综述：低地球轨道机会信号（LEO-SOP）的系统级抗干扰能力与发展挑战概述

这篇前沿综述系统探讨了基于低地球轨道（LEO）卫星星座的机会信号（SOP）导航技术及其抗干扰能力。文章详细梳理了LEO-SOP多普勒定位原理、接收机工作流程，并深入分析了其在几何精度因子（GDOP）、卫星可见性、接收信号功率和下行用户频率等方面的系统级抗干扰优势。作者还总结了单星座/多星座定位、差分定位及与惯性导航系统（INS）组合等关键技术进展，指出了宽带干扰抑制、低信噪比（SNR）测量估计和星间干扰应对等未来挑战，为复杂威胁环境下高韧性定位、导航与授时（PNT）系统的发展提供了重要参考。

　　

2 国内外相关技术研究现状

本节回顾并总结了天基SOP定位的国家级规划、LEO-SOP定位技术的发展以及抗干扰研究的现状，为后续抗干扰能力分析提供理论基础。

2.1 国家PNT战略

目前已公布的利用SOP进行定位的国家计划主要包括美国的全源定位与导航（ASPN）项目、英国的导航机会信号（NavSOP）系统、欧洲空间局的导航创新支持计划（NAVISP）和未来导航（FutureNAV）计划。

美国的ASPN项目由国防高级研究计划局（DARPA）提出，旨在结合惯性导航系统（INS）与来自卫星、广播等的非导航SOP实现定位。2021年发布的美国太空政策指令-7（SPD-7）强调了多源PNT的必要性，并计划将LEO通信星座集成到PNT系统中。英国BAE系统公司开发的NavSOP系统利用手机信号、Wi-Fi、广播信号和电视塔信号等SOP，旨在实现高抗干扰、低成本和灵活应用的定位系统。欧洲空间局的NAVISP计划和FutureNAV计划则通过应用LEO卫星、创新导航信号设计以及增强抗干扰和安全特性，推动PNT系统的进步。

所有这些国家级计划都将基于LEO卫星的天基SOP纳入新一代PNT系统的研究中，并进行了相应的武器装备实验和典型环境场景性能验证，证明了利用天基LEO卫星SOP进行定位技术的可行性和有效性。

2.2 LEO-SOP定位技术研究现状

LEO卫星的信号通常是非导航/非合作信号，不包含或难以提取导航信息。因此，目前的LEO-SOP定位技术研究主要集中在分析LEO卫星的信号结构以提取多普勒测量值进行定位。

早期研究始于1998年，利用一或两颗Globalstar卫星确定用户终端位置。此后，国内外多个团队开展了深入研究。北京航空航天大学秦红团队率先建立了基于铱星信号的接收定位系统，利用TLE轨道信息和多普勒测量实现定位，精度优于200米。该团队还研究了弱信号环境下的定位技术、轨道误差补偿方法，并验证了Globalstar和Starlink信号的定位能力。

美国加州大学Kassas Z团队开发了基于Orbcomm卫星的定位系统，并提出了使用扩展卡尔曼滤波器（EKF）的接收机架构。他们随后建立了Starlink信号模型，引入了自适应载波相位跟踪算法，实现了米级精度的静态定位。

为提高定位精度和系统可用性，还发展了许多新技术。多星座LEO-SOP联合定位技术通过整合多个星座克服了单星座卫星选择的局限性。LEO-SOP差分定位技术通过差分方法消除了传统技术中由简化常规摄动4（SGP4）模型和两行元素（TLE）外推引起的轨道误差。LEO-SOP/INS组合定位技术则将LEO-SOP与INS结合，确保了实时动态定位。

2.3 抗干扰技术发展

目前尚无专门针对LEO-SOP定位的抗干扰技术研究，以往的成果主要集中在GNSS及类似系统。根据接收机阵元数量，抗干扰技术可分为单天线抗干扰技术和天线阵列抗干扰技术。

单天线抗干扰技术主要依靠时域、频域和其他变换域干扰抑制技术，其干扰抑制能力有限，适用于一般非恶意电磁干扰环境下、定位精度要求高的导航接收机。天线阵列抗干扰技术通过引入空域信息，可以区分从不同方向到达的干扰源和有用信号，主要采用空域干扰抑制技术，对干扰类型不敏感，具有更强的干扰抑制能力。

时域抗干扰技术包括脉冲消隐技术和时域自适应滤波技术。频域抗干扰算法则可以利用成熟的快速傅里叶变换（FFT）算法，易于工程实现。变换域抗干扰技术涉及将接收信号映射到变换域（如频域或时频域），利用干扰和期望信号在变换域的特性差异进行干扰检测和抑制。空域抗干扰则采用自适应调零天线实现自适应滤波功能，经典算法包括功率倒置（PI）法、最小方差无失真响应（MVDR）法和最小功率无失真响应（MPDR）法。

3 LEO-SOP定位原理

LEO卫星信号通常难以获得伪距测量值，定位通常通过提取多普勒频移来实现。其原理基于卫星相对于地面高速运动引起的多普勒效应。多普勒频率的变化反映了卫星位置与导航终端位置的关系。

3.1 LEO-SOP多普勒定位原理模型

通过测量LEO卫星的瞬时多普勒频率可以实现定位。当接收到的LEO卫星数量充足时，接收机的位置可以通过由测量值计算的多个锥面的交点来确定。当LEO卫星可见性不足时，也可以利用单颗卫星的多次测量值，同样通过多个锥面的交点来确定接收机位置。

定位方程可以从伪距定位方程推导而来。多普勒定位方程建立了七个状态（接收机位置、速度和频率偏差）与瞬时多普勒频移之间的线性关系。如果接收机是静止的，则方程中的未知数减少到四个。在求解导航方程之前，需要推导三维向量的表达式，其物理含义是：卫星速度与其在视线方向上的速度分量之差与距离的比值。

