GPS失靈怎么辦？未來或可用通訊衛(wèi)星信號來定位

時間：2021-10-23　來源：網(wǎng)絡　作者：網(wǎng)絡　點擊：次

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在當今的時代中，沒有GPS（全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)）的社會生活幾乎是不可想象的。GPS被用于個人導航找路、商業(yè)航空運營、軍事活動、農作物監(jiān)控、野生動物跟蹤等諸多無法窮盡列舉的應用場景中。但把所有雞蛋都放在一個籃子里，是否太冒險了？

自然，當下除了GPS以外，衛(wèi)星定位系統(tǒng)星群還有歐洲的“伽利略”、中國的“北斗”等等。不過這些系統(tǒng)都以類似的原理和器件來運行，意味著它們有類似的優(yōu)點與弱點。

如果這些星群里任何一顆被黑客攻破、被干擾、或者只是意外失靈，都意味著沒有后備選項的系統(tǒng)整體失靈。若此情景發(fā)生，對社會生活的很多運行關鍵部分都會有致命影響，很多國家因此日均獲得的經(jīng)濟傷害就會超過10億美元。

加州大學爾灣分校教授、美國交通部有關無人車輛導航研究項目的負責人扎克·卡薩斯稱：“開發(fā)能作為GPS備用選項的、精確且高度可靠的導航系統(tǒng)，這是當下業(yè)界的急迫需求。盡管已經(jīng)了解潛在短板，現(xiàn)在的用戶還是過度依賴GPS了。”

幸運的是，卡薩斯與他的研究團隊開發(fā)出了富有新意的另類定位系統(tǒng)。研究團隊不依賴在高軌道上運行的少數(shù)定位衛(wèi)星星群，而是使用在低軌道上數(shù)量更多的近地通信衛(wèi)星，比如馬斯克的星鏈衛(wèi)星。

與GPS相比，星鏈等通訊衛(wèi)星有很多優(yōu)勢：它們離地面的距離比GPS衛(wèi)星近20倍，如此一來用戶從星鏈接收到的信號強度遠高于GPS。這意味著星鏈的信號被干擾、篡改的可能性遠小于GPS，所以在GPS信號失效的很多環(huán)境中，星鏈信號仍然可靠。

而且星鏈等近地通信衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)量遠高于GPS衛(wèi)星，可以完全無死角覆蓋地球的每一個角落。同時這些近地通信衛(wèi)星的信號頻段更多、帶寬更高，用來定位的話可以得到準確的位置坐標。

不過，星鏈的寬帶信號現(xiàn)在還屬于私有知識產權的技術，并不能直接公用于定位用途。卡薩斯的研究團隊另辟蹊徑，先測量從衛(wèi)星發(fā)射的信號載波波段頻譜，再基于這些頻譜，通過特殊算法，計算出接收信號的地面接收器相對于衛(wèi)星的位置、運動速度、運動時間，從而得出三角定位坐標。由于只是測量信號波段、沒有直接讀取破譯信號內容，如此就規(guī)避了侵犯知識產權的難題。

研究團隊花了大量時間，在大學樓頂上用不同規(guī)格的各種硬件反復測試算法。2021年春，他們成功利用6顆星鏈衛(wèi)星的信號，獲得定位精度在7.7米以內的定位結果。2021年9月20日，研究團隊的成果正式發(fā)布在“國際電氣電子工程師學會”的期刊上。

在初次試運行過程中，研究團隊為了得到更精確的信號載波波段測量結果，等了800秒鐘，在6顆星鏈衛(wèi)星都飛過頭頂之后，再運算出定位結果。

不過，卡薩斯稱在不遠的未來，光是星鏈系統(tǒng)就將追加發(fā)射數(shù)千顆衛(wèi)星，更別說此技術也能應用在銥星、“軌道通信”等其他通信衛(wèi)星系統(tǒng)上。所以未來此技術獲得的定位實時性與精確度將會有大幅提高。

為了改進技術，研究團隊繼續(xù)改進算法模型。新的算法模型能更好地探測近地衛(wèi)星的載波信號，并利用信號波束的多普勒效應更精確地為用戶定位。

現(xiàn)在的問題是，這個新技術的性能與已有的GPS相比，究竟表現(xiàn)如何。GPS系統(tǒng)其實還附帶了慣性定位系統(tǒng)，在衛(wèi)星信號中斷時，備用的慣性定位系統(tǒng)將按用戶已有運動軌跡的速度、方向等數(shù)據(jù)，推算出用戶的位置。

卡薩斯團隊在自家的近地衛(wèi)星定位技術里也集成了類似的慣性定位部分，稱之為“同步定位與導航系統(tǒng)”（英文縮寫STAN）。

為了試驗STAN的性能表現(xiàn)，研究者將自家的導航系統(tǒng)與市面上的高價位GPS系統(tǒng)一起裝在車上，在加州奧蘭治郡的公路上行駛了7公里，并在最后兩公里屏蔽了衛(wèi)星信號。在信號中斷的狀況下，高端GPS系統(tǒng)的定位誤差是202米，STAN的定位誤差是38米，精度更加準確。