的应用前景，尤其在蓬勃发展的低空经济领域，无人机、电动垂直起降飞行器等设备可利用光学导航彻底摆脱地面无线电干扰，确保航行安全；在月球等深空探测领域无线电导航信号较弱的特殊区域，光学导航也能为其提供有力补充……
从仰望星空到创造“星辰”，光学卫星导航不仅是对地面、低空导航技术的一次颠覆性创新，更是我国在航天领域自主创新、勇攀科技高峰的生动写照。它将作为北斗导航系统的补充和增强，与其共同构建一个更加强大、更安全、更稳定的导航系统。
可以预见，在不远的未来由“光”指引的航程将更加精准、安全，并深刻改变我们的世界。
