Beyond 5G non terrestrial networks for direct-to-device joint communication and positioning services provision: Part 2 - system performance analysis

Warum Ihr Telefon mehr als GPS braucht

Das moderne Leben stützt sich stark auf Satelliten – von Kartenanwendungen bis hin zu Rettungsdiensten. Aber die derzeitigen Hauptnavigationssysteme, die bekannten GPS‑ähnlichen Global Navigation Satellite Systems (GNSS), sind zunehmend anfällig für Störsender, Spoofing und Dienstunterbrechungen. Dieser Artikel untersucht, wie eine neue Generation schnell bewegter Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn (LEO) sowohl mobile Konnektivität als auch präzise Ortung direkt an gewöhnliche Telefone und kleine Geräte liefern könnte und so eine robuste Rückfallebene schafft, wenn traditionelle Navigation oder Bodenfunknetze ausfallen.

Neue Satelliten, die kommunizieren und orten

Die Studie baut auf früheren Arbeiten auf, die verschiedene Konzepte vorschlugen, LEO‑„non‑terrestrial networks“ sowohl für Kommunikation als auch für Positionierung von Handgeräten und Internet‑der‑Dinge( IoT)-Geräten zu nutzen. Anders als heutige GNSS sind diese Satelliten darauf ausgelegt, Hand in Hand mit Mobilfunkstandards wie 5G und dessen Nachfolgern zu arbeiten. Dieselbe Raumplattform würde zwei Signalarten aussenden: hochdurchsatzfähige Datensignale für Messaging und Internetzugang sowie speziell gestaltete Referenzsignale, die es dem Gerät des Nutzers erlauben, Zeit und Entfernung mit hoher Genauigkeit zu messen. Die zentrale Herausforderung ist, dass Merkmale, die ein Satellitennetz für Datenübertragung hervorragend machen – enge, leistungsstarke Strahlen, die auf bestimmte Bereiche ausgerichtet sind – tendenziell der breiten, überlappenden Abdeckung entgegenwirken, die für eine präzise Positionierung erforderlich ist.

Das Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit, Reichweite und Genauigkeit

Um zu verstehen, ob dieses Gleichgewicht praktisch erreichbar ist, führen die Autor:innen detaillierte Leistungsanalysen durch, statt sich auf konzeptionelle Betrachtungen zu verlassen. Zuerst modellieren sie, wie sich Referenzsignale zur Positionierung verhalten, wenn sie gleichzeitig von vielen schnell bewegten LEO‑Satelliten gesendet werden, und wie diese Signale den regulären Datenkanal stören. Durch Simulation des Datenflusses im Funksystem und den Vergleich mit einem bekannten „gaussian noise“-Modell bestätigen sie, dass die komplexe Mischung von Signalen mehrerer Satelliten in der Systemauslegung wie gewöhnliches Hintergrundrauschen behandelt werden kann. Das ermöglicht ihnen, realistische Linkbudgets zu erstellen — unter Berücksichtigung von Satellitenleistung, Antennen, Funkverlusten und Interferenz — und sowohl Datenraten als auch Entfernungsfehler für typische Endgeräte vorherzusagen.

Drei Wege, die Satelliten zu teilen

Das Papier bewertet drei repräsentative Architekturen. In der ersten teilen Narrowband‑IoT‑Signale und einfache Reichweitensignale eine einzelne Nutzlast, liefern mäßige Datenraten, orten Nutzer aber noch auf wenige Dutzend Meter — ausreichend für Notrufanforderungen in Europa selbst bei schlechten Empfangsbedingungen. Die zweite Architektur legt ein zusätzliches, fortgeschritteneres Signal — vergleichbar mit 5G New Radio — über den IoT‑Dienst. Hier bieten die LEO‑Satelliten sowohl grundlegende IoT‑Konnektivität als auch ein breitbandigeres Positionierungssignal, das auch ein separates kommerzielles 5G‑aus‑dem‑Weltraum‑Netz unterstützen kann. Mit sorgfältigem Leistungsvergleich belastet die zusätzliche Positionierungsfunktion die Kommunikation kaum, während die horizontalen Fehler auf rund drei Meter schrumpfen. Die dritte Architektur geht noch weiter und nutzt eine vollständige 5G‑artige Konstellation, die Breitbandkommunikation und hochpräzise Distanzmessung gemeinsam trägt; dies liefert Genauigkeiten im Meterbereich, wobei nur ein kleiner Bruchteil der Satellitenleistung der Positionierung gewidmet wird.

Von Simulationen zur realen Abdeckung

Über einzelne Verbindungen hinaus simulieren die Autor:innen ganze Konstellationen — Hunderte von LEO‑Satelliten, die die Erde umkreisen — um zu prüfen, wie gut Europa im Zeitverlauf abgedeckt werden könnte. Für Tausende virtueller Nutzer und viele Tageszeitpunkte berechnen sie, welche Satelliten sichtbar sind, wie stark die Signale wären und wie die Geometrie den Fehler beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei realistischer Fading‑Effekten, Abschattung durch Gebäude oder Gelände und ionosphärischen Einflüssen die vorgeschlagenen Systeme horizontale Positionsfehler weit innerhalb der regulatorischen Grenzen für Notrufe und Behördeneinsätze halten können. In den leistungsfähigsten Entwürfen erhalten Nutzer Daten und Positionierung robust von mehreren Satelliten gleichzeitig, wodurch der kombinierte Dienst sowohl gegen Ausfälle einzelner Satelliten als auch gegen lokale Störungen resilient wird.

Was das für den Alltag bedeutet

Für Nicht‑Expert:innen ist die wichtigste Erkenntnis, dass künftige LEO‑Satellitenkonstellationen weit mehr sein könnten als nur weltraumgestützte Mobilfunkmasten. Mit sorgfältig ausgelegter Aufteilung von Leistungs‑ und Funkressourcen könnte dasselbe Netzwerk, das Ihnen in abgelegenen Regionen Empfang verschafft, Ihnen auch mit Meter‑genauer Präzision sagen, wo Sie sich befinden — selbst wenn GNSS gestört ist oder Boden‑Netze beschädigt sind. Die Linkbudgets und großskaligen Simulationen der Studie legen nahe, dass solche integrierten Kommunikations‑und‑Positionierungs‑Systeme technisch machbar sind unter Verwendung weiterentwickelter 5G‑Standards. Bevorstehende europäische Demonstrationsmissionen sollen diese Ergebnisse im Orbit verifizieren und uns einem Szenario näherbringen, in dem Ihr Telefon nahezu überall auf der Welt verbunden bleibt und genau lokalisiert werden kann.

Zitation: De Gaudenzi, R., Grec, FC., Giordano, P. et al. Beyond 5G non terrestrial networks for direct-to-device joint communication and positioning services provision: Part 2 - system performance analysis. npj Wirel. Technol. 2, 17 (2026). https://doi.org/10.1038/s44459-026-00038-x

Schlüsselwörter: LEO satellite positioning, non-terrestrial networks, direct-to-device, 5G NTN, GNSS resilience