Сети вне Земли Beyond 5G для прямых коммуникаций и определения местоположения на устройствах: Часть I — сценарии системы и архитектуры

Почему местоположение вашего телефона не всегда можно считать надёжным

Большинство из нас воспринимает как должное, что телефон за секунды определит наше положение на карте. Но спутниковые системы, обеспечивающие это, такие как GPS и Galileo, могут подвергаться подавлению, подмене сигналов или просто блокироваться зданиями и ландшафтом. В этой статье исследуется, как новое поколение спутников в низкой околоземной орбите может работать в связке с беспроводными сигналами в стиле 5G, чтобы обеспечить телефоны надёжной связью и запасной способ определения местоположения — даже когда традиционные навигационные спутники или наземные сети недоступны.

Спутники ближе к Земле

Современные навигационные спутники вращаются высоко над Землёй, поэтому их сигналы ослабевают и становятся уязвимыми для помех к моменту прихода на поверхность. Авторы описывают альтернативу: рои спутников на низкой орбите. Эти аппараты находятся ближе и быстро перемещаются по небу, что даёт более сильные сигналы, разнообразные углы обзора и лучшее покрытие в местах, где традиционные системы испытывают трудности — например, между высотными зданиями в городе или в высоких широтах. Цена этого — быстро меняющиеся задержки и сдвиги по частоте, которые усложняют точную синхронизацию и позиционирование.

Почему важны запасные службы местоположения и обмена сообщениями

Статья в первую очередь рассматривает реальные ситуации, где требуется более устойчивая служба определения местоположения. Во главе списка — общественная безопасность: спасателям нужны точные координаты вызывающих в горах, на море или в зонах бедствия, где вышки сотовой связи не работают, а навигационные спутники могут быть заглушены. Стандарты уже задают целевые значения, например определение положения абонента с точностью до десятков метров для большинства чрезвычайных ситуаций. Авторы показывают, как слой низкоорбитальных спутников, использующий существующие мобильные и спутниковые частоты, мог бы предоставлять простые, но жизненно важные услуги — двусторонние экстренные сообщения и резервное позиционирование, достигая людей далеко за пределами современных сотовых сетей.

Не только аварии: более интеллектуально связанные миры

Далее статья рассматривает коммерческие применения в контексте развития в сторону 6G. Многим будущим устройствам — от датчиков на ферме и контейнеров до дронов и самолётов — потребуется постоянная связь и определение местоположения даже вдали от городов. Некоторые дешёвые гаджеты не имеют встроенных навигационных приёмников или экономят батарею, ограничивая их работу. Авторы отмечают, что небазовые 5G-подобные сети, где спутники общаются напрямую с обычными телефонами или устройствами Интернета вещей, могут заполнить этот разрыв. Однако построить систему, одновременно обеспечивающую высокие скорости передачи данных и точное позиционирование, непросто: коммуникации выгоднее в виде узконаправленных лучей и агрессивного повторного использования частот, тогда как позиционирование выигрывает от широкого покрытия и сигналов от нескольких спутников одновременно.

Инженерные решения для особенностей космоса

Суть статьи — набор принципов проектирования для совместного использования спутниковых ресурсов между связью и позиционированием. Низкоорбитальные спутники создают большие и быстро меняющиеся допплеровские сдвиги, которые нарушают тонкую временную структуру, применяемую в современных наземных 5G-сигналах для позиционирования. Авторы предлагают адаптировать эти сигналы так, чтобы их можно было передавать как непрерывные, маломощные маяки, распределённые по всему радиоспектру, позволяя приёмникам выделять уникальный код каждого спутника даже в условиях помех. Они также обсуждают хитрые способы заставить несколько спутников освещать одну и ту же область для позиционирования, сохраняя при этом достаточное количество узких лучей и радиомощности для передачи данных. Это включает совместное использование спектра по частоте, снижение мощности специальных зондирующих сигналов и повторное использование тех же антенн и электроники спутников для обеих функций.

Три предложенные концепции в космосе

Опираясь на эти идеи, авторы предлагают три конкретные архитектуры спутниковых систем. Первая ориентирована на узкополосные услуги Интернета вещей: один широкий луч обеспечивает и обмен сообщениями, и грубое позиционирование с использованием обновлённых зондирующих сигналов, с разными способами балансировки по времени, частоте и мощности. Вторая сочетает это с отдельной высокоёмкой 5G-спутниковой группировкой, где тонкий слой позиционных сигналов накладывается на широкую коммуникационную услугу, обеспечивая навигационную точность, сопоставимую с сегодняшними глобальными системами. Третья архитектура интегрирует всё в одну мощную 5G-спутниковую сеть, использующую множество небольших лучей для данных и отдельный широкий луч для точных временных сигналов, всё это управляется высокостабильными бортовыми часами, привязанными к существующим навигационным спутникам.

Что это значит для повседневных пользователей

Проще говоря, статья показывает, что спутниковые сети, разработанные для подключения телефонов и датчиков, можно настроить так, чтобы они также сообщали этим устройствам их местоположение, не полагаясь исключительно на сегодняшние навигационные созвездия или наземные вышки. За счёт точной формы лучей, совместного использования частот и изменения способа вещания специальных временных сигналов низкоорбитальные спутники могли бы стать надёжным запасным уровнем и для связи, и для позиционирования. Если эти архитектуры будут приняты и доработаны, будущие смартфоны и подключённые устройства смогут продолжать отправлять сообщения и делиться своими координатами с спасателями, пилотами или логистическими операторами — даже когда обычные системы ослаблены или недоступны.

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 I—system scenarios and architectures. npj Wirel. Technol. 2, 16 (2026). https://doi.org/10.1038/s44459-026-00047-w

Ключевые слова: спутники низкой околоземной орбиты, небазовые сети 5G, спутниковое позиционирование, связь для общественной безопасности, прямое до устройства