自全球定位系統(tǒng)（GPS） 的概念於1973 年在長屋（Long Room）會議中正式誕生後，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS） 便成為定位、導航和授時（PNT） 應用不可或缺的重要工具，能夠在通用的全球座標參考系統(tǒng)中提供準確定位。
現在，這些服務由四個全球中軌道（Medium Earth Orbit；MEO）衛(wèi)星星系提供，每個星系大約包含30顆衛(wèi)星，在離地表約2萬公里的上方運行。GNSS 也獲得了可在特定區(qū)域內提供額外服務的多個區(qū)域型增強系統(tǒng)的支援，這些系統(tǒng)通常採用同步衛(wèi)星以及在它們服務地區(qū)上空的地球同步軌道衛(wèi)星。雖然 GNSS 現已幾乎無所不在，但它並不能解決所有的 PNT 問題。其主要缺點為：
●地面接收到的訊號微弱，因此容易受到有意或無意的干擾。
●微弱訊號限制了穿透建築物和天空可見度較低區(qū)域的能力。
●稠密都會區(qū)和雜亂地區(qū)會受到多重路徑的影響，使效能大幅降低。
近年來，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)星建構的衛(wèi)星通訊網路正快速普及。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路（non-terrestrial networks；NTNs），並且越來越被當成是地面蜂巢式網路的延伸，其中一些具備了PNT功能。除了這些LEO衛(wèi)星網路，還有一些組織正在探索並提出建議，欲建構以PNT為主要功能、通訊為次要功能的LEO星系。
這就引發(fā)了一個問題：除了傳統(tǒng)的 MEO GNSS 之外，LEO 衛(wèi)星星系是否能為 PNT 帶來優(yōu)勢，或者甚至取代它們？為了解析LEO系統(tǒng)可能帶來的優(yōu)點和缺點，近來針對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)和機會。
| 圖一 : 低軌衛(wèi)星通訊系統(tǒng)通常被稱為非地面網路，並且越來越被當成是地面蜂巢式網路的延伸，其中一些具備了PNT功能。 |
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LEO、MEO與其他軌道的主要區(qū)別
LEO和MEO的一個根本差異是軌道高度的選擇。對於LEO，其高度為400～1500公里，而MEO則是約20,000 公里，供四個全球GNSS星系使用，包括GPS、伽利略、北斗和GLONASS。然而，此高度蘊含了許多意義，進而導致相關的設計挑戰(zhàn)和機會，例如：
●衛(wèi)星數量
●軌道周期與傳遞次數（transit times）
●軌道穩(wěn)定度和軌道預測
●星曆的軌道管理和分配（地面支援基礎架構）
●訊號功率（發(fā)送和接收）和傳播路徑損耗
●頻段選擇
●訊號類型和結構的選擇
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，雖然，其中大部分是真的，但仍無法彌補它所帶來的挑戰(zhàn)和複雜度。讓我們來檢視一下它被宣揚的主要好處，並從GNSS接收器製造商的角度來客觀看待其優(yōu)點和缺點。
更高的訊號功率帶來更好的室內覆蓋範圍
對傳統(tǒng)RNSS頻段（L1/E1、L5/E5、L2、E6）中的訊號來說，情況不一定如此，因為某些無線電導航頻譜的功率是根據地面接收到的訊號強度進行調節(jié)的。然而，衛(wèi)星以較低功率進行傳輸，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。
另一個考慮因素是，LEO衛(wèi)星在地平線和天頂之間的相對訊號路徑長度比MEO衛(wèi)星大，因此衛(wèi)星通行期間的訊號強度變化會比MEO更大。
然而，訊號可在之前未用於衛(wèi)星PNT的新頻段中傳輸，例如S、C、K 或其他頻段。這可為接收訊號功率和電離層效應管理帶來顯著好處，但會增加接收器的複雜度。這些複雜度的增加可能會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 LEO 就自動意味著接收器的訊號功率顯著提高，但隨著使用新無線電頻段相關的複雜性增加，或目前 RNSS 頻段監(jiān)管方式的改變，這在未來可能會成為現實。
LEO PNT 將帶來更高定位精準度
