这篇文章是我们独家的一部分IEEE杂志看系列与IEEE Xplore合作。
自从全球定位系统(GPS)首先在1970年代,它被许多问题的一个重要组成部分为个人导航、农业、航空或军事行动。但过度依赖这一技术涉及巨大的风险,如果失败或被黑客入侵,促使研究人员探索替代。
在最近的一次进步,一个研究小组成功地使用的集合低地球轨道(LEO)卫星计算地面位置几meters-outperforming当今GPS-inertial导航系统(INS)在某些情况下。
Zak卡萨岛主任美国运输部自动车辆研究中心与多通道保证导航(卡门俄亥俄州立大学),开始探索替代GPS在2014年成为关注的全球定位系统(GPS)的失败。他说,GPS信号可以不可靠在某些情况下,如在室内或在树冠茂密的树,在GPS信号的干扰和干扰飞涨在过去的几年里。
“这破坏了机场和港口业务在美国和世界各地,引起混乱rideshares,把船只陷入混乱,导致无人机崩溃,军事冲突正变得越来越司空见惯,”他说。“所有这一切让我彻夜难眠的思考,我们应该找到一个备份的东西替代(GPS)以免为时过晚。”
目前GPS系统依赖于一个星座31卫星环绕地球介质的轨道(高约20000公里)。但卡萨岛有他的目标设定在成千上万的LEO卫星发射准备在接下来的十年,将接近地球约20倍。这意味着他们会有更强的信号,使其更难果酱或恶搞和GPS信号的环境中更可靠。卡萨岛的想法是使用地面接收机检测LEO卫星的信标信号来确定它们的相对位置,然后使用这些信息来计算接收器在地面的位置,换句话说,感兴趣的人或物体的位置。
但是数据从GPS卫星是向公众开放,LEO卫星都是私有企业,他们的信标信号不公开。因此卡萨岛的团队开发了一个算法,可以破译卫星的未知信号灯塔。
研究人员使用他们的新定位技术,称为斯坦(见右边绿线),准确地确定它可以跟踪他们的位置(蓝色线)在一个移动的车辆。Sharbel Kozhaya
接下来,他们开发了另一个名为同时跟踪和导航的算法(斯坦)。“(斯坦)可以检测LEO卫星的出现,破译其信标,并跟踪信号,同时估算卫星的位置,让我们产生的估计距离卫星,”解释了卡萨岛。
2021年,卡萨岛的团队成功解码的信号我们的卫星,使用了六个在地球上找到自己的位置在10米。后来尝试减少跟踪距离而已6.5米。在他们最近的进步,他们开发了一个接收器,可以使用几乎任何卫星星座和测试卫星从四个不同的公司铱的下一个,OneWeb,Orbcomm公司,SpaceX是我们——磨练与更大的精度在地球上的位置。在2023年他们的进步了IEEE /离子位置,位置和导航研讨会(计划)。
在他们的论文中,研究小组描述了一个固定的地面实验,他们能够确定自己的真实位置的屋顶实验室在俄亥俄州的误差大约5米,使用四种不同的LEO卫星。卡萨岛指出,这是第一次有人能破解OneWeb信号用于定位和导航。
在第二个实验中,研究人员安装他们的现成的接收器上的一辆车,开车时听信号从四个LEO卫星星座(一个OneWeb,四个我们一个铱接下来,和两个Orbcomm卫星)。
当有人驾驶或移动和GPS信号丢失,GPS-INS系统估计的位置的人根据他们的轨迹,这很快积累错误。
在他们的驾驶实验中,研究小组的车一开在100米在切割之前他们的GPS,近一公里,继续开车。而传统的GPS-INS系统预测他们的位置离他们的真实位置,大约500米斯坦系统只是4.4米off-proving斯坦算法GPS失败时是非常有用的。
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“这就像在黑暗中射击,但与惊人的准确性,达到你的目标“卡萨岛说,并指出这种方法使用众多的未知变量一起成功地找到一个目标。“我们正在处理卫星的位置是uncertain-we只知道卫星是几公里,传输信号,我们不了解。然而,我们能够使用卫星的信号来定位自己与令人印象深刻的准确性。”
尽管有这些令人兴奋的第一个里程碑,卡萨岛指出,这项技术仍处于起步阶段。例如,斯坦仍然不能实现实时导航GPS一样,他说他们的一些算法需要改进。“我们还没有测试我们的方法在所有环境中,因此很难评估这些信号是否会让你在任何时候,任何地方,圣杯,”卡萨岛说。
然而,研究人员已经申请专利,说他们从初创公司已经收到了广泛的关注,科技巨头从跨不同行业有兴趣讨论商业化。如果一切按计划进行,斯坦算法可能会把我们引向另一条道路,一个替代或备份GPS的存在。
