如今，沒(méi)有 GPS 的生活幾乎是不可想象的。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于個(gè)人導(dǎo)航、商業(yè)航空、軍事行動(dòng)、作物和野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)等等。但是我們把所有的雞蛋放在一個(gè)籃子里是不是有點(diǎn)魯莽？
今天，除了原有的GPS外，還有歐洲的伽利略、中國(guó)的北斗等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但它們都以相似的方式運(yùn)行，具有相似的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。如果這些系統(tǒng)被黑客入侵、堵塞或以其他方式出現(xiàn)故障，則沒(méi)有備份選項(xiàng)。如此多的關(guān)鍵操作中斷將是災(zāi)難性的，這將造成一些國(guó)家每天損失超過(guò) 10 億美元。
“迫切需要找到一種替代 GPS 的強(qiáng)大而準(zhǔn)確的導(dǎo)航系統(tǒng)，”加州大學(xué)歐文分校副教授兼美國(guó)部交通運(yùn)輸中心多模式 AssurEd 導(dǎo)航 （CARMEN） 自動(dòng)駕駛汽車研究中心主任 Zak Kassas 說(shuō)……“我們過(guò)度依賴這些系統(tǒng)，盡管它們有已知的局限性。”
幸運(yùn)的是，Kassas 和他的同事設(shè)計(jì)了一種新穎的 GPS 替代品。他的團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有依賴在地球高軌道上盤旋的少數(shù) GPS 衛(wèi)星，而是著眼于地球低軌道上數(shù)量更多、距離更近的衛(wèi)星，例如 Starlink “艦隊(duì)”。
與 GPS 衛(wèi)星相比，這些衛(wèi)星具有許多優(yōu)勢(shì)。“它們比 GPS 衛(wèi)星離地球近 20 倍左右，這意味著我們接收它們的信號(hào)的功率比 GPS 高得多。這使得它們更難被干擾或欺騙，并使它們?cè)跊](méi)有 GPS 信號(hào)的環(huán)境中可靠，”Kassas 解釋道。
他還指出，Starlink 衛(wèi)星以及地球低軌道上的其他類似衛(wèi)星一旦完全部署，將“覆蓋”地球，同時(shí)傳輸多個(gè)高帶寬信號(hào)，從而產(chǎn)生更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。
然而，Starlink 衛(wèi)星的寬帶信號(hào)被認(rèn)為是知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不為公眾所知，這意味著Kassas 和他的同事不能直接將這些信號(hào)用于跟蹤目的。這促使他們?cè)O(shè)計(jì)了一種替代解決方案，該解決方案利用地面接收器跟蹤衛(wèi)星發(fā)射的底層載波的相位。他們開(kāi)發(fā)了一種算法，可以根據(jù)載波相位測(cè)量值計(jì)算地面接收器相對(duì)于上面看不見(jiàn)的衛(wèi)星的位置、速度和時(shí)間。
研究人員說(shuō)，他們?cè)诖髮W(xué)大樓的車庫(kù)屋頂上花了“無(wú)數(shù)個(gè)小時(shí)”，用不同的硬件配置測(cè)試算法。2021 年春天，他們成功地使用六顆 Starlink 衛(wèi)星在僅 7.7 米的范圍內(nèi)準(zhǔn)確跟蹤了他們的位置。結(jié)果在所描述的研究9月20日發(fā)表的關(guān)于航空與電子系統(tǒng)自動(dòng)化，并首次通過(guò)報(bào)道Ars Technica的。
值得注意的是，研究人員必須等待 800 秒才能讓所有六顆 Starlink 衛(wèi)星通過(guò)它們，以便在第一次試運(yùn)行期間獲得計(jì)算所需的載波相位測(cè)量值。然而，Kassas 指出，在不久的將來(lái)還會(huì)發(fā)射數(shù)千顆額外的衛(wèi)星，這可能會(huì)大大提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可用性和定位精度。此后，他的團(tuán)隊(duì)還通過(guò)開(kāi)發(fā)一種模型來(lái)改進(jìn)他們的技術(shù)，該模型可以更好地檢測(cè)衛(wèi)星的載波信號(hào)，并使用來(lái)自低軌道衛(wèi)星的載波信號(hào)的多普勒效應(yīng)估計(jì)用戶的位置。
現(xiàn)在的一個(gè)主要問(wèn)題是這種新方法與 GPS 相比如何。GPS 系統(tǒng)與稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng) （INS） 的東西相結(jié)合。如果 GPS 信號(hào)丟失，該輔助系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)期軌跡估計(jì)用戶的位置。Kassas 和他的同事將類似的 INS 方法與他們的低軌道衛(wèi)星跟蹤方法相結(jié)合，稱為同步跟蹤和導(dǎo)航 （STAN）。接下來(lái)，他們?cè)趭W蘭治縣的高速公路上兜風(fēng)，用高端 GPS-INS 測(cè)試 STAN。
在 7 公里的車程中，他們切斷了最后 2 公里的 GPS 信號(hào)，并比較了兩種導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS-INS 系統(tǒng)在沒(méi)有 GPS 信號(hào)的情況下累積誤差為 202 米，而 STAN 累積誤差僅為 38 米，同時(shí)使用三顆低軌道衛(wèi)星（Starlink、Orbcomm 和 Iridium）來(lái)估計(jì)汽車的位置。這些結(jié)果表明，當(dāng) GPS 信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，STAN 如何產(chǎn)生更準(zhǔn)確的定位結(jié)果。
Kassas 強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“我們?cè)趲缀醪恢?Starlink 衛(wèi)星傳輸?shù)膬?nèi)容和相對(duì)便宜的硬件的情況下實(shí)現(xiàn)了這一壯舉。”
他說(shuō)，該集團(tuán)已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)家和國(guó)際專利，并且正在與幾家公司討論將該方法商業(yè)化。“我們目前的結(jié)果只是揭示了什么是可能的，”Kassas 說(shuō)。“這僅僅是開(kāi)始。”
