自全球定位系统（GPS） 的概念於1973 年在长屋（Long Room）会议中正式诞生後，全球导航卫星系统（GNSS） 便成为定位、导航和授时（PNT） 应用不可或缺的重要工具，能够在通用的全球座标叁考系统中提供准确定位。

现在，这些服务由四个全球中轨道（Medium Earth Orbit；MEO）卫星星系提供，每个星系大约包含30颗卫星，在离地表约2万公里的上方运行。GNSS 也获得了可在特定区域内提供额外服务的多个区域型增强系统的支援，这些系统通常采用同步卫星以及在它们服务地区上空的地球同步轨道卫星。虽然 GNSS 现已几??无所不在，但它并不能解决所有的 PNT 问题。其主要缺点为：

●地面接收到的讯号微弱，因此容易受到有意或无意的干扰。

●微弱讯号限制了穿透建筑物和天空可见度较低区域的能力。

●稠密都会区和杂乱地区会受到多重路径的影响，使效能大幅降低。

近年来，利用低轨道（Low Earth Orbit；LEO）星系（通常距离地表 400～1500 公里），由较小、较低成本卫星建构的卫星通讯网路正快速普及。目前已有许多此类星系兴起，包括最广为人知的Starlink、OneWeb、Kuiper、Iridium等。这些低轨卫星通讯系统通常被称为非地面网路（non-terrestrial networks；NTNs），并且越来越被当成是地面蜂巢式网路的延伸，其中一些具备了PNT功能。除了这些LEO卫星网路，还有一些组织正在探索并提出建议，欲建构以PNT为主要功能、通讯为次要功能的LEO星系。

这就引发了一个问题：除了传统的 MEO GNSS 之外，LEO 卫星星系是否能为 PNT 带来优势，或者甚至取代它们？为了解析LEO系统可能带来的优点和缺点，近来针对此议题已展开了大量研究。在本文中，我们将探讨卫星接收器制造商面临的一些挑战和机会。

图一 : 低轨卫星通讯系统通常被称为非地面网路，并且越来越被当成是地面蜂巢式网路的延伸，其中一些具备了PNT功能。

LEO、MEO与其他轨道的主要区别

LEO和MEO的一个根本差异是轨道高度的选择。对於LEO，其高度为400～1500公里，而MEO则是约20,000 公里，供四个全球GNSS星系使用，包括GPS、伽利略、北斗和GLONASS。然而，此高度蕴含了许多意义，进而导致相关的设计挑战和机会，例如：

●卫星数量

●轨道周期与传递次数（transit times）

●轨道稳定度和轨道预测

●星历的轨道管理和分配（地面支援基础架构）

●讯号功率（发送和接收）和传播路径损耗

●频段选择

●讯号类型和结构的选择

解开LEO PNT的迷思

我们从研究人员和支持者那里听到并读到了LEO PNT可提供的许多优势，虽然，其中大部分是真的，但仍无法弥补它所带来的挑战和复杂度。让我们来检视一下它被宣扬的主要好处，并从GNSS接收器制造商的角度来客观看待其优点和缺点。

更高的讯号功率带来更好的室内覆盖范围

对传统RNSS频段（L1/E1、L5/E5、L2、E6）中的讯号来说，情况不一定如此，因为某些无线电导航频谱的功率是根据地面接收到的讯号强度进行调节的。然而，卫星以较低功率进行传输，这有助於使卫星变得更小、更便宜，而不是在地面接收上接收到更高功率的讯号。

另一个考虑因素是，LEO卫星在地平线和天顶之间的相对讯号路径长度比MEO卫星大，因此卫星通行期间的讯号强度变化会比MEO更大。

然而，讯号可在之前未用於卫星PNT的新频段中传输，例如S、C、K 或其他频段。这可为接收讯号功率和电离层效应管理带来显着好处，但会增加接收器的复杂度。这些复杂度的增加可能会影响接收器的成本和功率需求，并使天线变得昂贵。

因此，我们不能说 LEO 就自动意味着接收器的讯号功率显着提高，但随着使用新无线电频段相关的复杂性增加，或目前 RNSS 频段监管方式的改变，这在未来可能会成为现实。

