星链卫星也能导航?

IoT 3周前 admin
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星链卫星也能导航?


一. 前言 

最近,网络上有消息称,国外研究者提出,星链(starlink)卫星可以用于导航应用。而在大众的普遍认知中,通信和导航是完全不同的,怎么可能用通信卫星来导航呢?为此,我们对此领域的研究成果做一简要分析,以较为通俗的方式解释其方法。

二.  什么是卫星导航

2.1  

卫星导航系统简介

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS),泛指所有的卫星导航系统,这里的“导航”是终端系统利用卫星得到自身的位置信息(即定位),通过终端应用系统进行导航,如XX地图导航,是由导航系统依据定位进行测算的。卫星自身不提供实际的导航功能。世界四大主要的GNSS系统有,美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略。

2.2  

卫星定位原理

卫星定位的设计思想是以空间的人造卫星作为参照点,确定一个物体的空间位置。根据几何学知识我们知道,在平面上,已知不在同一条直线上的3个点,假设有第4个点,我们知道第4个点分别到已知3个点的距离,则可唯一确定第4个点的位置(当然,假如给定的三个距离值不满足一定的条件,第4个点就不存在,例如不存在一个点到A、B两点距离之和小于A、B间距离)。如图1所示。
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图1  平面三圆定位原理图
在三维立体空间中,由不在同一直线的三个点及距离则可以得到2个锥体,即确定2个点,如图2所示。而对于卫星定位,假设图中的S1、S2、S3分别是3颗卫星,则可以确定地面上唯一的点P,而不是P’。这种通过精确测量地球上某个点到三颗人造卫星之间的距离,对该点的位置进行三角形测定,就是GNSS最基本的设计思路及定位功能。
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图2  立体定位示意图

那么,地面设备如何知道卫星的位置以及自己到卫星的距离呢?这是通过接收卫星广播的信息得到的。简单来说,导航卫星持续不断地发出广播信息,这些信息包括当前的时间(这个时间的精度要求很高)和卫星当前的位置。地面设备解析出卫星的位置和发送时间,通过接收到的时间减去卫星发送信息的时间,即可得到微波信号的传输时间,将传输时间与速度(即微波速度即光速)相乘即可得到距离(实际上不是真实的距离,因为计算的参数中含有因时钟误差和大气层折射延迟导致的误差,所以一般称为伪距)。地面设备得到了3个数据组(位置+距离)即可计算出自己的位置, 如有更多数据组,则通过相互校正,定位更加精确。

2.3  

当前卫星定位系统存在的弱点

专门用于定位的卫星大多处于离地2万km以上(仅GLONASS的卫星高度为19100km)的中高轨,其信号传到地面已经很弱,因此,容易受到干扰、阻塞以及欺骗。而低轨通信卫星,一方面离地比较近,大约400-1500km,其信号会比较强,而且为了通信的质量,信号也必须足够强(事实上,低轨卫星信号强度比GPS的高上千倍),另一方面,低轨通信卫星的数量更多(如星链的预计目标是4万多颗,截至2022年10月,在轨卫星数量已超3400颗。而当前,主要的卫星导航系统如GPS和北斗各自都只有30多颗卫星在轨)。此外,通信卫星信号在空间和频谱方面都更加多样。如果低轨通信卫星能够用于导航定位,则会有较大的优势。
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图3  中轨低轨对比示意图

三.  通信卫星如何用于导航定位


如前所述,只要知道三组及以上卫星位置+卫星到目标距离,即可计算出目标的具体位置。事实上,利用通信卫星进行定位,研究人员提出了两种方法,一种是利用信号特征,一种是利用卫星发送的信息

3.1  

利用机会信号进行定位

加州大学欧文分校的研究团队在2021年发表的论文[2]中提到,不用分析星链卫星的信息内容,甚至不需要其数据结构,仅利用星链的机会信号(注:机会信号导航是指将环境中所有潜在的无线电信号视为机会信号(signals of opportunity),并从中提取位置和时间信息用以导航。机会信号导航是传统GNSS导航系统的有益补充),进行盲多普勒跟踪和定位。具体方法是,通过一种基于广义似然比(一种统计学方法)的检验方法来检测星链低轨卫星信号并估计其相应的信标。并通过一种称为啁啾(chirp)参数估计器来跟踪星链信号的多普勒频率,以此获得相应的伪距。实验结果表明,通过跟踪6颗星链低卫星的多普勒频率,定位的水平误差为10米,空间误差为22.9米(含水平误差和高度误差)。
注:多普勒效应,是指接收器接收到由一个相对运动的物体发射的电磁波时,其接收到的电磁波频率与发射的频率是不一样的。现实中的例子就是,当你身处火车站,你听到的火车进站时汽笛声高于出站时汽笛声,因为进站时声音传播的距离在逐渐降低,所以接收到的声音频率更高。虽然卫星在运行过程中的速度是相对稳定的,但是其相对于观测点(待定位点)的相对运动速度是变化的,因此,测得的多普勒频率也是变化的。举个例子,假如你处在高速公路边上一定距离,你看到远处的汽车速度似乎不快,但是当汽车通过你跟前时,你会发现速度是很快的。
他们的研究受到美国海军和交通部的支持。

