信息来源：微信公众号《斗室智库》
图片:NASA 科学可视化工作室/Kel Elkins
为什么是LEO PNT？为什么是现在？这是一个值得关注的新兴课题。为此，《GNSS内参》杂志专门设置了个崭新栏目,叫做《LEO内幕》。本文是该栏目的第一篇文章。目的是引起大家关注，大家共同把课题做好。
GNSS干扰不再是一个遥远的问题或技术边缘的情况。干扰、欺骗和自主性要求暴露了当今PNT架构的极限,LEO正在成为被理解的最重要的GNSS替代方案之一。
对全球导航卫星系统的攻击不再只是我们不能忽视的滋扰或微不足道的干扰。欺骗和干扰变得越来越普遍,在军事行动和民用环境中造成经济损失并造成人员伤亡。威胁是真实存在的。紧迫感是真实存在的。不作为的后果变得越来越难以忽视。现在,我们比以往任何时候都更需要仔细研究备份和互补解决方案,以填补 GNSS 不足时的空白。
近地轨道（LEO）、定位、导航和授时（PNT）可能是最重要的答案之一。商业公司正在创建大型星座来利用低地轨道的诸多优势,并且很明显低地轨道卫星可以在未来的 PNT 架构中发挥重要作用。在某些应用中,LEO 可以补充 GNSS。在其他情况下,当全球导航卫星系统被降级、操纵或完全拒阻时,它可能会提供天基替代方案。LEO在行业中有很多兴趣是有充分理由的。这是一个新兴领域,许多人正在以强度和热情进行研究。但对于如何最好地利用 LEO PNT 有不同的思想流派,前进的道路也面临着自己的技术、运营、商业和监管挑战。这就是为什么这个专栏诞生并存在于每期版本中的原因。
LEO内幕，将探索 LEO 系统如何重塑 PNT、通信、弹性和更广泛的太空服务架构。LEO不仅仅是另一类轨道。它改变了信号环境、经济、商业模式,并可能改变用户对 PNT 信任的看法。但我们要明确的是:LEO PNT 并不是一个新的、革命性的概念。事实上,第一个卫星导航系统（Transit，子午仪） 是 20 世纪 60 年代开发的 LEO 系统。通过Transit,人们了解到LEO PNT既是一种祝福,也是一种诅咒。
由于速度、几何形状和信号强度,这是一种祝福。LEO卫星离地球更近,在天空中快速移动。这些特性对于导航非常有用。但LEO也是一种诅咒,因为它需要大量的卫星来提供持久的、有用的覆盖。Transit时代,用户通常需要等待一个小时或更长时间才能获得定位解的固定。LEO诅咒,我们需要非常大量的卫星,考虑到20世纪60年代的发射能力,这是不可行的。这就是为什么 GPS 迅速成为占主导地位的 PNT 系统。GPS运行的中地球轨道（MEO）架构,与LEO所需的卫星数量级相比,实现了可比的性能。GPS的设计缓解了位置固定缓慢的问题,同时仍然提供高精度和持续的全球覆盖。是的,GPS 有局限性,特别是在城市峡谷和室内,但这些局限性是用户通常可以使用本地传感器生活或增强的限制。几十年来,GPS 和 GNSS 足以满足许多应用的需求。在理想的世界里,它可能会保持这种状态。但时代已经改变了。仅靠全球导航卫星系统已经不够了。
LEO PNT 的出现
有两件事是同时且独立发生的:自主系统的快速发展和对全球导航卫星系统的持续、不断升级的攻击。自主平台暴露了 GPS 在安全关键、动态环境中的局限性。与此同时,无论是在军事战区还是在平民生活中,欺骗和干扰都变得更加容易、更容易接近和普遍。PNT 社区意识到必须改变一些事情。寻找补充和备份解决方案变得刻不容缓。LEO PNT 成为最有趣的选择之一。20世纪90年代末,尽管卫星开始大量发射到LEO,但直到2017年或2018年左右,人们对LEO PNT的兴趣才真正加速。Starlink宣布计划将近12,000颗卫星放入LEO时,这一点意义重大,因为当时,所有LEO的总和中甚至没有接近12,000颗卫星。
我们的实验室从 Orbcomm 卫星开始,开发了同时跟踪和导航（STAN）方法来解决它们鲜为人知的信号、星历表和计时 [2, 3]。2018年,我们用非合作卫星进行了首次过境后LEO PNT实验演示,利用Orbcomm LEO机会信号驾驶无人机（UAV）。我们亲身体验了过去困扰 LEO 的诅咒。我们的导航解决方案在大约 30 秒后开始退化 （图1） 。我们还在南加州驾驶一辆车行驶了几公里，误差约为数百米 （图2） 。由此可见，LEO 可以为您提供导航解决方案。但由于星座稀疏且可观测性有限,它对于许多现代应用来说不一定足够准确。当您添加卫星时,这种情况会发生变化。许多卫星 （图3）。LEO中有成千上万颗卫星时,几何形状、可用性和信号机会开始发生巨大变化 （图4）。您开始获得在某些方面可以与 GNSS 相媲美的性能,并且在其他方面可能更优越的性能。这就是巨型星座成为 LEO PNT 游戏规则改变者的原因。
