如果GPS失靈 研究人員可根據(jù)LEO信號(hào)計(jì)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(jì)70年代全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）首次問(wèn)世以來(lái)，它一直是許多事情的重要組成部分，無(wú)論是個(gè)人導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)、航空還是軍事行動(dòng)。但是，如果過(guò)于依賴這項(xiàng)技術(shù)，一旦失敗或被黑客入侵，就會(huì)帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)，這促使研究人員探索替代方案。

在最近的一項(xiàng)進(jìn)展中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)成功地使用一組近地軌道（low Earth orbit，LEO）衛(wèi)星計(jì)算了它們?cè)趲酌變?nèi)的地面位置，在某些情況下優(yōu)于當(dāng)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(kāi)始探索GPS的替代方案。他說(shuō)，GPS信號(hào)在某些情況下可能是不可靠的，比如在室內(nèi)或茂密的樹(shù)冠下，GPS信號(hào)的干擾和阻擋在過(guò)去幾年里急劇上升。

他說(shuō)：“這擾亂了美國(guó)和世界各地的機(jī)場(chǎng)和港口運(yùn)營(yíng)，造成了拼共乘的混亂，使船只陷入混亂，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜毀，并在軍事沖突中變得司空見(jiàn)慣。通過(guò)觀察所有的這些情況，我認(rèn)為我們應(yīng)該在一切為時(shí)已晚之前找到一個(gè)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(yùn)行的31顆衛(wèi)星。但Kassas將目光投向了未來(lái)十年準(zhǔn)備****的數(shù)萬(wàn)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(qiáng)的信號(hào)，使其更難干擾或受欺騙，并且在沒(méi)有GPS信號(hào)的環(huán)境中更可靠。Kassas的想法是使用地面接收器來(lái)檢測(cè)低軌衛(wèi)星的信標(biāo)信號(hào)，以確定它們的相對(duì)位置，然后使用這些信息來(lái)計(jì)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(kāi)放，但低軌衛(wèi)星是私人所有的，其信標(biāo)信號(hào)不公開(kāi)。因此，Kassas的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種算法，可以破譯衛(wèi)星的未知信標(biāo)信號(hào)。

SHARBEL KOZHAYA

接下來(lái)，他們開(kāi)發(fā)了另一種算法，稱為同時(shí)跟蹤和導(dǎo)航（simultaneous tracking and navigationSTAN）。Kassas解釋道：“[STAN]基本上可以檢測(cè)低軌衛(wèi)星的存在，破譯其信標(biāo)，并跟蹤信號(hào)，同時(shí)估計(jì)衛(wèi)星的位置，使我們能夠預(yù)估到衛(wèi)星的距離?！?/p>

2021年，Kassas的團(tuán)隊(duì)成功解碼了Starlink衛(wèi)星的信號(hào)，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(lái)的嘗試將追蹤距離縮小到了6.5米。在他們最近的進(jìn)展中，他們開(kāi)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(jìn)行了測(cè)試，即Iridium NEXT，OneWeb，Orbcomm，和SpaceX的Starlink，以更高的精度在地球上進(jìn)行定位。他們?cè)?023 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS)論文中（https://www.ion.org/plans/）描述了這一進(jìn)展。

在他們的論文中，該團(tuán)隊(duì)描述了一個(gè)固定的地面實(shí)驗(yàn)，在該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的屋頂上精確定位他們的真實(shí)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(hào)進(jìn)行定位和導(dǎo)航。

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將現(xiàn)成的接收器安裝在汽車頂部，一邊開(kāi)車一邊收聽(tīng)來(lái)自四個(gè)低軌衛(wèi)星星座（一個(gè)OneWeb、四個(gè)Starlink、一個(gè)Iridium NEXT和兩個(gè)Orbcomm衛(wèi)星）的信號(hào)。

當(dāng)有人在開(kāi)車或移動(dòng)時(shí)，GPS信號(hào)丟失，GPS/INS系統(tǒng)會(huì)根據(jù)他們的軌跡來(lái)估計(jì)這個(gè)人的位置，這會(huì)很快累積誤差。

在他們的駕駛實(shí)驗(yàn)中，研究小組在切斷GPS之前開(kāi)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(cè)它們的位置距離真實(shí)位置約500米，而STAN系統(tǒng)僅相距4.4米，這證明了當(dāng)GPS出現(xiàn)故障時(shí)，STAN算法可能非常有用。

Kassas說(shuō)：“這就像在黑暗中射擊，但卻以驚人的精度擊中目標(biāo)。”他指出，這種方法使用了許多未知變量來(lái)成功地找到目標(biāo)。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(hào)。然而，我們能夠利用衛(wèi)星的信號(hào)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(gè)里程碑，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于初級(jí)階段。例如，STAN仍然無(wú)法像GPS那樣實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航，一些算法仍需改進(jìn)。Kassas說(shuō)：“我們還沒(méi)有在所有環(huán)境中測(cè)試我們的方法，所以很難評(píng)估這些信號(hào)是否能讓你隨時(shí)隨地進(jìn)行導(dǎo)航?！?/p>

目前，研究人員已經(jīng)申請(qǐng)了專利，并表示他們受到了來(lái)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(jì)劃進(jìn)行，STAN算法可能會(huì)引導(dǎo)我們走上一條替代GPS的道路。