3.2  

利用载波信号定位

加州大学欧文分校的研究团队在2022年发表的论文[3]中描述了一种利用载波相位跟踪进行定位的方法。首先,对星链信号进行分析,建立一种适用于载波相位跟踪的模型。其次,开发了一个基于卡尔曼滤波的自适应跟踪回路,其中测量噪声基于残差的启发式进行更新。第三,用真实星链信号的第一载波相位跟踪和定位结果,显示6个星链卫星的水平位置误差为7.7m。由于星链低轨卫星的传输信号有非常高的多普勒频移,卫星的位置可以从卫星信号的双线元素(TLE)和简化的一般扰动(一种卫星轨道模型)计算获得。

3.3  

利用卫星信号的信息结构进行定位

2020年,德州大学奥斯汀分校的研究者以及美国军方同spaceX讨论星链卫星用于导航,被spaceX拒绝,据称马斯克认为应集中精力,使星链活下来(很多的卫星通信公司如oneweb倒闭。星链聚焦于通信业务,会有资金回流,先解决生存问题)。
于是德州大学奥斯汀分校的研究者,从逆向破解星链卫星信号开始,解析出星链卫星信号采用的正交频分多工结构(OFDM,通信中常用的高效编码结构),并从中提取出同步信号,通过分析多颗卫星的同步信号,接收器可以计算出自己的位置,定位在精度达到了30米[4][5]。
他们的研究获得了美国军队研究项目支持以及美国交通部的支持。

四.  利用手机基站进行定位

NDSS2022会议上的一篇论文[6](作者分别工作于加州大学欧文分校和爱德华空军基地)的研究表明,除了用卫星外,地面丰富的移动通信基站也可以用于定位导航。在他们的实验中,利用美国加州爱德华空军基地的大功率GPS干扰器,干扰方圆50英里的地方。在没有防护的情况下,车辆被驾驶到受干扰的环境中,在180秒内穿越了5公里,其中在最后3.9公里内没有GPS信号。在干扰攻击过程中,车载导航系统利用商用高端GPS接收机和导航系统,累积的位置均方根误差(这是一种误差的计算方式)达238米。对比实验中,当没有GPS信号时,启动利用8个LTE基站的辅助定位,累积的位置均方根误差仅2.6米。事实上,利用电信基站进行定位,还有一个好处是,电信信号比GNSS更难被干扰和欺骗,而且受恶劣天气的影响也小很多。如果基站的位置和时钟足够精确,其可能比卫星定位更精确,因为利用卫星定位,不可避免的会有大气层干扰,在城市也面临建筑物的遮挡、楼面的反射干扰等。

五.  总结

尽管研究表明,利用低轨通信卫星导航存在技术上的可行性,但不意味着人人都那么乐观。在地面上使用该系统还意味着依赖SpaceX自己的星链天线——SpaceX首席执行官埃隆·马斯克认为,采用星链导航,需要定制的长天线,而且可能非常昂贵,远不如GPS芯片廉价,并可以装进智能手机和手表 [7]。当然,只是从民用的角度,从特殊用途如应急、军用等角度,利用通信卫星也许可以作为GPS、北斗的备用和补充手段。
内容编辑:创新研究院  李德全
 责任编辑:创新研究院  董炳佑

参考文献

[1]Leveraging Commercial Broadband LEO Constellations for NavigationThe 29th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2016)

[2]Exploiting Starlink signals for navigation: first resultsM. Neinavaie, J. Khalife, and Z. Kassas, ION Global Navigation Satellite Systems Conference, Sep. 20-24, 2021, St. Louis, MO, pp. 2766-2773

[3]The First Carrier Phase Tracking and Positioning Results with Starlink LEO Satellite Signals, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems ( Volume: 58, Issue: 2, April 2022) Page(s): 1487 - 1491

[4]Signal Structure of the Starlink Ku-Band Downlink, arXiv:2210.11578v1
[5] Starlink decoded for use as GPS alternative- without Elon Musk's help, https://forums.theregister.com/forum/all/2022/10/24/starlink_signal_decoded_for_use/ 

[6]Demo: I Am Not Afraid of the GPS Jammer: Exploiting Cellular Signals for Accurate Ground Vehicle Navigation in a GPS-Denied EnvironmentAutoSec 2022 https://dx.doi.org/10.14722/autosec.2022.23049

[7] SpaceX’s Starlink satellites could make US Army navigation hard to jamBy Mark HarrisSeptember 28, 2020MIT technology review.


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原文始发于微信公众号(绿盟科技研究通讯):星链卫星也能导航?

版权声明:admin 发表于 2022年11月15日 下午5:01。
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