自全球定位系統(tǒng)（GPS） 的概念於1973 年在長(zhǎng)屋（Long Room）會(huì)議中正式誕生後，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS） 便成為定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT） 應(yīng)用不可或缺的重要工具，能夠在通用的全球座標(biāo)參考系統(tǒng)中提供準(zhǔn)確定位。

現(xiàn)在，這些服務(wù)由四個(gè)全球中軌道（Medium Earth Orbit；MEO）衛(wèi)星星系提供，每個(gè)星系大約包含30顆衛(wèi)星，在離地表約2萬(wàn)公里的上方運(yùn)行。GNSS 也獲得了可在特定區(qū)域內(nèi)提供額外服務(wù)的多個(gè)區(qū)域型增強(qiáng)系統(tǒng)的支援，這些系統(tǒng)通常採(cǎi)用同步衛(wèi)星以及在它們服務(wù)地區(qū)上空的地球同步軌道衛(wèi)星。雖然 GNSS 現(xiàn)已幾乎無(wú)所不在，但它並不能解決所有的 PNT 問(wèn)題。其主要缺點(diǎn)為：

●地面接收到的訊號(hào)微弱，因此容易受到有意或無(wú)意的干擾。

●微弱訊號(hào)限制了穿透建築物和天空可見度較低區(qū)域的能力。

●稠密都會(huì)區(qū)和雜亂地區(qū)會(huì)受到多重路徑的影響，使效能大幅降低。

近年來(lái)，利用低軌道（Low Earth Orbit；LEO）星系（通常距離地表 400～1500 公里），由較小、較低成本衛(wèi)星建構(gòu)的衛(wèi)星通訊網(wǎng)路正快速普及。目前已有許多此類星系興起，包括最廣為人知的Starlink、OneWeb、Kuiper、Iridium等。這些低軌衛(wèi)星通訊系統(tǒng)通常被稱為非地面網(wǎng)路（non-terrestrial networks；NTNs），並且越來(lái)越被當(dāng)成是地面蜂巢式網(wǎng)路的延伸，其中一些具備了PNT功能。除了這些LEO衛(wèi)星網(wǎng)路，還有一些組織正在探索並提出建議，欲建構(gòu)以PNT為主要功能、通訊為次要功能的LEO星系。

這就引發(fā)了一個(gè)問(wèn)題：除了傳統(tǒng)的 MEO GNSS 之外，LEO 衛(wèi)星星系是否能為 PNT 帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，或者甚至取代它們？為了解析LEO系統(tǒng)可能帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，近來(lái)針對(duì)此議題已展開了大量研究。在本文中，我們將探討衛(wèi)星接收器製造商面臨的一些挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)。

圖一 : 低軌衛(wèi)星通訊系統(tǒng)通常被稱為非地面網(wǎng)路，並且越來(lái)越被當(dāng)成是地面蜂巢式網(wǎng)路的延伸，其中一些具備了PNT功能。

LEO、MEO與其他軌道的主要區(qū)別

LEO和MEO的一個(gè)根本差異是軌道高度的選擇。對(duì)於LEO，其高度為400～1500公里，而MEO則是約20,000 公里，供四個(gè)全球GNSS星系使用，包括GPS、伽利略、北斗和GLONASS。然而，此高度蘊(yùn)含了許多意義，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)，例如：

●衛(wèi)星數(shù)量

●軌道周期與傳遞次數(shù)（transit times）

●軌道穩(wěn)定度和軌道預(yù)測(cè)

●星曆的軌道管理和分配（地面支援基礎(chǔ)架構(gòu)）

●訊號(hào)功率（發(fā)送和接收）和傳播路徑損耗

●頻段選擇

●訊號(hào)類型和結(jié)構(gòu)的選擇

解開LEO PNT的迷思

我們從研究人員和支持者那裡聽到並讀到了LEO PNT可提供的許多優(yōu)勢(shì)，雖然，其中大部分是真的，但仍無(wú)法彌補(bǔ)它所帶來(lái)的挑戰(zhàn)和複雜度。讓我們來(lái)檢視一下它被宣揚(yáng)的主要好處，並從GNSS接收器製造商的角度來(lái)客觀看待其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

