研究人员已经开发出一种算法，可以 "窃听 "来自卫星的任何信号，并利用它来定位地球上的任何一点，就像GPS一样。这项研究代表了一种算法首次能够利用多星座低地球轨道卫星（LEO）广播的信号，即Starlink、OneWeb、Orbcomm和Iridium。
研究人员发现，通过监听8颗低地球轨道卫星的信号约10分钟，他们的算法能够在定位地面上的固定接收器方面达到前所未有的准确度，误差仅约5.8米。
这项研究由俄亥俄州立大学电气和计算机工程教授、交通部多模态保证导航自动驾驶汽车研究中心（CARMEN）主任Zak Kassas领导，上周在加利福尼亚州蒙特雷举行的IEEE/ION定位和导航研讨会（PLANS）2023年会议上发表。该论文与俄亥俄州的博士生Sharbel Kozhaya和Haitham Kanj一起，首次展示了对未知的OneWeb低地轨道卫星信号的利用，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协助就能使用这些信号，他们强调，他们无法获得通过卫星发送的实际数据--只能获得与卫星下行传输频率有关的公开信息以及粗略估计卫星的位置。
据悉，该研究仅使用六颗SpaceX的卫星信号来确定10米范围内的位置，最近该精度被降低到6.5米。
Kassas说：“Starlink的研究只是触及了可能的表面。”
他建议利用低地轨道卫星的信号作为定位、导航和计时需求的替代方案，因为与位于中地轨道的全球导航卫星相比，低地轨道卫星离地球的距离要近20倍，后者离地球的高度略高于20,000千米。据Kassas说，这项技术有可能开创一个定位、导航和计时的新时代。
"我们正在见证一场太空复兴。未来十年将有数万颗 LEO 卫星发射到太空，形成所谓的巨型星座，"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。
Kassas说，使这项研究与所有其他创造GPS替代品的尝试如此不同的是，这种算法不会对信号进行反向工程。
"我们的算法与低地轨道卫星无关，"Kassas说。"我们的接收器可以监听几乎所有的卫星信号，对它正在接收的数据进行实时训练，然后以一种我们可以将它们传输的内容重构为位置数据的方式解读信号的某些特征。" 为了证明该团队的新方法，该团队将该算法应用于四个不同的低地轨道卫星群： Starlink、OneWeb、Orbcomm和Iridium。该算法破解了所有这些信号，几乎不需要事先了解正在传输的内容。
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。为了使用卫星给自己定位，我们需要知道卫星所在的位置。“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，而我们对它们位置的估计有几公里的偏差，”Kassas 说。
团队与实验车
在一个测试信号如何作为精确定位系统工作的固定实验中，研究人员将一个地面接收器的初始位置估计设置为加州大学欧文分校的一个工程停车场的屋顶，这个位置与它的实际位置相差2000多英里：俄亥俄州哥伦布市的俄亥俄州立大学电子科学实验室（ESL）的屋顶。使用卫星星座来猜测接收器究竟在哪个国家，该算法只偏离了大约5米。
在另一个实验中，研究人员测试了该算法在移动车辆上的表现，并将接收器安装在一辆汽车的顶部。首先，他们使用了当今的导航技术，该技术依赖于一个GPS接收器和一个惯性导航系统（INS）。他们在切断GPS之前导航了大约100米，之后他们又行驶了近一公里。他们发现，依靠今天的GPS-INS系统，据说他们的位置与他们的真实位置相差约500米，但用他们的算法，他们被发现的距离约为4.4米。"我们的结果表明，我们的系统正在接近你今天用GPS能做的事情，"Kassas说。
尽管该算法已经申请了专利，但该团队确实计划继续发展该算法的所有技术能力，Kassas说。
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