LEO PNT 将带来更高定位精准度

图二 : LEO为卫星 PNT市场带来了令人兴奋的机会。

拥有更多可用、可视的卫星可能会提高定位准确度，但是，由於四个 MEO星系以及多达 40 颗可视卫星已经在轨道上运行，增加更多卫星并不一定会带来显着的额外效益。

由於轨道高度较低且靠近地球质量中心，LEO卫星轨道可能不如 MEO 稳定。毕竟，地球的岩石体并不是均质的质量。因此，除非能够使用更先进的轨道星历准确建模，否则LEO卫星导致的轨道误差可能会抵消其他优势。解决此问题的一种方法是，利用LEO卫星上的GNSS 接收器来追踪MEO讯号。

高精准度定位的另一个挑战是卫星天线效应的建模，与MEO卫星相比，由於较低轨道导致的偏离天底角（off-nadir angle）更大，卫星天线效应会加剧。

由於LEO的轨道高度较低，卫星从地平线到地平线的通行时间比MEO短得多。这意味着，接收器必须能够快速获取新讯号，以因应更显着的都卜勒效应（Doppler shifts）。一方面，这提高了复杂性，但另一方面，它为利用新的讯号特性提供了机会。

尽管存在这些障碍，LEO确实提供了卫星和使用者之间相对几何更快变化的显着优势。 这为 RTK（即时动态定位）和PPP等高精准度定位方法带来了显着优势，因为卫星在天空中更快速的运动能够缩短收敛时间。使用LEO星系执行PNT功能可使PPP收敛时间不到1分钟，而传统的 MEO GNSS解决方案，通常收敛时间至少要好几分钟。LEO PNT可提高定位准确度，但在实现此目标之前，仍有许多挑战尚待克服。

多重路径复原能力

LEO较短的通行时间可能会为接收器带来好处，如果它能够利用这些特性的话。随?卫星在天空中移动，这会导致无线电路径的快速变化。这种变化的无线电路径会使通道变化更快，进而使多重路径环境变化更迅速。透过使用现代的讯号处理技术和更长的讯号同调积分（coherent integration），接收器可利用这些更快速变化的多重路径条件，以提供更隹的多重路径缓解能力。

LEO PNT 可带来更强韧的多重路径缓解和复原能力，但这取决於星系设计和接收器中使用的讯号处理。需要进一步研究来确定可实现的效益程度。

提升抗干扰和欺骗韧性

取决於 LEO PNT 讯号的设计和建置方式，有可能会显着提升抗干扰和欺骗能力。新频段的使用，例如S 和 C，将带来更大的讯号多样性，进而提供更好的抗干扰能力。某些频段也可能允许更高的讯号功率。

新的讯号设计可以纳入增强的安全性和防欺骗措施，以支援资料和讯号真实性检查。因此，如果系统从一开始就以此进行设计，那麽增强的抗干扰和防欺骗功能可能是 LEO PNT 的一大优势。

提供更高 GNSS 定位完整性

GNSS 定位完整性有赖於能够准确地对接收器错误进行建模，并检测和减轻由「??心事件」（例如未检测到的卫星故障或地磁风暴）引起的罕见错误。 LEO 并不一定意味着可提供更高的定位完整性，但如果采取适当的设计决策，使用新的讯号和频段将能带来更隹的完整性解决方案并提高安全性。

加速技术推进

卫星正变得更小、更便宜，同时使用寿命也更短。这可??带动技术更快速地发展，与传统MEO星系相比，将能够更快地导入新功能。

总结

简而言之，LEO PNT可为克服现今GNSS的一些限制带来重大贡献。如果做出正确的设计决策，它可能会成为某些应用的游戏规则改变者。在现实上，业界可能需要混合使用MEO、GEO和LEO卫星，以尽可能涵盖最大的应用范围。

要取得最隹的LEO解决方案仍需要大量研发工作：讯号频段的选择、讯号编码、安全性以及可实现效能的正确评估。

LEO为卫星 PNT市场带来了令人兴奋的机会，并可能预示着此技术发展的下一个创新阶段。这需要星系所有者和接收器制造商的密切合作，才能在创新以及维持卫星 PNT 的成本效益和增强效能之间取得最隹平衡。

（本文作者为u-blox GNSS定位技术主管David Bartlett、u-blox资深首席工程师Olivier Julien、u-blox资深首席工程师Chris Hide、u-blox资深研究工程师Jos Prakash）