ISTOCK

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore.（https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/）

自20世紀70年代全球定位系統（Global Positioning System，GPS）首次問世以來，它一直是許多事情的重要組成部分，無論是個人導航、農業、航空還是軍事行動。但是，如果過于依賴這項技術，一旦失敗或被黑客入侵，就會帶來巨大的風險，這促使研究人員探索替代方案。

在最近的一項進展中，一個研究團隊成功地使用一組近地軌道（low Earth orbit，LEO）衛星計算了它們在幾米內的地面位置，在某些情況下優于當今的GPS慣性導航系統（GPS-inertial navigation system，INS）。

俄亥俄州立大學CARMEN的主任Zak Kassas在擔心GPS故障后，于2014年首次開始探索GPS的替代方案。他說，GPS信號在某些情況下可能是不可靠的，比如在室內或茂密的樹冠下，GPS信號的干擾和阻擋在過去幾年里急劇上升。

他說：“這擾亂了美國和世界各地的機場和港口運營，造成了拼共乘的混亂，使船只陷入混亂，導致無人機墜毀，并在軍事沖突中變得司空見慣。通過觀察所有的這些情況，我認為我們應該在一切為時已晚之前找到一個替代GPS的備用方案。”

全球定位系統目前依賴于在地球中等軌道（約20000公里高）上運行的31顆衛星。但Kassas將目光投向了未來十年準備****的數萬顆低軌衛星，這些衛星距離地球的距離約為地球的20倍。這意味著它們將擁有更強的信號，使其更難干擾或受欺騙，并且在沒有GPS信號的環境中更可靠。Kassas的想法是使用地面接收器來檢測低軌衛星的信標信號，以確定它們的相對位置，然后使用這些信息來計算地面接收器的位置。

但是，盡管全球定位系統衛星的數據向公眾開放，但低軌衛星是私人所有的，其信標信號不公開。因此，Kassas的團隊開發了一種算法，可以破譯衛星的未知信標信號。

SHARBEL KOZHAYA

接下來，他們開發了另一種算法，稱為同時跟蹤和導航（simultaneous tracking and navigationSTAN）。Kassas解釋道：“[STAN]基本上可以檢測低軌衛星的存在，破譯其信標，并跟蹤信號，同時估計衛星的位置，使我們能夠預估到衛星的距離。”

2021年，Kassas的團隊成功解碼了Starlink衛星的信號，并使用其中六顆衛星將自己在地球上的位置跟蹤到10米以內。后來的嘗試將追蹤距離縮小到了6.5米。在他們最近的進展中，他們開發了一種幾乎可以與任何衛星星座配合使用的接收器，并在四家不同公司的衛星上進行了測試，即Iridium NEXT，OneWeb，Orbcomm，和SpaceX的Starlink，以更高的精度在地球上進行定位。他們在2023 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS)論文中（https://www.ion.org/plans/）描述了這一進展。

在他們的論文中，該團隊描述了一個固定的地面實驗，在該實驗中，他們能夠使用四種不同類型的低軌衛星在俄亥俄州實驗室的屋頂上精確定位他們的真實位置，誤差約為5米。Kassas指出，這是第一次有人能夠破解OneWeb信號進行定位和導航。

在第二個實驗中，研究人員將現成的接收器安裝在汽車頂部，一邊開車一邊收聽來自四個低軌衛星星座（一個OneWeb、四個Starlink、一個Iridium NEXT和兩個Orbcomm衛星）的信號。

當有人在開車或移動時，GPS信號丟失，GPS/INS系統會根據他們的軌跡來估計這個人的位置，這會很快累積誤差。

在他們的駕駛實驗中，研究小組在切斷GPS之前開車行駛了100米，并繼續行駛了近一公里。傳統的GPS/INS系統預測它們的位置距離真實位置約500米，而STAN系統僅相距4.4米，這證明了當GPS出現故障時，STAN算法可能非常有用。

Kassas說：“這就像在黑暗中射擊，但卻以驚人的精度擊中目標。”他指出，這種方法使用了許多未知變量來成功地找到目標。我們正在處理的衛星位置不確定，我們只知道衛星在幾公里內的位置，這些衛星正在傳輸我們不太了解的信號。然而，我們能夠利用衛星的信號以令人印象深刻的精度定位自己。”

Kassas指出，盡管有這些令人興奮的第一個里程碑，但這項技術仍處于初級階段。例如，STAN仍然無法像GPS那樣實現實時導航，一些算法仍需改進。Kassas說：“我們還沒有在所有環境中測試我們的方法，所以很難評估這些信號是否能讓你隨時隨地進行導航。”

目前，研究人員已經申請了專利，并表示他們受到了來自不同行業的初創公司和科技巨頭的廣泛關注，有興趣討論其商業化。如果一切按計劃進行，STAN算法可能會引導我們走上一條替代GPS的道路。