GPS失靈怎么辦？未來或可用通訊衛(wèi)星信號來定位

時(shí)間：2021-10-23　來源：網(wǎng)絡(luò)　作者：網(wǎng)絡(luò)　點(diǎn)擊：次

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在當(dāng)今的時(shí)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(gè)人導(dǎo)航找路、商業(yè)航空運(yùn)營、軍事活動、農(nóng)作物監(jiān)控、野生動物跟蹤等諸多無法窮盡列舉的應(yīng)用場景中。但把所有雞蛋都放在一個(gè)籃子里，是否太冒險(xiǎn)了？

自然，當(dāng)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(yùn)行，意味著它們有類似的優(yōu)點(diǎn)與弱點(diǎn)。

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(xiàng)的系統(tǒng)整體失靈。若此情景發(fā)生，對社會生活的很多運(yùn)行關(guān)鍵部分都會有致命影響，很多國家因此日均獲得的經(jīng)濟(jì)傷害就會超過10億美元。

加州大學(xué)爾灣分校教授、美國交通部有關(guān)無人車輛導(dǎo)航研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人扎克·卡薩斯稱：“開發(fā)能作為GPS備用選項(xiàng)的、精確且高度可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)，這是當(dāng)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(yùn)的是，卡薩斯與他的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了富有新意的另類定位系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)不依賴在高軌道上運(yùn)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于GPS。這意味著星鏈的信號被干擾、篡改的可能性遠(yuǎn)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(yuǎn)高于GPS衛(wèi)星，可以完全無死角覆蓋地球的每一個(gè)角落。同時(shí)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(zhǔn)確的位置坐標(biāo)。

不過，星鏈的寬帶信號現(xiàn)在還屬于私有知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，并不能直接公用于定位用途�？ㄋ_斯的研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算出接收信號的地面接收器相對于衛(wèi)星的位置、運(yùn)動速度、運(yùn)動時(shí)間，從而得出三角定位坐標(biāo)。由于只是測量信號波段、沒有直接讀取破譯信號內(nèi)容，如此就規(guī)避了侵犯知識產(chǎn)權(quán)的難題。

研究團(tuán)隊(duì)花了大量時(shí)間，在大學(xué)樓頂上用不同規(guī)格的各種硬件反復(fù)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(nèi)的定位結(jié)果。2021年9月20日，研究團(tuán)隊(duì)的成果正式發(fā)布在“國際電氣電子工程師學(xué)會”的期刊上。

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

不過，卡薩斯稱在不遠(yuǎn)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(shù)也能應(yīng)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(shù)獲得的定位實(shí)時(shí)性與精確度將會有大幅提高。

為了改進(jìn)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)改進(jìn)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(yīng)更精確地為用戶定位。

現(xiàn)在的問題是，這個(gè)新技術(shù)的性能與已有的GPS相比，究竟表現(xiàn)如何。GPS系統(tǒng)其實(shí)還附帶了慣性定位系統(tǒng)，在衛(wèi)星信號中斷時(shí)，備用的慣性定位系統(tǒng)將按用戶已有運(yùn)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(tuán)隊(duì)在自家的近地衛(wèi)星定位技術(shù)里也集成了類似的慣性定位部分，稱之為“同步定位與導(dǎo)航系統(tǒng)”（英文縮寫STAN）。

為了試驗(yàn)STAN的性能表現(xiàn)，研究者將自家的導(dǎo)航系統(tǒng)與市面上的高價(jià)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(zhǔn)確。