如今，沒有 GPS 的生活幾乎是不可想象的。因為這項技術(shù)被廣泛應(yīng)用于個人導(dǎo)航、商業(yè)航空、軍事行動、作物和野生動物監(jiān)測等等。但是我們把所有的雞蛋放在一個籃子里是不是有點魯莽？
今天，除了原有的GPS外，還有歐洲的伽利略、中國的北斗等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但它們都以相似的方式運行，具有相似的優(yōu)點和缺點。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，則沒有備份選項。如此多的關(guān)鍵操作中斷將是災(zāi)難性的，這將造成一些國家每天損失超過 10 億美元。
“迫切需要找到一種替代 GPS 的強大而準確的導(dǎo)航系統(tǒng)，”加州大學歐文分校副教授兼美國部交通運輸中心多模式 AssurEd 導(dǎo)航 （CARMEN） 自動駕駛汽車研究中心主任 Zak Kassas 說……“我們過度依賴這些系統(tǒng)，盡管它們有已知的局限性?！?/p>
幸運的是，Kassas 和他的同事設(shè)計了一種新穎的 GPS 替代品。他的團隊并沒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”。
與 GPS 衛(wèi)星相比，這些衛(wèi)星具有許多優(yōu)勢?！八鼈儽?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，并使它們在沒有 GPS 信號的環(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，同時傳輸多個高帶寬信號，從而產(chǎn)生更準確的定位結(jié)果。
然而，Starlink 衛(wèi)星的寬帶信號被認為是知識產(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用于跟蹤目的。這促使他們設(shè)計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。他們開發(fā)了一種算法，可以根據(jù)載波相位測量值計算地面接收器相對于上面看不見的衛(wèi)星的位置、速度和時間。
研究人員說，他們在大學大樓的車庫屋頂上花了“無數(shù)個小時”，用不同的硬件配置測試算法。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)自動化，并首次通過報道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)星通過它們，以便在第一次試運行期間獲得計算所需的載波相位測量值。然而，Kassas 指出，在不久的將來還會發(fā)射數(shù)千顆額外的衛(wèi)星，這可能會大大提高實時數(shù)據(jù)的可用性和定位精度。此后，他的團隊還通過開發(fā)一種模型來改進他們的技術(shù)，該模型可以更好地檢測衛(wèi)星的載波信號，并使用來自低軌道衛(wèi)星的載波信號的多普勒效應(yīng)估計用戶的位置。
現(xiàn)在的一個主要問題是這種新方法與 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 信號丟失，該輔助系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)期軌跡估計用戶的位置。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，他們在奧蘭治縣的高速公路上兜風，用高端 GPS-INS 測試 STAN。
在 7 公里的車程中，他們切斷了最后 2 公里的 GPS 信號，并比較了兩種導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS-INS 系統(tǒng)在沒有 GPS 信號的情況下累積誤差為 202 米，而 STAN 累積誤差僅為 38 米，同時使用三顆低軌道衛(wèi)星（Starlink、Orbcomm 和 Iridium）來估計汽車的位置。這些結(jié)果表明，當 GPS 信號出現(xiàn)故障時，STAN 如何產(chǎn)生更準確的定位結(jié)果。
Kassas 強調(diào)說：“我們在幾乎不知道 Starlink 衛(wèi)星傳輸?shù)膬?nèi)容和相對便宜的硬件的情況下實現(xiàn)了這一壯舉?！?/p>
他說，該集團已經(jīng)申請了多項國家和國際專利，并且正在與幾家公司討論將該方法商業(yè)化?！拔覀兡壳暗慕Y(jié)果只是揭示了什么是可能的，”Kassas 說?！斑@僅僅是開始?！?/p>