| 圖二 : LEO為衛(wèi)星 PNT市場帶來了令人興奮的機會。 |
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擁有更多可用、可視的衛(wèi)星可能會提高定位準確度，但是，由於四個 MEO星系以及多達 40 顆可視衛(wèi)星已經在軌道上運行，增加更多衛(wèi)星並不一定會帶來顯著的額外效益。
由於軌道高度較低且靠近地球質量中心，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的質量。因此，除非能夠使用更先進的軌道星曆準確建模，否則LEO衛(wèi)星導致的軌道誤差可能會抵消其他優(yōu)勢。解決此問題的一種方法是，利用LEO衛(wèi)星上的GNSS 接收器來追蹤MEO訊號。
高精準度定位的另一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星天線效應的建模，與MEO衛(wèi)星相比，由於較低軌道導致的偏離天底角（off-nadir angle）更大，衛(wèi)星天線效應會加劇。
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間比MEO短得多。這意味著，接收器必須能夠快速獲取新訊號，以因應更顯著的都卜勒效應（Doppler shifts）。一方面，這提高了複雜性，但另一方面，它為利用新的訊號特性提供了機會。
儘管存在這些障礙，LEO確實提供了衛(wèi)星和使用者之間相對幾何更快變化的顯著優(yōu)勢。 這為 RTK（即時動態(tài)定位）和PPP等高精準度定位方法帶來了顯著優(yōu)勢，因為衛(wèi)星在天空中更快速的運動能夠縮短收斂時間。使用LEO星系執(zhí)行PNT功能可使PPP收斂時間不到1分鐘，而傳統(tǒng)的 MEO GNSS解決方案，通常收斂時間至少要好幾分鐘。LEO PNT可提高定位準確度，但在實現此目標之前，仍有許多挑戰(zhàn)尚待克服。
多重路徑復原能力
LEO較短的通行時間可能會為接收器帶來好處，如果它能夠利用這些特性的話。隨?衛(wèi)星在天空中移動，這會導致無線電路徑的快速變化。這種變化的無線電路徑會使通道變化更快，進而使多重路徑環(huán)境變化更迅速。透過使用現代的訊號處理技術和更長的訊號同調積分（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 可帶來更強韌的多重路徑緩解和復原能力，但這取決於星系設計和接收器中使用的訊號處理。需要進一步研究來確定可實現的效益程度。
提升抗干擾和欺騙韌性
取決於 LEO PNT 訊號的設計和建置方式，有可能會顯著提升抗干擾和欺騙能力。新頻段的使用，例如S 和 C，將帶來更大的訊號多樣性，進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功率。
新的訊號設計可以納入增強的安全性和防欺騙措施，以支援資料和訊號真實性檢查。因此，如果系統(tǒng)從一開始就以此進行設計，那麼增強的抗干擾和防欺騙功能可能是 LEO PNT 的一大優(yōu)勢。
提供更高 GNSS 定位完整性
GNSS 定位完整性有賴於能夠準確地對接收器錯誤進行建模，並檢測和減輕由「憂心事件」（例如未檢測到的衛(wèi)星故障或地磁風暴）引起的罕見錯誤。 LEO 並不一定意味著可提供更高的定位完整性，但如果採取適當的設計決策，使用新的訊號和頻段將能帶來更佳的完整性解決方案並提高安全性。
加速技術推進
衛(wèi)星正變得更小、更便宜，同時使用壽命也更短。這可望帶動技術更快速地發(fā)展，與傳統(tǒng)MEO星系相比，將能夠更快地導入新功能。
總結
簡而言之，LEO PNT可為克服現今GNSS的一些限制帶來重大貢獻。如果做出正確的設計決策，它可能會成為某些應用的遊戲規(guī)則改變者。在現實上，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用範圍。
要取得最佳的LEO解決方案仍需要大量研發(fā)工作：訊號頻段的選擇、訊號編碼、安全性以及可實現效能的正確評估。
LEO為衛(wèi)星 PNT市場帶來了令人興奮的機會，並可能預示著此技術發(fā)展的下一個創(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 的成本效益和增強效能之間取得最佳平衡。
（本文作者為u-blox GNSS定位技術主管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）
