《Sensors》：Enhancing 5G NTN VSAT RACH in GNSS-Denied Environments: A Multi-Step Single-Satellite AoA/FoA/ToA Positioning Using Levenberg–Marquardt Kalman Filtering
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3GPP第五代移动通信非地面网络（5G NTN）技术在根本上依赖于用户设备（UE）处的全球导航卫星系统（GNSS）定位结果，以便在任何传输（包括用于初始接入的随机接入过程）之前对用户链路时延和多普勒频移进行预补偿。在GNSS拒止或受干扰环境中，这种依赖性会引发
3GPP第五代移动通信非地面网络（5G NTN）技术在根本上依赖于用户设备（UE）处的全球导航卫星系统（GNSS）定位结果，以便在任何传输（包括用于初始接入的随机接入过程）之前对用户链路时延和多普勒频移进行预补偿。在GNSS拒止或受干扰环境中，这种依赖性会引发前导码碰撞和连接中断，从而削弱基于卫星的全球连通性。为解决这一脆弱性，本文提出了一种新型单卫星定位框架，专为配备相控阵天线的高频（Ku/Ka频段）5G NTN甚小口径终端（VSAT）设计。该多步方案首先从到达角（AoA）观测量中推导出初始粗略位置，再从低地球轨道（LEO）下行参考信号中提取到达频率（FoA）和到达时间（ToA）测量值，并在Levenberg–Marquardt导航滤波器中进行混合。针对静态网格和真实动态城区轨迹的系统评估详细说明了从单历元AoA误差最小化（J0）到多历元角度跟踪（J1），再到集成多普勒（J2）与测距观测量（J3）的增量增益。基于真实误差预算，所提框架可将初始定位不确定性从数十公里降低至数公里。该定位精度水平与3GPP Release 20 NR NTN规范中引入的GNSS弹性特性相结合，可在受损作战环境中以对3GPP标准的最小放宽实现稳健的初始接入。
# 论文解读：GNSS拒止环境下基于单星多步定位的5G NTN VSAT随机接入增强
## 1. 研究背景与问题动机
3GPP在Release 17中首次将非地面网络（NTN）支持引入5G新空口（NR）标准。在NR-NTN架构中，用户设备（UE）必须在任何上行传输之前完成所有必要的时间和频率校正，以避免在参考点（例如卫星处）出现失准。为此，UE必须获取有效的全球导航卫星系统（GNSS）位置，并结合广播的网络数据（包括卫星星历和公共定时提前量），在物理随机接入信道（PRACH）上发送消息1（Msg1）之前预先补偿上行定时、频率偏移和多普勒频移。然而，GNSS的可用性并不能在所有场景下得到保证。文献报道了GNSS干扰事件的时间和位置，显示干扰事件呈上升趋势，尤其在冲突地区；GNSS干扰也是破坏通信服务的最简便手段之一，例如伊朗境内Starlink中断事件所示。尽管采用NTN的关键动机是提供全球可靠覆盖和稳健连接，但当前设计仍严重依赖GNSS可用性。
为应对GNSS脆弱性，3GPP针对退化GNSS条件下不同卫星轨道（NGSO/GSO）、频段（FR1/FR2）和终端类型（手持/VSAT）开展了GNSS弹性NTN运营可行性研究。该研究将初始接入解决方案归纳为三大类：(i) 通过下行参考信号降低UE位置不确定性（例如利用下行到达时间差）；(ii) 扩展gNB定时提前量（TA）和频率偏移容限；(iii) 利用网络提供的辅助数据（例如小区参考位置、公共TA和多普勒）。现有科学文献中提出的多数方法依赖同时接收多颗卫星信号，但当前规范并不支持该功能，尤其对于工作在较高频段（Ku/Ka频段）的终端。在这些频段，现行规范仅考虑通过单颗服务卫星进行初始接入，此时需使用VSAT来闭合链路预算。配备相控阵天线的VSAT具有通过单个高增益接收波束引导获取到达角（AoA）测量值的独特优势，但单纯基于AoA的定位方案通常只能达到数十公里量级的精度，而可靠的PRACH接入需要更高的精度。
## 2. 研究目标与核心贡献
本文提出一种新颖的集成定位框架，将标准AoA方法与从机会信号（SoP）导航中借鉴的额外接收能力相结合。该框架的核心创新在于：建立一个多阶段混合单卫星定位流水线，首先由纯单通道AoA方位向量获得初始空间估计，进而初始化传播延迟和频率偏移的预期值，使状态向量可增广时钟变量；随后将基于5G NTN的伪距和伪距率观测投影到该单卫星AoA基线上，显著收紧空间误差椭圆；最后通过包含Levenberg–Marquardt正则化的卡尔曼滤波顺序估计方案，利用用户位置时间相关性和连续单卫星过境的几何演化积累信息，实现从粗略方向跟踪到精细空间分辨率的跨越。