3.2 LEO-SOP接收机工作流程

由于LEO卫星通常并非为导航目的而设计，因此LEO-SOP接收机通常需要分析LEO卫星信号的特性（如信号结构和信号功率）以提取导航观测信息。此外，它们还依赖外部星历数据来辅助获取卫星位置和速度参数。

通常，LEO-SOP接收机天线完成SOP信号采集后，使用下变频设备将采集到的信号频率转换为中频。随后，检测SOP信号，分析并提取导航观测信息。最后，接收机利用观测信息和外部星历数据估算自身的PNT状态。

4 LEO-SOP系统级抗干扰能力分析

本节分析了LEO-SOP的系统级抗干扰能力。LEO-SOP在系统级抗干扰能力上相比传统GNSS导航星座表现出显著提升，这主要源于LEO星座的诸多固有优势。分析主要从GDOP值、卫星可见性、接收机处信噪比（SNR）和下行用户频率等方面展开，并以GPS系统作为对比。

4.1 LEO星座特性

选取相对成熟的铱星（Iridium）和 Orbcomm 卫星，以及快速发展的星链（Starlink）卫星作为LEO系统的代表进行分析。

铱星系统是一个全球卫星移动通信网络，由66颗LEO卫星组成，轨道高度约为780公里，轨道倾角86.4°，采用FDMA/TDMA/SDMA/TDD多址技术，用户链路下行频段为1616.0 MHz–1626.5 MHz。

Orbcomm系统卫星轨道高度为620公里，轨道倾角47°，其下行频率位于137–138 MHz频段，包含13个信道。

星链系统是一个非对地静止轨道（NGSO）卫星系统，计划由数万颗卫星组成巨大星座。其LEO子星座卫星运行在Ku、Ka和V波段，VLEO子星座卫星仅使用V波段。截至2024年11月，在轨星链卫星数量已超过6000颗。

4.2 系统级抗干扰能力分析

通过仿真分析五种场景（铱星单星座、Orbcomm单星座、星链单星座、铱星/Orbcomm双星座以及GPS）下的性能表明：

在GDOP值方面，Orbcomm单星座表现最差，铱星单星座的GDOP值优于GPS卫星，而星链星座则表现最佳。双星座组合能有效改善卫星几何构型。

在卫星可见性方面，趋势与GDOP性能相似。星链星座拥有最佳的可见性，双星座组合能有效改善卫星几何构型。

在接收信号功率方面，GPS信号接收功率低（通常在-160 dBW至-155 dBW之间），SNR低（通常为-20 dB至-30 dB）。而LEO卫星由于轨道高度低，信号传播衰减小，接收信噪比（SNR）更高（通常在15 dB至30 dB之间），在抗干扰能力方面具有显著优势。

在下行用户频率方面，GNSS用户下行频谱大多集中在L波段。而LEO卫星可用频段范围广泛（100 MHz - 42.5 GHz），覆盖范围广，在抗干扰能力方面灵活性更大。大多数LEO卫星工作在非常高的频率，这也增强了其抗干扰能力。

综上所述，LEO-SOP系统在接收信号功率和下行用户频率方面相比GNSS系统具有显著优势，从而带来更好的抗干扰能力。在GDOP值和卫星可见性方面，除了一些卫星数量较少、轨道配置不太理想的星座外，LEO-SOP系统也显示出明显优势。此外，采用双星座系统可以极大改善单星座可能存在的卫星数量和轨道配置方面的不足。

5 未来发展挑战

尽管LEO-SOP系统在抗干扰能力方面相比GNSS系统具有显著优势，但在日常定位场景中，它们仍然经常受到各种不利电磁环境的影响。因此，研究专门针对LEO-SOP定位的抗干扰算法具有极高的应用价值。此外，仍有几个与抗干扰相关的挑战值得关注。

5.1 单天线接收下的宽带干扰对抗与期望信号损耗缓解

由于LEO卫星的下行信号带宽相对较窄，且单天线接收机仍然是大多数LEO卫星接收的首选，在面对宽带或严重干扰环境时，可用的抗干扰措施有限。鉴于本已狭窄的信号带宽，抗干扰措施导致的信号质量下降更为严重。未来的单天线抗干扰研究将侧重于如何抵消宽带干扰的影响，并减轻抗干扰过程中期望信号的损耗，从而减少信号失真和信号质量下降。

5.2 低SNR环境下的测量估计

目前，大多数关于LEO-SOP定位的研究都是基于在相对较高SNR条件下的观测值计算和估计。然而，在大多数使用场景中，各种因素会导致接收到的LEO-SOP信号的SNR较低。低SNR使信号检测更具挑战性，并降低了观测估计的准确性。因此，未来的研究需要进一步探索如何在低SNR环境中实现观测值的精确估计。

5.3 来自其他卫星的干扰场景

随着以星链为代表的巨型星座的建设和部署，同一系统内不同卫星之间的干扰将变得越来越普遍。在这种条件下，接收环境将更具挑战性，因为接收端经常面临频率和功率水平相似的其他卫星信号的干扰。因此，未来的研究需要进一步探索如何在存在其他卫星干扰的场景中准确接收和估计目标信号。

6 结论

本文全面综述了LEO-SOP与抗干扰技术的研究，并分析了LEO-SOP系统的抗干扰能力。首先总结了LEO-SOP和抗干扰技术的研究现状，包括LEO-SOP的多普勒定位原理模型和接收机的工作流程。其次，分析了LEO-SOP系统的抗干扰能力。最后，讨论了LEO-SOP抗干扰技术的挑战和未来发展方向，旨在为LEO-SOP的安全应用提供坚实的技术基础。