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LEO PNT革命:剖析低軌衛星導航測試挑戰與前瞻技術

低軌衛星(LEO) PNT革命:下一代太空基PNT系統的測試新挑戰與解決方案


傳統的全球導航衛星系統(GNSS,如GPS、GLONASS、Galileo和BeiDou,主要運行在中地球軌道(MEO),數十年來為全球提供了不可或缺的定位、導航與授時(PNT)服務;然而,隨著科技的飛速發展和新興應用的不斷涌現(從高精度自主系統全球無縫覆蓋的物聯網),對PNT服務的可用性、可靠性、精度與強韌性提出了前所未有的更高要求,在這樣的背景下,由數百甚至數千顆衛星組成的低軌道(LEO)巨型星座,正從最初的全球寬頻通訊主力,逐漸展現出其在PNT領域的革命性潛力。

LEO PNT系統,無論是作為現有MEO GNSS的增強與補充,還是未來可能發展的獨立PNT服務,都因其獨特的軌道特性而備受矚目,它們承諾帶來更強的接收訊號、更快的幾何變化(有助於快速解算模糊度)、以及透過星座多樣性實現的更高系統韌性;然而,這些潛在優勢的背後,是全新的、更為嚴峻的技術挑戰,尤其是在測試與驗證環節,如何精確模擬LEO衛星的高速動態、複雜的訊號特性、獨特的通道環境以及與MEO GNSS的融合效能,成為了擺在PNT研發者面前的新課題;本文將深入剖析LEO PNT的技術內涵、測試挑戰,並探討如何利用先進的測試解決方案來駕馭這場PNT的軌道革命。

LEO PNT的技術特性與革命性潛力

LEO衛星星座的PNT優勢與架構考量

相較於傳統MEO GNSS(軌道高度約20,000公里),LEO衛星(軌道高度通常在500至2,000公里)為PNT服務帶來了多項潛在優勢:

  • 更強的接收訊號強度
    由於軌道高度顯著降低,LEO衛星播發的訊號到達地面時的路徑損耗更小,理論上可以提供比MEO GNSS高出數十dB的訊號功率,這對於在訊號遮蔽嚴重(如都市峽谷、室內淺層)的環境下改善PNT可用性至關重要。
  • 更快的衛星幾何變化
    LEO衛星相對於地面接收機的角速度更快,導致可見衛星的幾何分佈(Dilution of Precision, DOP)變化迅速,這種快速的幾何變化有助於加速載波相位模糊度的解算,從而更快地實現高精度定位(如RTK或PPP)。
  • 透過大規模星座實現的系統韌性與覆蓋
    LEO巨型星座通常包含大量衛星,即使部分衛星失效或受干擾,系統仍能維持服務;同時,密集的衛星覆蓋也有助於在不同區域提供更均勻的PNT效能。
  • 潛在的新頻段與訊號機會
    LEO PNT可以利用新的頻段資源,或與LEO通訊服務共享頻譜(如機會式PNT),設計更適合特定應用的訊號結構。

LEO PNT的架構可能多種多樣,包括:專用的PNT LEO星座,或是在現有的LEO通訊星座(如Starlink, OneWeb等)基礎上增加PNT功能模組或利用其通訊訊號進行定位。

LEO PNT的潛在應用領域:拓展PNT服務邊界

LEO PNT的獨特優勢使其在多個領域具有廣闊的應用前景:

  • 增強現有GNSS的效能
    作為MEO GNSS的補充,LEO訊號可以顯著改善在GNSS挑戰環境下的定位精度、可用性和TTFF(首次定位時間)。
  • 室內及深都市峽谷定位
    更強的訊號有望穿透部分建築材料或在複雜反射環境中提供更可靠的定位。
  • 高精度授時
    LEO星座的幾何特性和潛在的高穩定度星載時脈,可能為關鍵基礎設施提供新的精密授時方案。
  • 自主系統(自動駕駛、無人機)的PNT增強
    為自主載具提供更連續、更可靠、更高精度的導航資訊,特別是在GNSS訊號不穩定的區域。
  • 物聯網(IoT)裝置的低功耗定位
    更強的訊號可能降低IoT終端對接收機靈敏度的極端要求,從而實現更低功耗的定位。
  • 兩極地區與海洋等偏遠區域的覆蓋增強

LEO PNT訊號特性與傳播的獨特性及測試挑戰

LEO PNT的獨特性也帶來了全新的測試挑戰:

