如果GPS失靈 研究人員可根據(jù)LEO信號計算精確的位置

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This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore.（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/）

自20世紀70年代全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）首次問世以來，它一直是許多事情的重要組成部分，無論是個人導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)、航空還是軍事行動。但是，如果過于依賴這項技術(shù)，一旦失敗或被黑客入侵，就會帶來巨大的風(fēng)險，這促使研究人員探索替代方案。

在最近的一項進展中，一個研究團隊成功地使用一組近地軌道（low Earth orbit，LEO）衛(wèi)星計算了它們在幾米內(nèi)的地面位置，在某些情況下優(yōu)于當今的GPS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS-inertial navigation system，INS）。

俄亥俄州立大學(xué)CARMEN的主任Zak Kassas在擔(dān)心GPS故障后，于2014年首次開始探索GPS的替代方案。他說，GPS信號在某些情況下可能是不可靠的，比如在室內(nèi)或茂密的樹冠下，GPS信號的干擾和阻擋在過去幾年里急劇上升。

他說：“這擾亂了美國和世界各地的機場和港口運營，造成了拼共乘的混亂，使船只陷入混亂，導(dǎo)致無人機墜毀，并在軍事沖突中變得司空見慣。通過觀察所有的這些情況，我認為我們應(yīng)該在一切為時已晚之前找到一個替代GPS的備用方案?！?/p>

全球定位系統(tǒng)目前依賴于在地球中等軌道（約20000公里高）上運行的31顆衛(wèi)星。但Kassas將目光投向了未來十年準備****的數(shù)萬顆低軌衛(wèi)星，這些衛(wèi)星距離地球的距離約為地球的20倍。這意味著它們將擁有更強的信號，使其更難干擾或受欺騙，并且在沒有GPS信號的環(huán)境中更可靠。Kassas的想法是使用地面接收器來檢測低軌衛(wèi)星的信標信號，以確定它們的相對位置，然后使用這些信息來計算地面接收器的位置。

但是，盡管全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)向公眾開放，但低軌衛(wèi)星是私人所有的，其信標信號不公開。因此，Kassas的團隊開發(fā)了一種算法，可以破譯衛(wèi)星的未知信標信號。

SHARBEL KOZHAYA

接下來，他們開發(fā)了另一種算法，稱為同時跟蹤和導(dǎo)航（simultaneous tracking and navigationSTAN）。Kassas解釋道：“[STAN]基本上可以檢測低軌衛(wèi)星的存在，破譯其信標，并跟蹤信號，同時估計衛(wèi)星的位置，使我們能夠預(yù)估到衛(wèi)星的距離。”

2021年，Kassas的團隊成功解碼了Starlink衛(wèi)星的信號，并使用其中六顆衛(wèi)星將自己在地球上的位置跟蹤到10米以內(nèi)。后來的嘗試將追蹤距離縮小到了6.5米。在他們最近的進展中，他們開發(fā)了一種幾乎可以與任何衛(wèi)星星座配合使用的接收器，并在四家不同公司的衛(wèi)星上進行了測試，即Iridium NEXT，OneWeb，Orbcomm，和SpaceX的Starlink，以更高的精度在地球上進行定位。他們在2023 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS)論文中（https://www.ion.org/plans/）描述了這一進展。

在他們的論文中，該團隊描述了一個固定的地面實驗，在該實驗中，他們能夠使用四種不同類型的低軌衛(wèi)星在俄亥俄州實驗室的屋頂上精確定位他們的真實位置，誤差約為5米。Kassas指出，這是第一次有人能夠破解OneWeb信號進行定位和導(dǎo)航。

在第二個實驗中，研究人員將現(xiàn)成的接收器安裝在汽車頂部，一邊開車一邊收聽來自四個低軌衛(wèi)星星座（一個OneWeb、四個Starlink、一個Iridium NEXT和兩個Orbcomm衛(wèi)星）的信號。

當有人在開車或移動時，GPS信號丟失，GPS/INS系統(tǒng)會根據(jù)他們的軌跡來估計這個人的位置，這會很快累積誤差。

在他們的駕駛實驗中，研究小組在切斷GPS之前開車行駛了100米，并繼續(xù)行駛了近一公里。傳統(tǒng)的GPS/INS系統(tǒng)預(yù)測它們的位置距離真實位置約500米，而STAN系統(tǒng)僅相距4.4米，這證明了當GPS出現(xiàn)故障時，STAN算法可能非常有用。

Kassas說：“這就像在黑暗中射擊，但卻以驚人的精度擊中目標。”他指出，這種方法使用了許多未知變量來成功地找到目標。我們正在處理的衛(wèi)星位置不確定，我們只知道衛(wèi)星在幾公里內(nèi)的位置，這些衛(wèi)星正在傳輸我們不太了解的信號。然而，我們能夠利用衛(wèi)星的信號以令人印象深刻的精度定位自己?！?/p>

Kassas指出，盡管有這些令人興奮的第一個里程碑，但這項技術(shù)仍處于初級階段。例如，STAN仍然無法像GPS那樣實現(xiàn)實時導(dǎo)航，一些算法仍需改進。Kassas說：“我們還沒有在所有環(huán)境中測試我們的方法，所以很難評估這些信號是否能讓你隨時隨地進行導(dǎo)航?！?/p>

目前，研究人員已經(jīng)申請了專利，并表示他們受到了來自不同行業(yè)的初創(chuàng)公司和科技巨頭的廣泛關(guān)注，有興趣討論其商業(yè)化。如果一切按計劃進行，STAN算法可能會引導(dǎo)我們走上一條替代GPS的道路。