LEO PNT：游戏规则改变者

目前，定位、导航和授时（PNT）服务几乎完全依赖于中地球轨道（MEO）的GNSS。为了满足日益苛刻的市场需求和性能要求，导航技术的发展必须快速而又创新，依赖于涉及多层次轨道空间组件的系统构想，其中近地轨道（LEO）PNT成为一个关键因素。如今，PNT已成为我们日常生活中不可或缺的一部分，影响着关键基础设施、资产跟踪、农业和工业4.0以及智能运输系统。应用生态系统的发展正在将PNT系统推向其容量的极限，产生高度动态的研究工作，以尽可能有效和迅速地满足不断增长的需求。近地轨道（LEO）PNT已成为实现这一目标的关键要素。而它又涉及PNT应用需求的新趋势、PNT系统的演变和LEO PNT的兴起，这是满足新应用需求的根本性演变，其关键是将用户需求置于未来技术进步的中心位置。

新的PNT驱动力

今天，卫星导航通用和日常地用于专业和公共框架范畴，同时仍然保持其最初的战略目的，用于政府和军事应用。为此，多个国家开发了自己的全球卫星导航系统，例如欧盟的 Galileo、俄罗斯的 GLONASS和中国的北斗。PNT的成功和不断融入经济，反过来又引导我们提出更严格的要求。对新关键要求的竞争导致了对性能、弹性、完好性、普及性和连接性发展的空前需求。

增强的性能：这包括精度、无处不在的连续性和可用性、首次修复的时间缩短和扩展的覆盖范围。

鲁棒性：PNT必须防止干扰、欺骗和多路径等异常值和异常情况。

安全：这是由完好性和连续性目标驱动的，其中完好性是对计算位置的信任的度量。

连接：对于许多应用而言，定位应与与第三方应用交换用户位置的能力相关联，或者仅用于交换与位置相关的数据（基于位置的服务）。

泛在： 随时随地在各种恶劣的环境中进行工作越来越有其必要性。

针对不同的应用领域以统一的方式量化这些性能元素或相关的关键绩效指标（KPI）非常具有挑战性，因为运作领域及其用途因应用而异，并且在同一应用内也有所不同。这种KPI实现的几个来源可以在正在开发的最先进的解决方案中找到，体现多种多样的应用场景。

为什么卫星定位（GNSS）仍然是基石

卫星定位仍然是所有这些PNT技术的支柱，也是众多定位技术中使用最广泛的技术。是什么让卫星与所有现有和新兴的定位技术区分开来？首先，卫星定位提供了对许多应用至关重要的关键技术差异化因素：如全球覆盖、性能稳定、绝对参考与对气象和太空天气条件的适应能力。其次，该GNSS卫星是全球方法的一部分，可以承受任何本地事件或灾难，并且独立于用户数量运行。

迈向多层次轨道星座？

需要强调的是，单独考虑时，通过调整信号和星座几何形状，中地球轨道星座可以达到所考虑应用的一些PNT要求。然而，对增强性能、提高稳健性和完好性，以确保安全性的综合需求是重大技术挑战。为了应对这些挑战，我们需要一个多层次轨道的愿景。尽管中轨道（MEO）星座在设计上非常高效，但其在离开地面约20000公里的远处，受到许多限制，通常这是其优势，也是它的缺点。第一个是卫星的动态范围相对较低，这意味着它们的几何形状变化缓慢，使多径几乎是静止的，或者当旨在快速收敛到高精度位置时，不利于快速模糊分辨率的测量演变。另一个限制因素是地面接收到的信号功率低（约-155dBW），这使得它们容易受到干扰（无论是否有意）和被欺骗。最后，中轨道层代表了其战略方面所需的安全主干，这需要复杂的设计。服务演化周期可能会阻碍应用需求的动态性变化。

使用多个GNSS星座和多个频率是弹性和可用性问题的一种解决方案。然而，这并不是一种足够来抵消多路径效应的平稳性或低功耗的需求的答案。因此，这种方法通常通过在用户级别组合使用其他传感器（惯性传感器、LiDAR、摄像头等）来补充。然而，混合化方案往往也是不够的。传感器的倍增仍然存在可靠性（完好性）、连续性以及在遮蔽或模糊环境中拥有绝对参考的能力问题。为了满足快速收敛时间、可用性和弹性对高精度的需求，同时提供绝对的参考，解决方案正朝着向MEO系统添加LEO组合件的方向发展。

LEO PNT：游戏规则改变者

多年来，人们一直在研究PNT系统在LEO中的部署，包括作为专用星座和星载有效载荷。LEO PNT的直接优势在于有利的链路预算，因为它靠近地球表面，而且还具有更大的动态范围，提供自然的多径滤波和快速相位模糊解析能力，有助于增强性能，主要是在精度和首次定位时间方面有明显优势。