目前,GNSS 是唯一真正的全球传感器。LiDAR,视觉和雷达功能强大,但它们是接近传感器。它们可以帮助您防止与汽车或建筑物相撞,但它们不容易将您直接放置在全球参考系中。它们在每个环境中的工作效果也不同。38,000英尺的飞机上,或者在没有功能的海洋上飞行,那么视觉可以为您提供多少帮助？如果您在功能较差、被拒绝或退化的环境中运行,什么传感器可以为您提供全球背景？这就是基于空间的 PNT 的承诺。如果我们学习如何正确使用 LEO,它可以在该架构中提供一个新的、强大的层。
LEO如此引人注目的原因从物理学开始
LEO卫星比MEO中的GNSS卫星离地球近得多,由于距离较近,一般以较高的功率接收它们的信号。这很重要。更高的接收功率可以使信号更有用、更有弹性,特别是在困难的环境中。LEO卫星在天空中的移动速度也比GNSS卫星快得多。这种更快的运动意味着多普勒在定位和导航方面变得信息丰富。GPS,多普勒可能有用,但系统主要围绕伪距和载波相位构建。LEO,卫星本身的快速运动成为导航信息的主要来源。
然后就是带宽。一些 LEO 通信信号比传统的民用 GNSS 信号宽得多。更宽的带宽可以提供更好的分辨率和更精确的时间估计。当更高的带宽与更高的接收功率、快速卫星运动和大量卫星相结合时,PNT 的机会就变得非常有趣。LEO也改变了频率图片。GNSS 集中在 L 波段。LEO 系统跨一组更加多样化的频率运行。有些是VHF。有些是L波段。有些位于 C 频段。许多人都是 Ku 和 Ka 频段成员。这很重要,因为频率多样性有助于增强弹性。如果我们将自己限制在一个频段,我们就会在桌面上留下 LEO 的一个巨大优势。这是一个重点。许多参与 LEO PNT 的人也从事 GNSS 工作,并且自然倾向于尽可能多地复制 GNSS 模型,同时修复最明显的缺点。但如果我们开始新鲜事,为什么要把自己限制在一个队伍中呢？为什么要忽略 LEO 提供的信号分集？
哪个队伍最好？这很难说。有些公司青睐C波段。其他人则青睐 L 频段,因为它允许用户利用 GNSS 天线基础设施。Ku和Ka频段系统正在看到巨大的增长,因为有如此多的宽带卫星在那里运行。无论你是否喜欢这些队伍,它们都将成为一股不可忽视的力量。这就是LEO的美妙之处。它给了我们选择。它赋予我们信号多样性。它给了我们多普勒。它给了我们更强烈的信号。它为我们提供了大量的卫星。而且,明智地使用它可以提供急需的弹性层。但 LEO PNT 并不是一回事。这就是分类学的重要性。
各种思想流派
关于如何使用 LEO 进行 PNT 有多种思想流派:专用、双重目的、增强和机会主义。
第一个模型是专用 LEO PNT。这些是专门为从近地轨道提供 PNT 而设计的星座。TrustPoint 和 Xona 等公司就是例子。他们的系统是围绕导航作为主要任务构建的。这种方法具有有意设计的优点。PNT可以优化信号、有效载荷、星座架构和用户设备,挑战在于规模、采用、服务连续性以及从头开始构建生态系统的需要。
第二种模型是双用途 LEO PNT。在这种方法中,PNT 与另一种主要服务（例如通信）配对。卫星可以发送还可以支持定位、导航或定时的通信信号。Iridium 和 Globalstar 是将卫星用于 PNT 的星座的例子。Starlink 和 Amazon LEO 似乎就是这样发展的。吸引力是显而易见的:如果卫星基础设施已经部署用于通信,也许国家警察可以继续前进。挑战在于信号、业务模式和运营优先级可能不会首先为 PNT 用户设计。
第三种型号是增强型 LEO PNT,其中 LEO 不一定是 GNSS 的独立替代品。它是与 GNSS 和其他 PNT 源配合使用的多层架构的一部分。这就是欧洲与 Celeste 一起前往的地方,这是一项在轨演示任务,将以 11 个卫星星座为特色。Celeste 尽其所能提供帮助,但她并没有被定位为 GNSS 的完全独立的全球替代者。这种模型可能特别重要,因为未来不太可能是一个系统取代另一个系统。它更有可能是分层的、混合的和上下文相关的。
