GPS失灵怎么办？未来或可用通讯卫星信号来定位

主页（http://www.pttcn.net）：GPS失灵怎么办？未来或可用通讯卫星信号来定位

在当今的时代中，没有GPS（全球定位卫星系统）的社会生活几乎是不可想象的。GPS被用于个人导航找路、商业航空运营、军事活动、农作物监控、野生动物跟踪等诸多无法穷尽列举的应用场景中。但把所有鸡蛋都放在一个篮子里，是否太冒险了？

自然，当下除了GPS以外，卫星定位系统星群还有欧洲的“伽利略”、中国的“北斗”等等。不过这些系统都以类似的原理和器件来运行，意味着它们有类似的优点与弱点。

如果这些星群里任何一颗被黑客攻破、被干扰、或者只是意外失灵，都意味着没有后备选项的系统整体失灵。若此情景发生，对社会生活的很多运行关键部分都会有致命影响，很多国家因此日均获得的经济伤害就会超过10亿美元。

加州大学尔湾分校教授、美国交通部有关无人车辆导航研究项目的负责人扎克·卡萨斯称：“开发能作为GPS备用选项的、精确且高度可靠的导航系统，这是当下业界的急迫需求。尽管已经了解潜在短板，现在的用户还是过度依赖GPS了。”

幸运的是，卡萨斯与他的研究团队开发出了富有新意的另类定位系统。研究团队不依赖在高轨道上运行的少数定位卫星星群，而是使用在低轨道上数量更多的近地通信卫星，比如马斯克的星链卫星。

与GPS相比，星链等通讯卫星有很多优势：它们离地面的距离比GPS卫星近20倍，如此一来用户从星链接收到的信号强度远高于GPS。这意味着星链的信号被干扰、篡改的可能性远小于GPS，所以在GPS信号失效的很多环境中，星链信号仍然可靠。

而且星链等近地通信卫星系统的数量远高于GPS卫星，可以完全无死角覆盖地球的每一个角落。同时这些近地通信卫星的信号频段更多、带宽更高，用来定位的话可以得到准确的位置坐标。

不过，星链的宽带信号现在还属于私有知识产权的技术，并不能直接公用于定位用途。卡萨斯的研究团队另辟蹊径，先测量从卫星发射的信号载波波段频谱，再基于这些频谱，通过特殊算法，计算出接收信号的地面接收器相对于卫星的位置、运动速度、运动时间，从而得出三角定位坐标。由于只是测量信号波段、没有直接读取破译信号内容，如此就规避了侵犯知识产权的难题。

研究团队花了大量时间，在大学楼顶上用不同规格的各种硬件反复测试算法。2021年春，他们成功利用6颗星链卫星的信号，获得定位精度在7.7米以内的定位结果。2021年9月20日，研究团队的成果正式发布在“国际电气电子工程师学会”的期刊上。

在初次试运行过程中，研究团队为了得到更精确的信号载波波段测量结果，等了800秒钟，在6颗星链卫星都飞过头顶之后，再运算出定位结果。

不过，卡萨斯称在不远的未来，光是星链系统就将追加发射数千颗卫星，更别说此技术也能应用在铱星、“轨道通信”等其他通信卫星系统上。所以未来此技术获得的定位实时性与精确度将会有大幅提高。

为了改进技术，研究团队继续改进算法模型。新的算法模型能更好地探测近地卫星的载波信号，并利用信号波束的多普勒效应更精确地为用户定位。

现在的问题是，这个新技术的性能与已有的GPS相比，究竟表现如何。GPS系统其实还附带了惯性定位系统，在卫星信号中断时，备用的惯性定位系统将按用户已有运动轨迹的速度、方向等数据，推算出用户的位置。

卡萨斯团队在自家的近地卫星定位技术里也集成了类似的惯性定位部分，称之为“同步定位与导航系统”（英文缩写STAN）。

为了试验STAN的性能表现，研究者将自家的导航系统与市面上的高价位GPS系统一起装在车上，在加州奥兰治郡的公路上行驶了7公里，并在最后两公里屏蔽了卫星信号。在信号中断的状况下，高端GPS系统的定位误差是202米，STAN的定位误差是38米，精度更加准确。

考虑到卡萨斯团队的新系统既不能读取信号内容，硬件档次也不昂贵，如此的定位精度结果已经优于预期了。

研究团队现在已在多个国家与国际组织中注册了新技术的专利，并与数家大企业洽谈商务落地的可能性。卡萨斯称：“我们现有的成果只是揭示了未来的无尽可能，这只是开始。”