目前，定位、導航和授時（PNT）服務幾乎完全依賴于中地球軌道（MEO）的GNSS。為了滿足日益苛刻的市場需求和性能要求，導航技術的發展必須快速而又創新，依賴于涉及多層次軌道空間組件的系統構想，其中近地軌道（LEO）PNT成為一個關鍵因素。如今，PNT已成為我們日常生活中不可或缺的一部分，影響著關鍵基礎設施、資產跟蹤、農業和工業4.0以及智能運輸系統。應用生態系統的發展正在將PNT系統推向其容量的極限，產生高度動態的研究工作，以盡可能有效和迅速地滿足不斷增長的需求。近地軌道（LEO）PNT已成為實現這一目標的關鍵要素。而它又涉及PNT應用需求的新趨勢、PNT系統的演變和LEO PNT的興起，這是滿足新應用需求的根本性演變，其關鍵是將用戶需求置于未來技術進步的中心位置。

新的PNT驅動力

今天，衛星導航通用和日常地用于專業和公共框架范疇，同時仍然保持其最初的戰略目的，用于政府和軍事應用。為此，多個國家開發了自己的全球衛星導航系統，例如歐盟的 Galileo、俄羅斯的 GLONASS和中國的北斗。PNT的成功和不斷融入經濟，反過來又引導我們提出更嚴格的要求。對新關鍵要求的競爭導致了對性能、彈性、完好性、普及性和連接性發展的空前需求。

增強的性能：這包括精度、無處不在的連續性和可用性、首次修復的時間縮短和擴展的覆蓋范圍。

魯棒性：PNT必須防止干擾、欺騙和多路徑等異常值和異常情況。

安全：這是由完好性和連續性目標驅動的，其中完好性是對計算位置的信任的度量。

連接：對于許多應用而言，定位應與與第三方應用交換用戶位置的能力相關聯，或者僅用于交換與位置相關的數據（基于位置的服務）。

泛在： 隨時隨地在各種惡劣的環境中進行工作越來越有其必要性。

針對不同的應用領域以統一的方式量化這些性能元素或相關的關鍵績效指標（KPI）非常具有挑戰性，因為運作領域及其用途因應用而異，并且在同一應用內也有所不同。這種KPI實現的幾個來源可以在正在開發的最先進的解決方案中找到，體現多種多樣的應用場景。

為什么衛星定位（GNSS）仍然是基石

衛星定位仍然是所有這些PNT技術的支柱，也是眾多定位技術中使用最廣泛的技術。是什么讓衛星與所有現有和新興的定位技術區分開來？首先，衛星定位提供了對許多應用至關重要的關鍵技術差異化因素：如全球覆蓋、性能穩定、絕對參考與對氣象和太空天氣條件的適應能力。其次，該GNSS衛星是全球方法的一部分，可以承受任何本地事件或災難，并且獨立于用戶數量運行。

邁向多層次軌道星座？

需要強調的是，單獨考慮時，通過調整信號和星座幾何形狀，中地球軌道星座可以達到所考慮應用的一些PNT要求。然而，對增強性能、提高穩健性和完好性，以確保安全性的綜合需求是重大技術挑戰。為了應對這些挑戰，我們需要一個多層次軌道的愿景。盡管中軌道（MEO）星座在設計上非常高效，但其在離開地面約20000公里的遠處，受到許多限制，通常這是其優勢，也是它的缺點。第一個是衛星的動態范圍相對較低，這意味著它們的幾何形狀變化緩慢，使多徑幾乎是靜止的，或者當旨在快速收斂到高精度位置時，不利于快速模糊分辨率的測量演變。另一個限制因素是地面接收到的信號功率低（約-155dBW），這使得它們容易受到干擾（無論是否有意）和被欺騙。最后，中軌道層代表了其戰略方面所需的安全主干，這需要復雜的設計。服務演化周期可能會阻礙應用需求的動態性變化。

使用多個GNSS星座和多個頻率是彈性和可用性問題的一種解決方案。然而，這并不是一種足夠來抵消多路徑效應的平穩性或低功耗的需求的答案。因此，這種方法通常通過在用戶級別組合使用其他傳感器（慣性傳感器、LiDAR、攝像頭等）來補充。然而，混合化方案往往也是不夠的。傳感器的倍增仍然存在可靠性（完好性）、連續性以及在遮蔽或模糊環境中擁有絕對參考的能力問題。為了滿足快速收斂時間、可用性和彈性對高精度的需求，同時提供絕對的參考，解決方案正朝著向MEO系統添加LEO組合件的方向發展。

LEO PNT：游戲規則改變者

多年來，人們一直在研究PNT系統在LEO中的部署，包括作為專用星座和星載有效載荷。LEO PNT的直接優勢在于有利的鏈路預算，因為它靠近地球表面，而且還具有更大的動態范圍，提供自然的多徑濾波和快速相位模糊解析能力，有助于增強性能，主要是在精度和首次定位時間方面有明顯優勢。

