面向直接到设备联合通信与定位服务的超越5G非地面网络：第I部分——系统场景与架构

为什么你手机的位置并非总是可靠

我们大多数人理所当然地认为手机可以在几秒钟内在地图上定位我们。但使此成为可能的卫星系统，如GPS和Galileo，可能会被干扰、欺骗，或被建筑物和地形阻挡。本文探讨了一种新一代低地球轨道卫星如何与5G式无线信号协同，为我们的手机提供既可靠的连接又作为定位备份的方式，即使在传统导航卫星或地面网络失效时也能工作。

更靠近地球的新卫星

现有的导航卫星在高空运行，这使得它们的信号在到达地面时变弱并容易受到干扰。作者描述了一种正在出现的替代方案：在低地球轨道飞行的卫星群。由于这些卫星更靠近地面并在天空中快速移动，它们能够提供更强的信号、更丰富的观测几何，以及在传统系统薄弱的场所（如高楼林立的城市街道或高纬度地区）更好的覆盖。权衡之处在于，这些低轨卫星在头顶掠过时会产生快速变化的延迟和频移，给精确计时与定位带来复杂性。

为何备份定位与消息传递重要

文章首先考察了在现实场景中对更具弹性的定位服务的迫切需求。公共安全排在首位：救援人员需要在山地、海洋或灾区等蜂窝基站失效且导航卫星可能被干扰的环境中获得准确的呼叫者位置。标准组织已经为大多数紧急情况定义了例如在几十米内定位呼叫者的目标。作者展示了使用现有移动-卫星频段的低轨卫星层如何提供简单但关键的服务，例如双向紧急消息加上备份定位，覆盖远超当前蜂窝网络边界的人群。

超越紧急情况：更智能的互联世界

随后，论文审视了与向6G演进相关的商业用途。许多未来设备——从农业传感器和货柜到无人机与飞机——即使远离城市也将需要持续的连接和定位。一些低成本设备缺乏内建的导航接收器，或为了节省电池而限制其使用。作者指出，非地面5G式网络（即卫星直接与普通手机或物联网设备通信）可以填补这一空白。然而，要同时提供高数据率与精确定位并不容易：通信偏好高度聚焦的波束和频率重用，而定位则受益于广覆盖和来自多颗卫星的信号。

围绕太空特性进行工程设计

论文核心是一套在通信与定位之间共享卫星资源的设计原则。低轨卫星会引起大且快速变化的多普勒频移，这破坏了现今地面5G定位信号所依赖的精确时序模式。作者建议调整这些信号，使其更像是在整个无线网格上持续发射的低功率信标，允许接收器在干扰环境中识别每颗卫星的独特码序。他们还讨论了如何让多颗卫星同时照亮同一地区以用于定位，同时仍保留足够的窄波束和射频功率用于数据流量。这包括在频率上共享频谱、降低专用测距信号的功率，以及为两种功能复用卫星天线和电子设备的策略。

太空中的三种候选蓝图

基于这些思想，作者提出了三种具体的卫星系统架构。第一种聚焦于窄带物联网服务：单一的大覆盖波束使用更新后的测距信号提供消息服务与粗略定位，并通过不同方式在时间、频率和功率之间调配。第二种将其与独立的高容量5G卫星星座融合，在更广的通信服务之上叠加一层薄的定位信号，以提供可与现有全球系统相媲美的导航精度。第三种架构将一切集成到一个强大的5G卫星网络：大量小波束用于数据，同时用单独的宽波束提供精确计时信号，全部由高度稳定的机载时钟驱动，并以现有导航卫星作为参考。

对日常用户意味着什么

简而言之，论文表明，为连接手机和传感器而设计的卫星网络也可以调整为告知这些设备其自身位置，而不必完全依赖现有的导航星座或地面基站。通过精心塑形波束、共享频率以及调整专用时序信号的广播方式，低轨卫星可以成为通信与定位的稳健备份层。如果这些架构被采纳并进一步完善，未来的智能手机和联网设备即使在传统系统受损或不可用时，也能继续发送消息并向救援人员、飞行员或物流运营者共享其位置信息。

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

关键词: 低地球轨道卫星, 5G非地面网络, 卫星定位, 公共安全通信, 直接到设备