## 3. 关键技术方法
研究人员采用以下主要关键技术方法：(1) 建立包含低地球轨道（LEO）1200 km倾斜Walker-star星座和极地壳层的卫星星座模型，采用Ka频段Set-2参数，最小仰角20°，并模拟卫星切换策略维持40°以上仰角；(2) 基于循环前缀正交频分复用（CP-OFDM）的5G NR下行信号模型，利用主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）提取AoA、FoA和ToA观测量；(3) 构建完整误差预算，涵盖接收机处理的克拉美-罗下界（CRLB）、波束指向误差、晶振时钟误差、星历不确定性、卫星时钟偏差、传输链群延迟、对流层误差和多径误差；(4) 开发Levenberg–Marquardt卡尔曼滤波器（LMKF）核心算法，通过四种估计器配置（J0单历元AoA、J1多历元AoA跟踪、J2联合AoA+FoA、J3联合AoA+FoA+ToA）实现渐进式融合定位；(5) 在静态全球网格（纬度0°–70°、经度0°–180°）和意大利米兰真实车辆轨迹（源自联合研究中心JRC测量活动）上进行仿真验证，测量采样率1 Hz，观测窗口1200 s（静态）和50 min（动态）。
## 4. 研究结果
### 4.1 静态用户仿真结果
在名义误差条件下，J0估计器在所有网格点上持续产生超过15 km的误差，这是由于缺少时间相关性且仅依赖单历元AoA观测量，对瞬时不利几何高度敏感。J1滤波器通过利用多历元几何分集，在多数网格点将误差降至5 km以下，但赤道附近（0°纬度）改善有限，因为低纬度地区可见卫星过境分集较差。引入多普勒数据后，J2配置将误差稳定约束在10 km以下，最优位置可达3 km以内。最终，J3配置通过引入伪距约束，克服了纯角度和多普勒跟踪的几何脆弱性，将全球定位误差一致降至5 km以下。敏感性分析表明，角度误差放大三倍时任何配置均无法达到亚5 km精度；而在最佳场景下，增强AoA精度可实现1 km级定位性能。时间序列分析显示，从J1向J2/J3过渡存在明显瞬态阶段，验证了顺序估计过程对时钟偏差和漂移状态初始化的有效性。
### 4.2 动态用户仿真结果
动态轨迹测试采用最坏场景设置。J0快照AoA解在25 km范围内表现出严重的点散乱且无时间相干性；J1和J2多历元滤波逐步收紧散乱程度，使色标梯度与车辆运动方向一致；J3解算器沿真实轨迹实现最紧密的聚类，在动态条件下展现出优越的二维水平跟踪精度。统计结果如表5所示，从J0到J3实现了统计显著的误差降低，且误差水平与静态基准性能一致，表明框架在从静态向慢速移动用户过渡时性能保持稳定。
### 4.3 位置不确定性对RACH的影响
残余位置不确定性转化为差分时延和多普勒。根据文献[6]，水平位置误差在高仰角下产生的差分时延显著低于低仰角（如30°）。在40°切换策略边界处，J0解算器在名义和最坏情况下残余时延超过100 μs；J1将名义差分时延收紧至约30 μs；J2和J3在有效工作域（>40°仰角）内将差分时延保持在20 μs以下，并在最佳场景下实现低至1.10 km的定位精度。当前3GPP规范对FR2-NTN（SCS=120 kHz）的PRACH前导码接收定义了严格的差分往返时延限制（0.65 μs至8.11 μs），这些严格约束实际上排除了在GNSS拒止环境中完成PRACH过程的可能性。RAN4正在审查相关要求，区分GNSS可用与GNSS拒止条件下的UE。本文提出的方案将位置不确定性从整个波束半径降至数公里，只需对差分时延要求进行最小放宽。具体而言，J3配置在最佳场景下可在仰角大于60°时满足当前3GPP要求完成PRACH；J2配置在仰角大于70°时可成功完成PRACH；对于名义和最佳配置在40°以上任意仰角完成PRACH，仍需对要求进行小幅放宽。
## 5. 讨论与结论
讨论部分指出，将Doppler（FoA）和测距（ToA）观测引入系统是消除赤道纬度误差尖峰的关键突破，多普勒跟踪通过引入相对速度动力学将平均误差降至10 km以下，而完整的多观测混合将最大位置误差限制在5 km以内。该框架与3GPP Release 20中引入的GNSS弹性特性（如双序列PRACH传输）兼容，使定位更加稳健，但仍需对无线资源管理（RRM）要求进行最小放宽以确保GNSS拒止条件下卫星侧PRACH前导码的成功接收。
研究结论明确：本文提出了一种新颖的集成单卫星多步定位框架，能够将定位不确定性从整个波束半径降低至数公里，仅需对差分时延要求进行最小放宽。虽然当前规范在较高基线定位不确定性下排除了标准PRACH过程，但将所提出的卫星选择策略与定位框架相结合，可在多种评估配置下实现在无GNSS条件下的成功运营。其他配置（如较低AoA精度）则需要小幅放宽要求以确保PRACH顺利完成。未来工作将扩展该单卫星框架以应对非视距城市遮挡，优化跨更宽亚卫星边界的多历元滤波器初始化，评估模拟或混合波束成形架构下的盲AoA捕获与跟踪算法，探索更现实的卫星选择策略（包括固定时间切换调度），并评估LMKF的计算效率以弥合理论模型与实际实现之间的差距。
