超越5G的非地面网络：面向直接到设备联合通信与定位服务的第2部分——系统性能分析

为什么你的手机需要超过 GPS 的方案

现代生活高度依赖卫星，从地图应用到紧急服务。但今天主要的导航支柱——类似 GPS 的全球导航卫星系统（GNSS）——越来越易受掩蔽、欺骗和服务中断的影响。本文探讨了一代新型快速运行的低地轨道（LEO）卫星如何同时为普通手机和小型设备提供移动连接和精确定位，当传统导航或地面网络失效时，作为一种强健的备份。

可通信又能定位的新型卫星

该研究建立在早期工作之上，提出了几种利用 LEO“非地面网络”向手持设备和物联网（IoT）设备同时提供通信与定位的方法。与当今的 GNSS 不同，这些卫星被设计为与 5G 及其后续标准协同工作。相同的空间平台会发送两类信号：用于消息和互联网接入的高吞吐量数据，以及经过专门设计以使用户设备能够高精度测量时序和距离的参考信号。核心挑战在于，使卫星网络在数据传输上表现出色的特性——针对特定区域的窄而强的波束——往往与实现精确定位所需的宽覆盖和重叠覆盖相冲突。

在速率、覆盖和精度之间取得平衡

为了理解这种平衡在实践中是否可行，作者进行了详尽的性能分析，而非停留在高层概念上。他们首先建模了来自多颗快速移动 LEO 卫星同时发射的定位参考信号的行为，以及这些信号如何与常规数据通道互相干扰。通过模拟比特在无线系统中的传输并将其与知名的“高斯噪声”模型比较，研究确认来自多颗卫星的复杂信号混合在系统设计中可被视为普通背景噪声。这使他们能够构建现实的链路预算——考虑卫星功率、天线、电波损耗和干扰——并预测典型用户设备的数据速率和距离测量误差。

三种共享卫星的方案

论文评估了三种代表性架构。第一种方案中，窄带物联网信号和简单测距信号共享单一载荷，提供适度的数据速率，同时仍能将用户定位在数十米范围内——在欧洲的紧急呼叫要求下，即便在接收困难的条件下也足够。第二种架构在物联网服务之上叠加一种更先进的信号——类似于 5G 新空口（NR）。在这里，LEO 卫星既提供基础的物联网连接，又提供更宽带的定位信号，这也可辅助独立的商业太空 5G 网络。经过谨慎的功率分配，新增的定位功能几乎不影响通信性能，而水平定位误差缩小到约三米。第三种架构更进一步，采用完整的 5G 风格星座，同时承载宽带通信和高精度测距；在只将极少比例的卫星功率用于定位的情况下，便能实现米级精度。

从仿真到现实覆盖

除单链路外，作者还模拟了完整星座——数百颗环绕地球的 LEO 卫星——以评估欧洲随时间的覆盖情况。对于数千名虚拟用户和每天的多个时点，他们计算了哪些卫星可见、信号强度以及几何布局如何影响误差。结果表明，即使考虑了现实的衰落、建筑或地形遮挡以及电离层效应，所提系统也能将水平定位误差保持在紧急呼叫和公共安全操作的监管限度之内。在最强的设计中，用户能同时从多颗卫星稳健接收数据和定位信息，这使得组合服务对单颗卫星故障和本地干扰都具有较强的鲁棒性。

这对日常用户意味着什么

对非专业人士来说，关键结论是未来的 LEO 卫星星座可能远不止太空中的移动基站。通过对功率和无线资源的精心共享，同一网络不仅能在偏远地区为你提供覆盖，还能在 GNSS 被干扰或地面网络受损时，以米级精度告诉你所在位置。研究中的链路预算和大规模仿真表明，利用现有 5G 标准的发展演进，这类集成通信与定位系统在技术上是可行的。即将开展的欧洲示范任务旨在轨道上验证这些发现，使我们更接近一个手机几乎在地球任何地方都能保持连接并被精确定位的世界。

引用: 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

关键词: 低轨卫星定位, 非地面网络, 直接到设备, 5G NTN, GNSS 弹性