  • 極高的都卜勒頻移與都卜勒變化率
    LEO衛星相對於地面接收機的視線速度極高(可達7-8公里/秒),導致GNSS訊號產生非常大的都卜勒頻移(數十kHz至數百kHz)和極快的都卜勒變化率,這對接收機的訊號擷取環路和追蹤環路(特別是載波追蹤環路)的設計提出了極高要求。
  • 快速變化的衛星可見性與幾何
    單顆LEO衛星過境時間短(通常僅數分鐘至十幾分鐘),衛星的升起和落下極為迅速,導致可見衛星集合和DOP值快速變化。
  • 大規模星座的管理與模擬
    數百甚至上千顆LEO衛星的軌道、時脈、訊號狀態都需要被精確模擬和管理,對模擬器的運算能力和通道容量是巨大考驗。
  • 大氣層延遲的精確建模
    雖然LEO訊號穿過電離層的路徑較短,但其頻繁進出電離層的特性,以及低仰角觀測的增多,仍需對電離層延遲進行精確建模,對流層延遲同樣需要考慮。
  • 新型訊號結構與頻段的驗證
    如果LEO PNT採用新的頻段或專用訊號結構,則需要全新的測試方法和儀器能力。
  • 與MEO GNSS及其他PNT源的融合演算法驗證
    如何有效地融合具有顯著不同動態特性和誤差特性的LEO PNT數據與傳統MEO GNSS數據,以及INS、視覺等其他感測器數據,是演算法層面的核心挑戰。

LEO PNT系統的關鍵測試挑戰與對應驗證技術


LEO PNT測試挑戰

對PNT接收機/系統影響

核心測試技術/方法

關鍵評估指標

對應測試方案技術精髓

極高動態與巨大都卜勒效應

訊號擷取困難、載波追蹤環路易失鎖、解調效能下降

高動態LEO軌道與姿態模擬大範圍高精度都卜勒頻移與變化率產生接收機追蹤環路壓力測試

最大可承受都卜勒頻移/變化率、訊號擷取時間(TTFA)、載波相位追蹤精度、誤碼率。

精確模擬LEO衛星高速運動學特性;支援超大都卜勒範圍與變化率的訊號產生能力(如使用SATGEN軌道模型配合XPLORA ProCSAT-GNSS)。

大規模LEO星座的即時模擬

需要大量並行處理通道;對模擬器運算資源和即時性要求高。

全星座即時軌道計算與訊號產生高效的多通道訊號合成與管理可擴展的模擬器硬體架構

可模擬的最大衛星數/通道數、模擬更新率、訊號間同步精度。

強大的並行處理能力;支援數百至上千通道的硬體平台;高效的星座管理與排程軟體(高階GNSS模擬器如XPLORA Pro, CAST 1000, CSAT-GNSS)。

新型/未知LEO PNT訊號結構驗證

若採用新頻段、新調變、新電文結構,接收機需全新設計與驗證。

基於SDR的靈活波形定義與產生寬頻訊號記錄與分析(針對實驗性訊號)。

訊號解調正確性、測距精度、抗干擾能力、與MEO GNSS的相容性。

具備可程式化波形產生能力的SDR平台;寬頻記錄回放系統(RP-6500)。

快速時變的傳播通道模擬

LEO衛星仰角變化快,多路徑、大氣延遲、訊號強度等通道參數變化劇烈。

高傳真、動態RF通道模擬針對LEO特性的特定通道模型(如考慮低仰角傳播、快速變化的幾何);即時通道參數更新與訊號疊加

通道估計精度、多路徑抑制效果、不同通道下的定位精度與穩定性。

動態寬頻通道模擬器,能夠與LEO軌道模擬器同步,即時更新通道模型參數(如ACE Client進階通道模擬器/ACE9600,可結合ACE Plugin for STK)。