更高的訊號(hào)功率帶來(lái)更好的室內(nèi)覆蓋範(fàn)圍

對(duì)傳統(tǒng)RNSS頻段（L1/E1、L5/E5、L2、E6）中的訊號(hào)來(lái)說(shuō)，情況不一定如此，因?yàn)槟承o(wú)線電導(dǎo)航頻譜的功率是根據(jù)地面接收到的訊號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)的。然而，衛(wèi)星以較低功率進(jìn)行傳輸，這有助於使衛(wèi)星變得更小、更便宜，而不是在地面接收上接收到更高功率的訊號(hào)。

另一個(gè)考慮因素是，LEO衛(wèi)星在地平線和天頂之間的相對(duì)訊號(hào)路徑長(zhǎng)度比MEO衛(wèi)星大，因此衛(wèi)星通行期間的訊號(hào)強(qiáng)度變化會(huì)比MEO更大。

然而，訊號(hào)可在之前未用於衛(wèi)星PNT的新頻段中傳輸，例如S、C、K 或其他頻段。這可為接收訊號(hào)功率和電離層效應(yīng)管理帶來(lái)顯著好處，但會(huì)增加接收器的複雜度。這些複雜度的增加可能會(huì)影響接收器的成本和功率需求，並使天線變得昂貴。

因此，我們不能說(shuō) LEO 就自動(dòng)意味著接收器的訊號(hào)功率顯著提高，但隨著使用新無(wú)線電頻段相關(guān)的複雜性增加，或目前 RNSS 頻段監(jiān)管方式的改變，這在未來(lái)可能會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

LEO PNT 將帶來(lái)更高定位精準(zhǔn)度

圖二 : LEO為衛(wèi)星 PNT市場(chǎng)帶來(lái)了令人興奮的機(jī)會(huì)。

擁有更多可用、可視的衛(wèi)星可能會(huì)提高定位準(zhǔn)確度，但是，由於四個(gè) MEO星系以及多達(dá) 40 顆可視衛(wèi)星已經(jīng)在軌道上運(yùn)行，增加更多衛(wèi)星並不一定會(huì)帶來(lái)顯著的額外效益。

由於軌道高度較低且靠近地球質(zhì)量中心，LEO衛(wèi)星軌道可能不如 MEO 穩(wěn)定。畢竟，地球的巖石體並不是均質(zhì)的質(zhì)量。因此，除非能夠使用更先進(jìn)的軌道星曆準(zhǔn)確建模，否則LEO衛(wèi)星導(dǎo)致的軌道誤差可能會(huì)抵消其他優(yōu)勢(shì)。解決此問(wèn)題的一種方法是，利用LEO衛(wèi)星上的GNSS 接收器來(lái)追蹤MEO訊號(hào)。

高精準(zhǔn)度定位的另一個(gè)挑戰(zhàn)是衛(wèi)星天線效應(yīng)的建模，與MEO衛(wèi)星相比，由於較低軌道導(dǎo)致的偏離天底角（off-nadir angle）更大，衛(wèi)星天線效應(yīng)會(huì)加劇。

由於LEO的軌道高度較低，衛(wèi)星從地平線到地平線的通行時(shí)間比MEO短得多。這意味著，接收器必須能夠快速獲取新訊號(hào)，以因應(yīng)更顯著的都卜勒效應(yīng)（Doppler shifts）。一方面，這提高了複雜性，但另一方面，它為利用新的訊號(hào)特性提供了機(jī)會(huì)。

儘管存在這些障礙，LEO確實(shí)提供了衛(wèi)星和使用者之間相對(duì)幾何更快變化的顯著優(yōu)勢(shì)。 這為 RTK（即時(shí)動(dòng)態(tài)定位）和PPP等高精準(zhǔn)度定位方法帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樾l(wèi)星在天空中更快速的運(yùn)動(dòng)能夠縮短收斂時(shí)間。使用LEO星系執(zhí)行PNT功能可使PPP收斂時(shí)間不到1分鐘，而傳統(tǒng)的 MEO GNSS解決方案，通常收斂時(shí)間至少要好幾分鐘。LEO PNT可提高定位準(zhǔn)確度，但在實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)之前，仍有許多挑戰(zhàn)尚待克服。

