《Acta Astronautica》：Space-based multilateration for a GNSS-independent aircraft localisation
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本文针对传统ADS-B依赖GNSS、在偏远地区难以部署地面基站的局限性，提出了一种创新的星基增强多点定位（E-MLAT）系统。该研究通过部署配备相控阵天线的LEO卫星星座，结合TOA、FOA和AOA测量，实现了不依赖GNSS的飞机独立定位。仿真评估表明，在适当设计下，该系统定位精度可达水平均方根误差350米，完全满足航路空中交通管制需求，显著提升了远程和洋区空域的监视能力、安全性和运行效率。
现代空中交通管制高度依赖广播式自动相关监视系统。飞行员驾驶舱内的设备会基于全球导航卫星系统的信号，计算出飞机的精确位置，并通过ADS-B系统周期性地将包含位置、速度、身份等信息的状态向量广播出去。地面站或其他飞机接收这些信息，从而实现比传统雷达更新率更高、精度更高的飞机跟踪。这为缩小飞机之间的安全间隔、提高情境感知能力和规划更高效、更环保的飞行航迹奠定了基础。然而，这种现代化的“眼睛”存在两大先天性“弱点”。首先，ADS-B本身并非一套独立的监视系统，其位置信息完全源自GNSS。这使得它极易受到干扰、欺骗或机载系统故障的影响，一旦GNSS信号不可靠，整个监视链条的完整性就会受到威胁。其次，地面ADS-B基础设施在偏远和海洋区域往往难以部署或根本无法部署，导致这些区域的监视覆盖存在空白。为了在这些区域提供监视，目前广泛使用合同式自动相关监视，但其信息更新频率较低，无法满足高流量空域（如连接北美和欧洲的北大西洋走廊）对近实时位置更新的需求。现有的星基ADS-B解决方案（如Aireon公司提供的服务）虽然扩展了覆盖范围，但其定位结果依然完全依赖于飞机自身上报的GNSS数据，并未解决GNSS依赖性的根本问题。为了构建一套真正具有韧性、冗余性和全球覆盖能力的航空监视系统，尤其是在GNSS失效或受到攻击时仍能提供可靠的飞机位置信息，研究人员将目光投向了天空——不是地面，而是由低地球轨道卫星组成的“天网”。
由罗马大学“Tor Vergata”的Mauro Leonardi、Giulio Sidoretti、Eduardo Navarra和Mahsa Mohebbi共同完成，发表在《Acta Astronautica》上的这项研究，提出并评估了一种全新的监视架构：一种复合的星基ADS-B增强多点定位系统。该系统旨在利用一个低地球轨道卫星星座，接收飞机发出的ADS-B信号，并通过测量信号的多种物理特性（如到达时间、到达频率和到达角度），在地面中心处理站运用多点定位算法，独立估算出飞机的位置，从而实现不依赖GNSS的飞机定位和ADS-B数据验证。这项名为“SATERA”的项目的终极目标，是提供一套稳健、冗余且全球覆盖的监视能力，支持在偏远和海洋空域也能实现优化的、节油航路规划，同时提升空中交通监视的安全性、完整性和韧性。
本研究为评估所提星基E-MLAT系统的性能，核心采用了理论建模与仿真验证相结合的技术路径。首先，研究者对卫星星座（采用Walker Star构型，共200颗卫星，轨道高度500公里）、星载ADS-B传感器（包含数字波束成形相控阵天线，可测量TOA、FOA、AOA）及通信网络的架构和关键参数进行了详细设定。其次，研究构建了基于TOA、FOA、AOA测量的卫星E-MLAT数学模型。性能评估的核心工具是克拉美-罗下界理论，这是一种在参数估计中用于确定无偏估计量方差下界的数学工具，能够从理论上预测定位系统的最佳可能精度，从而避免了对具体估计算法实现的依赖。研究者通过设定大西洋上空的典型飞行场景，进行了大规模的蒙特卡洛仿真，系统评估了不同测量组合（如仅TOA、TOA+FOA、TOA+AOA、TOA+FOA+AOA）以及不同卫星可见数量下，系统的水平定位误差。仿真中严格考虑了来自卫星导航、星载接收机、时钟同步、信号传播等多方面的误差源，并将其量化为测量噪声，输入到CRLB计算模型中，最终得到了系统在不同配置下的定位精度（水平均方根误差）性能曲线。