然而，对于同等数量的可见卫星，近地轨道比中地球轨道需要更多的卫星。通常，为了确保从地球表面的任何一点都能看到四颗卫星，需要在600公里的高度放置一个由大约300颗卫星组成的LEO星座，才能实现全球性实时定位，而MEO中只需要有30颗卫星就足矣，卫星数量10倍数增长，其成本一直高得令人望而却步。但是，有多种因素可以缓解高成本的难题。虽然，LEO的独立星座需要密集的接地段和卫星上的精确时钟，而这些时钟的体积和质量需要大型卫星。一旦我们考虑一个低轨道层，如果它依赖于携带精确时钟的中轨道层，上面所说的限制就会被取消。这同样适用于轨道计算，它不需要密集的地面段，也可以基于MEO卫星信号的测量结果。由于轨道高度低，链路预算也很有利，因此LEO PNT卫星不需要星载高功率链即可获得与地面接收的相同功率。因此，可以考虑小型准自主卫星，并在新太空方法中基于微型卫星。与MEO相比，LEO还受益于良好的辐射平衡，从而能够使用商用现货（COTS）组件。然而，这些COTS组件需要适当的实施和特定的专业知识，才能达到所需的性能和可靠性水平（辐射防护、冗余方案、板载电源管理、重新配置策略等）。最近，已经有实验系统证明这些小型卫星能够达到与关键商业任务相适应的可靠性和性能水平。该行业的活力和近地轨道的接近也导致了许多微型发射器计划和低成本发射的机会。

这些论点使LEO星座在经济上可行，即使对于大型的LEO星座也是如此。几个正在进行的项目，如CentiSpace 、Xona Space Systems 、GNSSaS 以及欧洲航天局的FutureNAV计划 ，都是全球对LEO PNT概念重新产生兴趣的例子。LEO PNT解决方案的价值现在已经得到充分证实，并且通常基于增加更大的灵活性和自由度，以及快速发展的能力，它们为：一是提高准确性和快速收敛性。这是通过在精密单点定位（PPP）解决方案中更快地解决载波相位模糊性来实现的；二是更高的稳健性。在局部GNSS干扰或干扰的情况下，LEO PNT提供替代测量，通常比GNSS MEO系统具有更高的接收功率和频率分集功能；三是提高可用性。LEO PNT提供多样化的信号（SiS）和频率，有助于提高城市或室内环境的可用性；四是增强的灵活性和可扩展性。LEO PNT提供更短的开发和演进周期，具有原生高度可扩展性，因为可以根据应用程序需求部署和优化星座；五是双向连接。 该高度非常适合终端消耗很少能量的上行链路路径，它还通过区域化传输提供了更大的信息传播能力。

LEO PNT实施前景目前根据三个不同的轴线发展而有所不同：

1. 专用的LEO PNT星座

此类星座提供针对导航进行了优化的专用、明确的信号。这种类型的星座提供频率分集，同时保持在低L、S或C频段，以实现用户细分和使用兼容性。

2. 机会星座

这些是低轨道上的星座，因此该任务本身不包括导航。导航信号是适时添加的。这种方法提供了频率分集，但与使用专为导航设计的信号和系统几何结构相比，精度自然会降低。星载天线方向图的几何形状通常不适合导航，更不用说使用原子钟了。

3.混合化通信和导航星座

电信星座的信号就是这种情况，这些信号考虑到除了通信服务之外还需要提供导航服务。从经济角度来看，这种权衡似乎很有吸引力，但其性能无法与使用专用星座获得的性能相提并论。通常，使用的频率很高，这使得用户细分更加复杂（对干扰更鲁棒，但并不适合所有用例）。商业模式也可能不同，因为对导航资源的访问与对主要任务的访问相关联，并且可能需要付费。5G非地面网络（NTN）以及3GPP目前正在开展的工作是寻求通信和导航任务融合的最相关示例。联合优化仍然是一个主要的复杂性，这意味着很难实现与专用LEO PNT星座相同水平的精度、可用性、覆盖范围和对所有类型的用户的适用性。相反，与电信系统在同一频段运行的专用LEO PNT星座可以通过协助终端连接到通信业务来为电信功能提供重大帮助。

此表说明了LEO PNT的吸引力，提供了正在开发的主要LEO PNT系统的视图。这些数字，更一般地说，LEO星座仍在不断发展。

对混合化和可靠性的需求

尽管LEO PNT提供了在提供绝对位置方面有重大改进的前景，但它必须在混合化PNT解决方案背景的框架中考虑，涉及MEO、LEO、地面和非地面电信网络以及用户传感器。可靠性也是智能交通等安全关键型应用的关键，它由完好性和连续性目标驱动。定位完好性的概念最初是为民用航空应用而开发的。新的安全关键型自动驾驶运输应用，如汽车、无人机和火车，需要对这一传统进行重大改造。在此类环境（城市峡谷、干扰等）中，必须在空间系统和用户段之间共享完好性。全球和区域威胁在系统级别得到解决。这是通过定义新的GNSS高精度和完好性服务来实现的。另一方面，局部效应在用户机的机载单元级别进行处理。

结论

基于GNSS的PNT技术现在是众多创新应用的支柱。近年来，这些系统取得了长足的进步，特别是自从Galileo问世以来，它提供了新的、更强大的信号和服务，例如分米精度和防欺骗身份验证。所有这些新应用都有一个共同点：它们要求在精度、连续性、弹性和安全性方面取得进步。这些需求正在推动研发并产生重大发展。引入LEO PNT卫星星座是满足已确定的需求的关键，同时尊重经济需求。为了提供完整的响应，必须在多传感器融合环境中设计和使用它。（原文在IsideGNSS杂志上）