然而，對于同等數量的可見衛星，近地軌道比中地球軌道需要更多的衛星。通常，為了確保從地球表面的任何一點都能看到四顆衛星，需要在600公里的高度放置一個由大約300顆衛星組成的LEO星座，才能實現全球性實時定位，而MEO中只需要有30顆衛星就足矣，衛星數量10倍數增長，其成本一直高得令人望而卻步。但是，有多種因素可以緩解高成本的難題。雖然，LEO的獨立星座需要密集的接地段和衛星上的精確時鐘，而這些時鐘的體積和質量需要大型衛星。一旦我們考慮一個低軌道層，如果它依賴于攜帶精確時鐘的中軌道層，上面所說的限制就會被取消。這同樣適用于軌道計算，它不需要密集的地面段，也可以基于MEO衛星信號的測量結果。由于軌道高度低，鏈路預算也很有利，因此LEO PNT衛星不需要星載高功率鏈即可獲得與地面接收的相同功率。因此，可以考慮小型準自主衛星，并在新太空方法中基于微型衛星。與MEO相比，LEO還受益于良好的輻射平衡，從而能夠使用商用現貨（COTS）組件。然而，這些COTS組件需要適當的實施和特定的專業知識，才能達到所需的性能和可靠性水平（輻射防護、冗余方案、板載電源管理、重新配置策略等）。最近，已經有實驗系統證明這些小型衛星能夠達到與關鍵商業任務相適應的可靠性和性能水平。該行業的活力和近地軌道的接近也導致了許多微型發射器計劃和低成本發射的機會。

這些論點使LEO星座在經濟上可行，即使對于大型的LEO星座也是如此。幾個正在進行的項目，如CentiSpace 、Xona Space Systems 、GNSSaS 以及歐洲航天局的FutureNAV計劃 ，都是全球對LEO PNT概念重新產生興趣的例子。LEO PNT解決方案的價值現在已經得到充分證實，并且通常基于增加更大的靈活性和自由度，以及快速發展的能力，它們為：一是提高準確性和快速收斂性。這是通過在精密單點定位（PPP）解決方案中更快地解決載波相位模糊性來實現的；二是更高的穩健性。在局部GNSS干擾或干擾的情況下，LEO PNT提供替代測量，通常比GNSS MEO系統具有更高的接收功率和頻率分集功能；三是提高可用性。LEO PNT提供多樣化的信號（SiS）和頻率，有助于提高城市或室內環境的可用性；四是增強的靈活性和可擴展性。LEO PNT提供更短的開發和演進周期，具有原生高度可擴展性，因為可以根據應用程序需求部署和優化星座；五是雙向連接。 該高度非常適合終端消耗很少能量的上行鏈路路徑，它還通過區域化傳輸提供了更大的信息傳播能力。

LEO PNT實施前景目前根據三個不同的軸線發展而有所不同：

1. 專用的LEO PNT星座

此類星座提供針對導航進行了優化的專用、明確的信號。這種類型的星座提供頻率分集，同時保持在低L、S或C頻段，以實現用戶細分和使用兼容性。

2. 機會星座

這些是低軌道上的星座，因此該任務本身不包括導航。導航信號是適時添加的。這種方法提供了頻率分集，但與使用專為導航設計的信號和系統幾何結構相比，精度自然會降低。星載天線方向圖的幾何形狀通常不適合導航，更不用說使用原子鐘了。

3.混合化通信和導航星座

電信星座的信號就是這種情況，這些信號考慮到除了通信服務之外還需要提供導航服務。從經濟角度來看，這種權衡似乎很有吸引力，但其性能無法與使用專用星座獲得的性能相提并論。通常，使用的頻率很高，這使得用戶細分更加復雜（對干擾更魯棒，但并不適合所有用例）。商業模式也可能不同，因為對導航資源的訪問與對主要任務的訪問相關聯，并且可能需要付費。5G非地面網絡（NTN）以及3GPP目前正在開展的工作是尋求通信和導航任務融合的最相關示例。聯合優化仍然是一個主要的復雜性，這意味著很難實現與專用LEO PNT星座相同水平的精度、可用性、覆蓋范圍和對所有類型的用戶的適用性。相反，與電信系統在同一頻段運行的專用LEO PNT星座可以通過協助終端連接到通信業務來為電信功能提供重大幫助。

此表說明了LEO PNT的吸引力，提供了正在開發的主要LEO PNT系統的視圖。這些數字，更一般地說，LEO星座仍在不斷發展。

對混合化和可靠性的需求

盡管LEO PNT提供了在提供絕對位置方面有重大改進的前景，但它必須在混合化PNT解決方案背景的框架中考慮，涉及MEO、LEO、地面和非地面電信網絡以及用戶傳感器。可靠性也是智能交通等安全關鍵型應用的關鍵，它由完好性和連續性目標驅動。定位完好性的概念最初是為民用航空應用而開發的。新的安全關鍵型自動駕駛運輸應用，如汽車、無人機和火車，需要對這一傳統進行重大改造。在此類環境（城市峽谷、干擾等）中，必須在空間系統和用戶段之間共享完好性。全球和區域威脅在系統級別得到解決。這是通過定義新的GNSS高精度和完好性服務來實現的。另一方面，局部效應在用戶機的機載單元級別進行處理。

結論

基于GNSS的PNT技術現在是眾多創新應用的支柱。近年來，這些系統取得了長足的進步，特別是自從Galileo問世以來，它提供了新的、更強大的信號和服務，例如分米精度和防欺騙身份驗證。所有這些新應用都有一個共同點：它們要求在精度、連續性、彈性和安全性方面取得進步。這些需求正在推動研發并產生重大發展。引入LEO PNT衛星星座是滿足已確定的需求的關鍵，同時尊重經濟需求。為了提供完整的響應，必須在多傳感器融合環境中設計和使用它。（原文在IsideGNSS雜志上）