多重路徑復(fù)原能力

LEO較短的通行時(shí)間可能會(huì)為接收器帶來(lái)好處，如果它能夠利用這些特性的話。隨?衛(wèi)星在天空中移動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電路徑的快速變化。這種變化的無(wú)線電路徑會(huì)使通道變化更快，進(jìn)而使多重路徑環(huán)境變化更迅速。透過(guò)使用現(xiàn)代的訊號(hào)處理技術(shù)和更長(zhǎng)的訊號(hào)同調(diào)積分（coherent integration），接收器可利用這些更快速變化的多重路徑條件，以提供更佳的多重路徑緩解能力。

LEO PNT 可帶來(lái)更強(qiáng)韌的多重路徑緩解和復(fù)原能力，但這取決於星系設(shè)計(jì)和接收器中使用的訊號(hào)處理。需要進(jìn)一步研究來(lái)確定可實(shí)現(xiàn)的效益程度。

提升抗干擾和欺騙韌性

取決於 LEO PNT 訊號(hào)的設(shè)計(jì)和建置方式，有可能會(huì)顯著提升抗干擾和欺騙能力。新頻段的使用，例如S 和 C，將帶來(lái)更大的訊號(hào)多樣性，進(jìn)而提供更好的抗干擾能力。某些頻段也可能允許更高的訊號(hào)功率。

新的訊號(hào)設(shè)計(jì)可以納入增強(qiáng)的安全性和防欺騙措施，以支援資料和訊號(hào)真實(shí)性檢查。因此，如果系統(tǒng)從一開始就以此進(jìn)行設(shè)計(jì)，那麼增強(qiáng)的抗干擾和防欺騙功能可能是 LEO PNT 的一大優(yōu)勢(shì)。

提供更高 GNSS 定位完整性

GNSS 定位完整性有賴於能夠準(zhǔn)確地對(duì)接收器錯(cuò)誤進(jìn)行建模，並檢測(cè)和減輕由「憂心事件」（例如未檢測(cè)到的衛(wèi)星故障或地磁風(fēng)暴）引起的罕見錯(cuò)誤。 LEO 並不一定意味著可提供更高的定位完整性，但如果採(cǎi)取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)決策，使用新的訊號(hào)和頻段將能帶來(lái)更佳的完整性解決方案並提高安全性。

加速技術(shù)推進(jìn)

衛(wèi)星正變得更小、更便宜，同時(shí)使用壽命也更短。這可望帶動(dòng)技術(shù)更快速地發(fā)展，與傳統(tǒng)MEO星系相比，將能夠更快地導(dǎo)入新功能。

總結(jié)

簡(jiǎn)而言之，LEO PNT可為克服現(xiàn)今GNSS的一些限制帶來(lái)重大貢獻(xiàn)。如果做出正確的設(shè)計(jì)決策，它可能會(huì)成為某些應(yīng)用的遊戲規(guī)則改變者。在現(xiàn)實(shí)上，業(yè)界可能需要混合使用MEO、GEO和LEO衛(wèi)星，以盡可能涵蓋最大的應(yīng)用範(fàn)圍。

要取得最佳的LEO解決方案仍需要大量研發(fā)工作：訊號(hào)頻段的選擇、訊號(hào)編碼、安全性以及可實(shí)現(xiàn)效能的正確評(píng)估。

LEO為衛(wèi)星 PNT市場(chǎng)帶來(lái)了令人興奮的機(jī)會(huì)，並可能預(yù)示著此技術(shù)發(fā)展的下一個(gè)創(chuàng)新階段。這需要星系所有者和接收器製造商的密切合作，才能在創(chuàng)新以及維持衛(wèi)星 PNT 的成本效益和增強(qiáng)效能之間取得最佳平衡。

（本文作者為u-blox GNSS定位技術(shù)主管David Bartlett、u-blox資深首席工程師Olivier Julien、u-blox資深首席工程師Chris Hide、u-blox資深研究工程師Jos Prakash）