LEO與MEO GNSS及INS的融合PNT測試

融合演算法需處理不同特性(動態、誤差模型、更新率)的數據源;時空基準統一與同步是關鍵。

多源PNT訊號同步模擬(LEO GNSS, MEO GNSS, IMU數據);HIL測試平台建構複雜動態軌跡下的融合效能評估

融合PNT精度、連續性、完整性、收斂時間、不同PNT源間的切換平滑度。

多功能GNSS模擬器(支援LEO/MEO)協同INS模擬平台(如CAST GNSS/INS即時模擬平台)或物理運動平台Hexapod)。

LEO PNT的干擾與安全韌性驗證

LEO訊號同樣面臨Jamming/Spoofing威脅,且可能與其他LEO通訊系統存在頻譜共用或互擾。

可控干擾/欺騙訊號針對性注入評估LEO PNT的AJ/AS能力分析與其他系統的電磁相容性(EMC

抗J/S比、欺騙偵測率、受攻擊下PNT效能、與其他系統的互擾容限。

GNSS導航干擾模擬系統/NavTD-M23(用於威脅模擬);GIDAS系列(用於頻譜監測與干擾特性分析)。

攻克LEO PNT測試高地-先進模擬與驗證解決方案的技術之道

要將LEO PNT的革命性潛力轉化為可靠的現實應用,一套能夠精確再現其獨特訊號與環境特性的先進測試與驗證方法學不可或缺,這不僅是對現有GNSS測試技術的延伸,更是在諸多方面提出了全新的要求。

高傳真LEO星座與動態訊號模擬:捕捉「飛逝」的蒼穹訊息

LEO PNT測試的首要挑戰,在於精確模擬其極端動態的特性,先進的GNSS模擬器,如XPLORA ProXPLORA OneCAST 1000可攜式雙頻GNSS模擬器以及CSAT-GNSS射頻訊號建模與模擬系統,必須具備以下針對LEO的增強能力:

  • 超高動態LEO軌道精密建模與即時生成
    需要複雜的軌道動力學模型(考慮高階地球引力場、大氣阻力、太陽光壓、多體引力等)以及高效的軌道預報與插值演算法,專業的衛星軌道建模軟體,如SATGEN,在此提供關鍵支持,能夠生成或導入LEO衛星的精密星曆數據。
  • 極端都卜勒效應的精確模擬與補償
    不僅要能產生高達數百kHz的都卜勒頻移,更要能精確模擬其極快的都卜勒變化率,這對模擬器內部的數控振盪器(NCO)的解析度和更新率提出了極高要求。
  • 大規模LEO星座的並行處理能力
    若要完整模擬一個擁有數百甚至上千顆衛星的LEO星座,模擬器必須具備海量的獨立訊號產生通道和強大的即時運算與排程能力。
  • 潛在新興LEO PNT訊號結構的靈活支援
    鑑於LEO PNT標準可能仍在演進,基於SDR架構的模擬器在支援未來可能出現的新頻段、新調變方式或新電文結構方面具有顯著優勢。


一套先進的即時GNSS訊號模擬解決方案,要支援LEO PNT測試,必須具備處理高動態、大規模星座以及潛在新訊號結構的能力,如XPLORACAST平台的系統。


SATGEN衛星軌道建模軟體的專業介面,允許使用者精密定義和模擬包括LEO衛星在內的各種複雜軌道動力學。

LEO特有傳播通道的精確建模與模擬:再現訊號的「時空扭曲」

LEO訊號的傳播路徑與MEO GNSS有顯著不同,其通道特性對PNT效能影響巨大,RF通道模擬器,如ACE Client進階通道模擬器ACE9600(可搭配如DBM ACE Plugin for STK等工具進行場景建模),在LEO PNT測試中需能:

  • 模擬快速變化的多路徑環境
    由於LEO衛星的視線角速度極快,其訊號在地面(尤其都市或複雜地形)產生的多路徑分量的延遲、幅度和相位都會發生劇烈變化。通道模擬器需要能夠即時更新這些時變通道參數
  • 精確建模低仰角傳播效應
    LEO衛星在軌跡的起始和結束段通常處於較低仰角,此時訊號穿過大氣層的路徑更長,對流層延遲更為顯著,且更易受到地面多路徑和繞射的影響。
  • 考慮大氣層對LEO訊號的影響
    雖然穿透電離層的路徑較短,但高頻次的進出以及可能的電離層不規則性(如閃爍)仍需被納入模型。

LEO PNT的干擾、欺騙與共存性測試:在新賽道上構築安全防線

LEO PNT系統的安全性與強韌性是其能否被廣泛應用於關鍵領域的前提。測試策略必須涵蓋:

  • 針對LEO訊號的Jamming與Spoofing威脅模擬
    利用GNSS導航干擾模擬系統NavTD-M23導航威脅偵測/模擬器,產生針對LEO潛在頻段和訊號特性的干擾與欺騙攻擊,評估LEO PNT接收機的抗干擾閾值反欺騙演算法的有效性。
  • 頻譜共用與共存性分析
    許多LEO星座(尤其是通訊星座)的頻段可能與現有地面或其他衛星服務相鄰甚至重疊,需要利用頻譜監測與分析工具(如GIDAS系列)以及寬頻記錄回放系統(如Averna RP-6500)來評估和驗證LEO PNT系統與其他無線電系統的電磁相容性(EMC)及共存效能


