如何构建 GPS 的替代方案？低轨道卫星的位置可以创建备用导航系统

如何构建 GPS 的替代方案？低轨道卫星的位置可以创建备用导航系统

导读：随着科技的不断发展，GPS技术在现代社会中扮演着越来越重要的角色。然而，过度依赖GPS系统也带来了潜在的风险。本文介绍了一种基于低轨道卫星的新型导航系统——STAN，该系统能够在GPS信号中断时提供更准确的定位结果。

如今，没有GPS的生活几乎是不可想象的。它用于个人导航、商业航空、军事行动、作物和野生动物监测等等。但是我们把所有的鸡蛋放在一个篮子里是鲁莽的吗？

今天除了原有的GPS星座外，还有欧洲的伽利略或中国的北斗等多种卫星导航系统，但它们都以相似的方式运行，具有相似的优点和缺点。如果这些系统被黑客入侵、堵塞或以其他方式出现故障，则没有备份选项。如此多的关键操作中断将是灾难性的，一些国家每天损失超过10亿美元。

我们迫切需要找到一种替代GPS的强大而准确的导航系统，过度依赖这些系统，尽管它们有已知的局限性。幸运的是，卡萨斯和他的同事设计了一种新颖的GPS替代品。他的团队并没有依赖在地球高轨道上盘旋的少数GPS卫星，而是着眼于地球低轨道上数量更多、距离更近的卫星，例如Starlink舰队。

与GPS卫星相比，这些卫星具有许多优势。它们比GPS卫星离地球近20倍左右，这意味着我们接收它们的信号的功率比GPS高得多。这使得它们更难被干扰或欺骗，并使它们在没有GPS信号的环境中可靠。

Starlink卫星以及地球低轨道上的其他类似卫星在完全部署后将“覆盖”地球，同时传输多个高带宽信号，从而产生更准确的定位结果。

然而，Starlink卫星的宽带信号被认为是知识产权，不为公众所知，这意味着卡萨斯和他的同事不能直接将这些信号用于跟踪目的。这促使他们设计了一种替代解决方案，该解决方案利用地面接收器跟踪卫星发射的底层载波的相位。他们开发了一种算法，可以根据载波相位测量值计算地面接收器相对于上面看不见的卫星的位置、速度和时间。

Starlink卫星的真实位置和位置估计。

他们在大学大楼的车库屋顶上花了“无数个小时”，用不同的硬件配置测试算法。2021年春天，他们成功地使用六颗Starlink卫星在仅7.7米的范围内准确跟踪了他们的位置。结果在所描述的研究9月20日发表的关于航空与电子系统自动化，并首次通过报道Ars Technica的。

值得注意的是，研究人员必须等待800秒才能让所有六颗Starlink卫星通过它们，以便在第一次试运行期间获得计算所需的载波相位测量值。然而，Kassas指出，在不久的将来还会发射数千颗额外的卫星，这可能会大大提高实时数据的可用性和定位精度。此后，他的团队还通过开发一种模型来改进他们的技术，该模型可以更好地检测卫星的载波信号，并使用来自低轨道卫星的载波信号的多普勒效应估计用户的位置。

现在的一个主要问题是这种新方法与GPS相比如何。GPS系统与称为惯性导航系统(INS)的东西相结合。如果GPS信号丢失，该辅助系统会根据预期轨迹估计用户的位置。Kassas和他的同事将类似的INS方法与他们的低轨道卫星跟踪方法相结合，称为同步跟踪和导航(STAN)。接下来，他们在奥兰治县的高速公路上兜风，用高端GPS-INS测试STAN。

在7公里的车程中，他们切断了最后2公里的GPS信号，并比较了两种导航系统。GPS-INS系统在没有GPS信号的情况下累积误差为202米，而STAN累积误差仅为38米，同时使用三颗低轨道卫星(Starlink、Orbcomm和Iridium)来估计汽车的位置。这些结果表明，当GPS信号出现故障时，STAN如何产生更准确的定位结果。