Нетерастительные сети за пределами 5G для одновременной коммуникации и предоставления услуг позиционирования напрямую на устройство: часть 2 — анализ производительности системы

Почему вашему телефону нужно не только GPS

Современная жизнь сильно зависит от спутников — от картографических приложений до служб спасения. Но нынешние основные навигационные системы — привычные глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), подобные GPS — всё чаще уязвимы к глушению, спуфингу и сбоям в обслуживании. В этой статье рассматривается, как новое поколение быстро движущихся спутников низкой околоземной орбиты (LEO) может одновременно обеспечивать мобильную связь и точное определение положения прямо на обычные телефоны и мелкие устройства, создавая надёжную резервную систему, когда традиционная навигация или наземные сети выходят из строя.

Новые спутники, которые и передают, и определяют положение

Исследование опирается на предыдущие работы, предложившие несколько способов использования LEO «нетеррариториальных сетей» для обеспечения одновременно связи и позиционирования ручных устройств и устройств Интернета вещей (IoT). В отличие от современных GNSS, эти спутники проектируются так, чтобы работать в связке с мобильными стандартами, такими как 5G и его преемники. Одна и та же космическая платформа будет передавать два типа сигналов: высокоскоростные данные для сообщений и доступа в интернет и специально сформированные эталонные сигналы, позволяющие устройству пользователя измерять временные задержки и расстояния с высокой точностью. Центральная задача в том, что то, что делает спутниковую сеть хорошей для передачи данных — узкие, мощные лучи, направленные на конкретные зоны — обычно противоречит широкому, перекрывающемуся покрытию, необходимому для точного позиционирования.

Баланс скорости, покрытия и точности

Чтобы понять, достижим ли такой баланс на практике, авторы проводят детальные анализы производительности, а не полагаются на общие концепции. Сначала они моделируют поведение эталонных сигналов для позиционирования, передаваемых одновременно от множества быстро движущихся LEO-спутников, и то, как эти сигналы мешают обычному каналу передачи данных. Симулируя поток бит через радиосистему и сравнивая его с общепринятой моделью «гауссовского шума», они подтверждают, что сложная смесь сигналов от множества спутников может рассматриваться как обычный фоновой шум при проектировании системы. Это позволяет им строить реалистичные балансы канала — с учётом мощности спутника, антенн, радиопотерь и помех — и прогнозировать как скорости передачи данных, так и ошибки измерения расстояния для типичных пользовательских устройств.

Три способа совместного использования спутников

В статье оцениваются три типовые архитектуры. В первой узкополосные IoT-сигналы и простые сигналы дальномерения разделяют один полезный груз, обеспечивая скромные скорости передачи данных, но всё ещё определяя положение пользователей в пределах нескольких десятков метров — что достаточно для требований экстернальных вызовов в Европе даже в сложных условиях приёма. Вторая архитектура наслаивает дополнительный, более продвинутый сигнал, похожий на 5G New Radio, поверх IoT-сервиса. Здесь LEO-спутники предоставляют как базовую IoT‑связь, так и широкополосный позиционирующий сигнал, который также может помогать отдельной коммерческой 5G‑сети из космоса. При аккуратном распределении мощности добавленная функция позиционирования едва заметно снижает производительность связи, но горизонтальные ошибки сокращаются до примерно трёх метров. Третья архитектура идёт дальше, используя полноценную созвездие в стиле 5G, которое несёт широкополосную связь и высокоточное дальномерение вместе; это обеспечивает точность уровня метров при выделении лишь небольшой доли мощности спутника на позиционирование.

От симуляций к покрытию в реальном мире

Помимо отдельных каналов, авторы моделируют целые созвездия — сотни LEO-спутников, кружущих вокруг Земли — чтобы понять, насколько хорошо Европа может быть покрыта со временем. Для тысяч виртуальных пользователей и многих моментов суток они вычисляют, какие спутники видимы, какой будет сила сигнала и как геометрия влияет на погрешность. Результаты показывают, что даже при реалистичном затухании, затенении зданиями или рельефом и ионосферных эффектах предлагаемые системы способны удерживать горизонтальные ошибки положения значительно внутри регламентных лимитов для экстренных вызовов и операций общественной безопасности. В наиболее мощных конфигурациях пользователи получают данные и позиционирование надёжно от нескольких спутников одновременно, что делает комбинированный сервис устойчивым как к отдельным отказам спутников, так и к локальным помехам.

Что это значит для обычных пользователей

Для неспециалистов главный вывод таков: будущие созвездия LEO-спутников могут выполнять роль не просто космических башен сотовой связи. При внимательной инженерии по совместному использованию мощности и радиоресурсов та же сеть, что даёт вам покрытие в отдалённых районах, также может сообщить, где вы находитесь, с точностью на уровне метров, даже если GNSS заглушен или наземные сети повреждены. Балансы канала и крупномасштабные симуляции исследования указывают, что такие интегрированные системы связи и позиционирования технически реализуемы с использованием эволюции существующих стандартов 5G. Предстоящие европейские демонстрационные миссии призваны подтвердить эти выводы на орбите, приблизив нас к миру, где ваш телефон сможет оставаться на связи и точно определённым практически в любой точке планеты.

Цитирование: 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

Ключевые слова: позиционирование со спутников НИО, нетеррариториальные сети, прямо-на-устройство, 5G NTN, устойчивость GNSS