針對LEO PNT的干擾模擬,需要能夠產生覆蓋其潛在工作頻段並模擬特定動態特性的威脅訊號,以全面評估其在複雜電磁環境下的穩健性。

實場LEO訊號的捕捉與分析:從理論到現實的「第一次接觸」

隨著實驗性LEO PNT訊號或具備PNT潛力的LEO通訊訊號的出現,利用寬頻RF記錄與回放系統(如Averna RP-6500)進行實場訊號捕捉與分析,對於:

  • 驗證LEO PNT訊號的實際可達效能
  • 理解真實LEO訊號的傳播特性與環境影響
  • 獲取用於實驗室重複測試和演算法優化的真實數據集,都具有不可估量的價值。

融合PNT系統的整合驗證:LEO + MEO GNSS + INS的「協同作戰」

LEO PNT極有可能作為現有MEO GNSS的增強,並與INS等其他感測器深度融合,以實現全場景下的最佳PNT效能。因此,測試平台必須支援這種異構多源融合的驗證:

  • 多PNT源同步模擬
    高階GNSS模擬器應能同時產生MEO GNSS訊號和LEO PNT模擬訊號,並確保它們在時間和空間基準上的一致性。
  • GNSS/INS/LEO-PNT融合演算法的HIL測試
    利用CAST GNSS/INS即時模擬平台,結合對LEO訊號的模擬,並在必要時配合Hexapod六軸運動平台對包含真實IMU的待測系統施加物理運動,全面考驗融合演算法在各種動態與訊號組合下的表現。

在LEO PNT的測試中,若涉及到與慣性導航的融合,CAST GNSS/INS即時模擬平台這樣的系統可以擴展其能力,同步模擬MEO GNSS、LEO PNT以及IMU數據,實現對複雜融合PNT方案的全面驗證。

擁抱LEO PNT新紀元-以創新測試技術驅動時空服務的下一次飛躍

低軌衛星(LEO)PNT的興起,無疑為全球定位、導航與授時領域帶來了一場深刻的技術革命,它以其獨特的軌道優勢和巨大的星座潛力,為解決傳統GNSS在某些場景下的不足、提升整體PNT服務的韌性精度可用性開闢了充滿想像空間的新途徑;然而,這場革命的成功,離不開測試與驗證技術的同步創新與突破;從模擬極端高速動態大規模星座的複雜性,到精確再現快速時變的傳播通道,再到應對全新的訊號結構與潛在的安全威脅,LEO PNT的測試對傳統方法學提出了全面的挑戰。

本文所探討的先進測試解決方案——包括能夠精確模擬LEO軌道與訊號的高階GNSS模擬器(如XPLORA ProCAST 1000CSAT-GNSS,並藉助SATGEN等工具)、能夠細膩刻畫LEO特有傳播環境的RF通道模擬器(如ACE Client)、能夠構建針對性電磁威脅的干擾與欺騙模擬系統(如GNSS導航干擾模擬系統),以及能夠捕捉分析真實LEO訊號的寬頻記錄回放(如RP-6500)與頻譜監測工具(如GIDAS系列)——它們的協同應用,構成了應對LEO PNT測試挑戰的關鍵技術組合。特別是在多源融合PNT(如LEO+MEO+INS)的硬體在環(HIL)測試中,這些工具的整合更是不可或缺。

展望未來,隨著LEO PNT技術的逐步成熟與標準化,針對其特定訊號體制網路輔助機制以及與6G通訊感知一體化的深度融合,測試技術將持續演進;AI與機器學習有望在LEO星座管理、智慧排程、自適應波束成形以及複雜測試場景的自動生成與評估中發揮更大作用。

駕馭LEO PNT的浪潮,需要堅實的技術創新和可靠的測試保障,奧創系統 (Ultrontek) 緊跟全球PNT技術發展前沿,致力於為客戶提供涵蓋從傳統GNSS到新興LEO PNT的全方位、高階測試與驗證解決方案;憑藉其全面的產品組合與深厚的系統整合能力,奧創系統能夠協助研究機構、設備製造商以及服務提供商,有效應對LEO PNT研發與部署過程中的各種測試挑戰,加速創新應用的落地。

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