该算法可以使卫星信号像GPS一样工作

研究人员开发了一种算法，可以“窃听”来自卫星的任何信号，并使用它来定位地球上的任何点，就像GPS一样。

该研究首次能够利用多星座低地球轨道卫星(LEO)卫星(即Starlink，OneWeb，Orbcomm和Iridium)广播的信号。

研究人员发现，通过聆听八颗LEO卫星的信号约10分钟，他们的算法可以在地面上定位固定接收器方面达到前所未有的精度，并且能够以仅约5.8米的误差收敛。

这项研究由俄亥俄州立大学电气和计算机工程教授、多模式保证导航(CARMEN)自动驾驶汽车研究中心(CARMEN)运输系主任Zak Kassas领导，上周在2023年IEEE/ION位置定位和导航研讨会(PLANS)上发表。 会议在加利福尼亚州蒙特雷举行。

与俄亥俄州立大学博士生Sharbel Kozhaya和Haitham Kanj一起，这篇论文展示了有史以来第一次利用未知的OneWeb LEO卫星信号，赢得了会议的最佳学生论文奖。

研究人员不需要卫星运营商的帮助来使用这些信号，他们强调他们无法访问通过卫星发送的实际数据 - 只能获得与卫星下行链路传输频率相关的公开信息以及对卫星位置的粗略估计。

从交通到通信系统，再到电网和应急服务，现代社会的几乎每个方面都依赖于来自绕地球运行的全球导航卫星系统(GNSS)或GPS的定位、导航和授时数据。

尽管如此，由于GPS系统信号较弱且容易受到干扰，因此在某些地方(例如室内环境或城市峡谷深处)它们通常变得不可靠。此外，GNSS信号是可欺骗的，这在航空等安全关键应用中带来了严重的安全风险。

从长远来看，这种复杂性可能会导致许多导航和网络安全问题，特别是因为我们目前几乎所有的系统都严重依赖GPS，卡萨斯说。他指出，自动驾驶汽车等新兴技术开始放大我们当前GNSS系统的局限性。

“寻找GPS的民用和军用替代品变得越来越紧迫，无论是作为备份还是在没有GPS的情况下，”卡萨斯说。

这项研究建立在卡萨斯实验室之前的研究基础上，该研究仅使用六个SpaceX卫星信号来确定精度在10米以内的位置，最近已降至6.5米。

“Starlink研究触及了可能性的表面，”卡萨斯说。

他的工作建议利用来自LEO卫星的信号作为人类定位，导航和定时需求的替代方案，因为它们与GNSS卫星相比距离地球近约20倍，GNSS卫星位于地球上方20，000多公里。根据卡萨斯的说法，这项技术可能会迎来一个定位、导航和计时的新时代。

“我们正在见证太空复兴。在接下来的十年中，数以万计的LEO卫星将被发射到太空，导致所谓的巨型星座，“他说。“这些卫星传输的信号将彻底改变许多技术，并有利于遥感等领域的科学探索。

卡萨斯说，这项研究与所有其他创建GPS替代品的尝试如此不同的是，与以前的研究不同，这种算法不会对信号进行逆向工程。

“我们的算法与LEO星座无关，”卡萨斯说。“我们的接收器几乎可以监听任何卫星信号，对它即时接收的数据进行训练，然后破译信号的某些特征，我们可以将他们正在传输的内容重建为位置数据。

为了展示团队的新方法，该团队将该算法应用于四个不同的LEO卫星星座：Starlink，OneWeb，Orbcomm和Iridium。该算法破解了所有这些信号，几乎没有关于正在传输什么的先验知识。

此外，他们的算法非常复杂，研究人员还能够估计卫星在太空中的位置。为了使用卫星来定位自己，我们需要知道卫星的位置。

“这是一个非常具有挑战性的问题，因为LEO卫星通常不会广播它们的位置，而我们对它们所在位置的公开估计相差几公里，”卡萨斯说。

在测试信号如何作为精确定位系统工作的静止实验中，研究人员将地面接收器的初始位置估计值设置为加州大学欧文分校工程停车场结构的屋顶，该地点距离其实际位置超过2，000英里：位于哥伦布的俄亥俄州立大学电科学实验室(ESL)的屋顶， 俄亥俄州。

使用卫星星座来猜测接收器实际在该国的确切位置，该算法仅偏离了大约5米。

在另一项实验中，研究人员测试了该算法在移动车辆上的表现，并将接收器安装在汽车顶部。首先，他们使用了今天的导航技术，该技术依赖于GPS接收器和惯性导航系统(INS)。

他们导航了大约100米，然后切断了GPS，之后他们开了近一公里。他们发现，依靠今天的GPS-INS系统，据说它们距离真实位置约500米，但通过他们的算法，它们被发现距离真实位置约4.4米。

“我们的结果表明，我们的系统正在接近你今天用GPS可以做的事情，”卡萨斯说。

虽然已经为该算法申请了专利，但该团队确实计划继续发展该算法的所有技术能力，Kassas说。

“GPS是一个非常成熟的系统，我们信任我们的生命，”他说。“为了能够信任我们的生活中的新型信号，必须对其准确性，完整性和连续性进行更多研究。