第四种模式是机会主义的 LEO PNT。这是最广泛的,在某些方面也是最有趣的类别。机会性 PNT 可以包括专用、双重用途或增强系统,但它也可以包括根本不为 PNT 设计的信号。通信卫星星座可能不会传输任何用于导航的东西,但如果我们知道如何使用它们,其信号仍然可以用于定位和授时。Starlink 和 OneWeb 是在这种情况下经常研究的例子。
关于PNT的新思维方式
向 LEO 的转变还引入了 GNSS 用户不习惯思考的并发症。GPS是一个政府系统。它作为免费服务提供。它成熟、开放、全球集成,并深深嵌入接收器、系统、标准、操作和用户期望中。GPS也是自包含的。用户可以唤醒接收器并获取使用星座所需的信息。LEO是一种不同的导航类游戏。
许多 LEO PNT 方法都是商业或非政府的。从用户的角度来看,这改变了情况。如果您的订阅失败会发生什么？您有什么保证五年内提供 PNT 服务的公司仍然存在？如果是收购了怎么办？如果价格上涨怎么办？如果服务发生变化怎么办？有哪些服务水平承诺？安全关键应用会发生什么？频谱许可将如何运作？信号访问是什么样子的？标准和互操作性将如何发展？这些不是次要问题。它们是 LEO PNT 未来的核心。
从政府提供的 GNSS 到商业或混合 LEO 服务的转变不仅是技术转变。这是一种制度转变。几十年来依赖开放式 GNSS 信号的用户现在必须考虑合同、订阅、服务保证、业务连续性、责任、接收者访问和长期信任。商业 LEO PNT 仍然是未来 PNT 景观中引人注目且必要的一部分。但当 PNT 成为商业服务架构的一部分时,业界必须清楚会发生什么变化。
LEO PNT 将首先用于哪里？
GNSS损失伤害最大的地方首先是时时处处的利用。国防、生命安全和关键任务应用将成为采用的主要驱动力,尽管航空等某些行业由于认证、监管和设备周期长而难以改变。
无人机代表较低悬念的领域。它们是关键系统,但比传统航空系统可以更快地进行调整。市场仍在发展。许多平台和运营模型仍在构建中。我希望在那里看到有意义的采用,而不仅仅是小型无人机。较大的无人机也将开始利用LEO PNT。一些国防应用已经朝这个方向发展,而且这个方向将会迅速增长。
海事是另一个重要领域。它受到严格监管,但需求是显而易见的。GNSS在海上的干扰已经是一个严重的问题,海事用户需要有弹性的替代方案,可以支持导航,时机和态势感知。
下一波可能包括自动驾驶系统和自动驾驶车辆,尽管我并不认为汽车的采用是立即的。随着自主权的成熟以及平台需要超出接近传感器所能提供的弹性全球定位,这种需求将会增长。
最终,LEO PNT 将集成到智能手机中。6G还将有重大推动,使定位和通信更加紧密地交织在一起。这种融合即将到来,LEO 将成为其中的一部分。无论采用如何展开,需求都是显而易见。GNSS干扰和欺骗在乌克兰,中东和其他地区变得越来越复杂和普遍。有组织犯罪和其他邪恶行为者正在利用平民世界中的GNSS漏洞。无意的干扰也是一个日益严重的问题。生命正在消失，损害正在造成。如果我们不采取行动,情况只会变得更糟。
自治系统首先迫使 PNT 社区独自面对 GNSS 的局限性。然后,干扰、欺骗和干扰会暴露出不再被视为罕见例外的漏洞。我们需要互补的系统，需要备份，需要韧性。当 GNSS 被拒阻或操纵时,我们需要不会发生灾难性故障的总体架构。
为什么是LEO,为什么是现在
LEO在恰当的时刻重生了。卫星的激增使近地天体成为天基 PNT 有吸引力的选择。信号更强。卫星移动得更快。带宽可以更宽。频率更加多样化。潜在信号的数量正在急剧增加。与地面替代方案不同,低地球轨道有可能提供广泛的、基于空间的覆盖范围,可以大规模补充全球导航卫星系统。
问题很简单:LEO中有巨型星座,为什么不使用它们呢？LEO PNT 是一个新兴领域,并且不断变化。LEO内幕将帮助读者了解什么是真实的,什么是炒作,什么在技术上是可能的,还有什么需要解决。在未来的专栏中,我将更深入地探讨 LEO 基础知识、部署模型、LEO 的现状、用户需求、操作采用、信号设计、标准、互操作性和弹性 PNT 的未来。GNSS 改变了世界。但现在GNSS帮助创造的需求超出了GNSS本身所能提供的需求。这就是 LEO 重要性的原因。这就是为什么我们现在需要理解它。