卫星E-MLAT系统概念与架构。研究提出，由LEO卫星星座接收飞机的ADS-B信号，测量其TOA、FOA和AOA等参数，通过星间链路和下行链路将测量数据发送至地面中心处理站。CPS利用多点定位技术融合多星测量数据，独立解算出飞机位置，并与ADS-B报文上报的位置进行比较以验证其完整性，最后生成符合空管标准的ASTERIX格式目标报告。整个架构旨在提供GNSS失效情况下的备份定位能力。研究还识别了星基MLAT相较于地基系统所特有的挑战，包括卫星自身定位精度、星间高精度时间同步、通信网络延迟与拥塞，以及因卫星几何构型不佳导致的定位问题病态性。E-MLAT通过引入FOA和AOA等额外测量值，以及优化接收天线性能来应对这些挑战。
星座与星载传感器设计。研究设计了一个包含200颗卫星、10个轨道面、轨道高度500公里、倾角86度的Walker Delta星座，以确保在南北纬70度之间的关注区域内，至少能有4颗卫星同时观测到同一架飞机。星载ADS-B传感器采用数字波束成形相控阵天线架构，能够形成多个波束覆盖不同地面区域，并精确测量信号的AOA。传感器、导航单元、定时单元和通信单元共同工作，确保了测量所需的时空基准。研究汇总了传感器关键性能参数，例如接收机灵敏度为-97 dBm，TOA测量误差标准差为15纳秒，FOA测量误差为500赫兹，AOA测量误差为0.01745弧度（约1度）等，这些参数构成了后续性能仿真的误差输入基础。
基于CRLB的系统性能评估。这是本研究量化分析的核心部分。研究者推导了在TOA、FOA、AOA不同测量组合下，目标位置估计的CRLB表达式。通过在大西洋区域上空的仿真，评估了系统定位精度。结果表明：
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仅使用TOA测量：在4颗卫星可见的典型情况下，水平定位误差大约在1公里左右，难以满足航路阶段350米RMS的精度要求。
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引入FOA测量：将FOA与TOA结合，能有效约束目标的运动状态（速度），从而显著提升定位精度。在4星可见时，水平误差可降低至约500米左右，性能改善明显。
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引入AOA测量：将AOA（本研究考虑了水平角和垂直角）与TOA结合，能提供极强的方向约束。仿真显示，即使只有3颗卫星，结合TOA和AOA测量，其定位精度已接近或达到4颗卫星仅用TOA时的水平。在4星可见时，TOA+AOA的组合能将水平误差降低至约300-400米区间。
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组合使用TOA、FOA和AOA：这是性能最佳的配置。在4颗卫星可见时，系统的水平定位误差可以稳定在200米至350米之间。研究特别指出，在适当的系统设计下，该星基E-MLAT系统能够实现水平均方根误差350米的定位精度，这完全满足了国际民航组织对航路阶段空中交通管制的精度要求。此外，研究还分析了卫星可见数量对精度的影响，证实增加可见卫星数量能有效提升几何构型，从而进一步降低定位误差。
研究结论与意义。本研究表明，通过部署一个设计合理的低地球轨道卫星星座，并利用其测量ADS-B信号的到达时间、到达频率和到达角度信息，构建一个增强型星基多点定位系统在技术上是可行的。性能仿真证实，在综合使用TOA、FOA和AOA测量的最优配置下，该系统能够实现不依赖于全球导航卫星系统的独立飞机定位，且其精度（水平均方根误差≤350米）完全满足现行航路空中交通管制的严格要求。这项工作的重要意义在于，它为解决当前航空监视体系的核心脆弱性——对GNSS的绝对依赖——提供了一条切实可行的技术路径。所提出的星基E-MLAT系统能够作为现有ADS-B系统的有效备份和验证手段，显著增强远程、越洋以及极地等地面基础设施薄弱空域的监视能力。这不仅可以在GNSS受到干扰或欺骗时提供关键的安全冗余，保障飞行安全，还能通过提供更可靠、更频繁的位置更新，支持空管部门实施更小的航空器间隔标准，从而优化空域容量、提升运行效率，并最终通过更直接的航路规划降低航空燃油消耗和碳排放。该研究为未来建设更具韧性、全球覆盖、高性能的下一代空中交通管理系统奠定了重要的理论基础与技术方向。
