在 GPS 受阻或失效的情况下，低地球轨道上的卫星星座可以提供可行的位置备份
自从全球定位系统(GPS) 在 1970 年代首次出现以来，它一直是许多事物的重要组成部分——无论是个人导航、农业、航空还是军事行动。但是，如果它发生故障或被黑客攻击，过度依赖这种单一技术会带来巨大的风险，这促使研究人员探索替代方案。
在最近的一项进展中，一个研究团队成功地使用一组低地球轨道 (LEO) 卫星来计算它们在几米范围内的地面位置——在某些情况下优于当今的 GPS 惯性导航系统 (INS)。
Zak Kassas是俄亥俄州立大学美国交通部多模式安全导航自动驾驶汽车研究中心 ( CARMEN )的主任，在担心 GPS 失效后，他于 2014 年首次开始探索 GPS 的替代方案。他说 GPS 信号在某些情况下可能不可靠，例如在室内或茂密的树冠下，并且 GPS 信号的干扰和干扰在过去几年中急剧上升。
“这已经扰乱了美国和世界各地的机场和港口运营，造成拼车混乱，使船只陷入混乱，导致无人机坠毁，并且在军事冲突中变得司空见惯，”他说。“所有这些让我夜不能寐，认为我们应该在为时已晚之前找到 [GPS] 的备用替代品。”
GPS 系统目前依赖于环绕地球中轨道（约 20,000 公里高）的 31 颗卫星组成的星座。但卡萨斯将目光投向了未来十年准备发射的数万颗 LEO 卫星，这些卫星距离地球的距离将是地球的 20 倍左右。这意味着它们将有更强的信号，使它们更难被干扰或欺骗，并且在没有 GPS 信号的环境中更可靠。Kassas 的想法是使用地面接收器检测 LEO 卫星的信标信号以确定它们的相对位置，然后使用该信息计算地面接收器的位置——换句话说，就是感兴趣的人或物体的位置。
但是，虽然来自 GPS 卫星的数据可供公众使用，但 LEO 卫星为私人所有，其信标信号不向公众公开。因此，卡萨斯的团队开发了一种算法，可以破译卫星的未知信标信号。
研究人员使用他们的新定位技术，称为 STAN [见右图绿线]，以确定它在移动车辆中跟踪他们的位置 [右图蓝线] 的准确度
接下来，他们开发了另一种称为同步跟踪和导航 (STAN) 的算法。“[STAN] 基本上可以检测 LEO 卫星的存在，破译其信标并跟踪信号，同时估计卫星的位置，从而使我们能够估计到卫星的距离，”Kassas 解释道。
2021 年，卡萨斯的团队成功解码了星链卫星的信号，并利用其中的六颗在10 米以内跟踪自己在地球上的位置。后来的尝试将跟踪距离减少到仅6.5 米。在他们最近的进展中，他们开发了一种接收器，几乎可以与任何卫星星座一起工作，并在来自四家不同公司的卫星上对其进行了测试——铱星 NEXT、OneWeb、Orbcomm和SpaceX 的 Starlink——以更高的精度在地球上定位。他们在 2023 年IEEE/ION 位置、位置和导航研讨会上描述了这一进展（计划）文件。
在他们的论文中，该团队描述了一个固定的地面实验，他们能够使用四种不同类型的 LEO 卫星在俄亥俄州实验室的屋顶上精确定位他们的真实位置，误差约为 5 米。卡萨斯指出，这是第一次有人能够破解 OneWeb 信号以用于定位和导航目的。
在第二个实验中，研究人员将现成的接收器安装在汽车顶部，一边开车一边收听来自四个 LEO 卫星星座（一个 OneWeb、四个 Starlink、一个 Iridium NEXT 和两个 Orbcomm 卫星）的信号。
当有人在开车或移动时，如果 GPS 信号丢失，GPS-INS 系统会根据他们的轨迹估计此人的位置，这会很快累积误差。
在他们的驾驶实验中，研究团队在关闭GPS之前驾驶汽车行驶了100米，并继续行驶了近一公里。传统的 GPS-INS 系统预测他们的位置与他们的真实位置相差约 500 米，而 STAN 系统仅相差 4.4 米——这证明 STAN 算法在 GPS 出现故障时非常有用。
“这就像在黑暗中射击，却以惊人的准确度击中目标，”卡萨斯说，并指出这种方法结合使用了许多未知变量来成功找到目标。“我们正在处理位置不确定的卫星——我们只知道卫星在几公里内的位置——而且它们正在传输我们不太了解的信号。然而，我们能够使用卫星信号以令人印象深刻的准确度定位自己。”
Kassas 指出，尽管有这些令人兴奋的第一个里程碑，但这项技术仍处于起步阶段。例如，STAN 还不能像 GPS 那样实现实时导航，他说他们的一些算法需要改进。“我们还没有在所有环境中测试我们的方法，因此很难评估这些信号是否能让你随时随地导航，这是圣杯，”卡萨斯说。
尽管如此，研究人员已经申请了专利，并表示他们已经受到来自不同行业的初创公司和科技巨头的广泛关注，他们有兴趣讨论商业化。如果一切按计划进行，STAN 算法可能会引导我们走上一条存在 GPS 替代或备份的道路。
