歐洲 LEO-PNT 革命倒數計時：ESA 首批低軌導航衛星年底升空

全球衛星導航的版圖即將迎來歷史性的變革，歐洲太空總署（European Space Agency, ESA）近日正式確認，其開創性的低地球軌道定位導航與授時（Low Earth Orbit Positioning Navigation and Timing, LEO-PNT）計畫，首批兩顆先導衛星已鎖定發射時程，預計於 2025 年 12 月中旬起的發射窗口期內，由 Rocket Lab 的 Electron 火箭自紐西蘭發射升空。

這次發射不僅是歐洲在低軌道導航領域的首次在軌展示，更象徵著一個全新的、與現有中地球軌道（MEO）GNSS 系統互補的多層次導航（multi-layer navigation）架構，正從概念走向現實，此計畫重點在從根本上提升定位與授時服務的韌性（resilience），解決當前導航系統在都市峽谷、室內等複雜環境中面臨的訊號挑戰。

圖片來源：歐洲太空總署 (www.esa.int)

為何需要 LEO-PNT？MEO 之外的另一層關鍵網絡

現行的 GNSS 系統，如 Galileo 或 GPS，已是現代社會不可或缺的基礎設施，但其部署在兩萬公里高空的 MEO 軌道，訊號傳輸至地面時相對微弱，LEO-PNT 的核心價值，便是在僅數百公里高的低軌道增建一個全新的衛星星座，以其獨特的優勢，為現有系統賦能：

顯著增強的訊號強度：
更近的距離意味著更強的地面訊號，使其能穿透至傳統導航系統難以觸及的區域，如深層都市峽谷（deep urban areas）、濃密樹林下，甚至實現部分室內定位。
與生俱來的韌性架構：
LEO-PNT 的設計初衷並非取代 MEO 系統，而是與之協同運作，形成一個高低軌道互補、具備多樣性的強韌 PNT 網路，大幅提升在面臨干擾或欺騙攻擊時的系統穩健性。
開創全新的應用可能：
憑藉其低延遲與高強度的特性，LEO-PNT 將能與 5G/6G 通訊標準深度融合，為自動駕駛、關鍵基礎設施同步、高精度物聯網等新興應用開啟大門。

ESA LEO-PNT 計畫深度解析：從衛星到地面分三步走

於 2022 年 ESA 部長級理事會上批准的 LEO-PNT 在軌展示任務，是一個精心規劃、分階段執行的宏大計畫，整個計畫的核心是開發一個由 10 顆衛星（外加 2 顆備用）組成的星座，並由西班牙的 GMV 與法國的 Thales Alenia Space 兩大航太巨頭作為主要承包商，平行開發各自的衛星與系統。

第一步：探路先鋒 Pathfinder A 的關鍵使命

即將於年底發射的，正是兩家承包商各自開發的第一顆 Pathfinder A 衛星，它們是整個計畫的「開路先鋒」，這兩顆衛星分別是 12U 與 16U 規格的大型立方衛星（CubeSats），重量約 20 至 30 公斤，計畫部署於 510 公里的軌道高度。

儘管體積小巧，它們的任務卻至關重要：

驗證核心訊號與系統：
在軌道上廣播創新的 L-Band 與 S-Band 訊號，初步驗證系統設計、訊號結構以及演算法的正確性。
關鍵技術在軌展示：
對後續 LEO-PNT 衛星的核心元件進行技術展示與風險降低，ESA LEO-PNT 計畫經理 Roberto Prieto-Cerdeira 強調：「Pathfinder A 衛星在發射前就已帶來回報，其開發過程中累積的經驗，正幫助我們識別關鍵技術、進行系統設計權衡，為未來階段鋪平道路。」
確保頻率使用權：
ESA 導航總監 Javier Benedicto 指出：「這次發射確保了歐洲首批 LEO-PNT 衛星能在 2026 年春季前進入太空，這對於遵循國際電信聯盟（ITU）的規定，正式啟用這些新頻率至關重要。」

第二步：更強大的 Pathfinder B 與完整星座

在 Pathfinder A 完成至少六個月的在軌調試與驗證後，計畫將進入 Pathfinder B 階段，這些衛星體積更大、功能更複雜，將攜帶額外的酬載，用以測試更多創新的訊號、頻段，並展示提供額外服務的能力。

整個 LEO-PNT 驗證星座預計於 2027 年完成部署，屆時將能全面評估低軌道系統與 Galileo 等 MEO 系統的協同工作效能。

第三步：邁向營運與商業化

在軌展示任務完成後，ESA 將在下一次部長級理事會上提議進入在軌籌備階段，此階段將聚焦於技術開發、工業化生產與在軌驗證，為其最終成為與 Galileo、EGNOS 並列的歐盟 GNSS 官方基礎設施，並支援潛在的商業化營運，搭起最後一座橋樑。

LEO-PNT 革命背後的巨大挑戰與驗證方案

LEO-PNT 的優勢也帶來了同等級的技術挑戰，特別是在開發與測試階段，傳統的驗證方法已難以應付。

嚴苛的動態環境：
LEO 衛星的超高速度產生了劇烈的都卜勒頻移，對接收機的追蹤迴路形成極大考驗。
複雜的時變通道：
訊號鏈路極其複雜，需要精準模擬從太空到地面的所有物理效應。
高要求的系統融合：
與 MEO GNSS、INS 及 5G/6G 的無縫融合，要求測試平台必須具備多系統、多物理域的同步模擬能力。

為克服這些挑戰，研發團隊極度依賴高傳真模擬技術，例如，衛星通道模擬解決方案能在實驗室中精準重現 LEO 衛星訊號傳播時所經歷的路徑損耗、多路徑衰落等複雜效應，用以驗證接收機演算法的穩健性。

對於需要全場景可靠性的應用（如自動駕駛），則必須採用 衛星｜慣性模擬解決方案，該方案能同步產生 GNSS 射頻訊號與對應的載具動態資料，透過硬體迴路（HIL）方式，在開發早期就對 GNSS/INS 整合導航系統進行最嚴苛的極限場景測試。

測試維度	LEO-PNT 帶來的挑戰	對應的高傳真模擬方案
訊號追蹤	高速移動產生的劇烈都卜勒頻移	高動態軌跡模擬，驗證接收機鎖相環（PLL）的追蹤頻寬與韌性
通道穩健性	複雜的地面多路徑與訊號衰落	時變通道模擬，精準重現都市峽谷、林地等惡劣環境
系統融合	與 INS 系統在訊號中斷時的無縫切換	GNSS+INS 同步模擬，測試組合導航濾波器在各種動態下的收斂速度與精度
PNT 韌性	對抗干擾與欺騙攻擊的能力	干擾與欺騙訊號注入，量化評估接收機的抗干擾性能

結論：歐洲領航，PNT 新時代即將啟動

ESA LEO-PNT 首批衛星的發射，不僅僅是一次太空任務，它更是全球 PNT 技術演進的關鍵一步，代表著從單一系統依賴，邁向多層次、高韌性架構的重大轉變。年底的這次發射，將是驗證這宏大藍圖的第一塊、也是最重要的一塊基石。

這場技術革命的成功，仰賴於從晶片到系統的每一個環節，都必須經過最嚴謹、最全面的測試與驗證，唯有透過先進的模擬技術，在地面預演太空中可能發生的一切，研發團隊才能確保年底升空的「探路者」，能成功為全人類導航出一個更安全、更可靠的未來。

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