最擔心的事還是發生了!星鏈網可軍用導航,精度超民用GPS十倍

2020-12-21 騰訊網

隨著馬斯克「天網」啟動時間越來越近,越來越多的人擔心星鏈網衛星可能會用於軍事領域,一些人甚至相信星鏈網衛星可用於高精度定位,為飛機、飛彈提供更精確的打擊能力。不幸的是,這些擔心是有道理的,最新的研究已經表明,星鏈網可以替代GPS定位服務,精度也將超過民用GPS的10倍,而且不容易受到幹擾。

GPS衛星定位

GPS全稱為全球衛星定位系統(Global Positioning System),是美國軍方研製維護的衛星導航系統,由31顆中軌道衛星(20180公裡)組成,1994年全面建成。GPS最初用於軍事領域,民用信號被故意幹擾以降低定位精度,但2000年後完全取消了對民用信號的幹擾,GPS也迅速佔領了全球衛星定位市場,被廣泛應用於人們生活的方方面面。

GPS不斷發出包含自身位置及精確時間的信號,地面的接收器通過這些信號來計算自己的位置,通常誤差在幾米之內,精度最高可達到30釐米。

然而GPS也有弱點,那就是在2萬多公裡的軌道上,距離太遠,信號到達地面時非常微弱,很容易被意外幹擾,甚至可以通過電子戰故意欺騙,導致其定位錯誤,甚至被誤導獲得假的位置信息。

美國軍方嚴重依賴於GPS,可以說沒有GPS恐怕連仗都沒法打,所以一直在尋求更好的定位導航辦法。SpaceX公司的星鏈網計劃出來後,美國陸軍就提供了數百萬美元的資金,委託德克薩斯大學奧斯汀分校無線電導航實驗室進行研究,希望利用這些低軌道衛星提供更精確的定位服務。

低軌道衛星定位

事實上利用低軌道衛星導航並不是新鮮事,早在上世紀60年代,美國就利用地球上空1100公裡軌道上的太空飛行器,為海軍艦艇和潛艇提供位置信息。低軌道衛星的優點非常明顯,其發射的信號極強,超過GPS上千倍;但缺點也不遑多讓——衛星在軌道上運行極快,每顆衛星只能覆蓋一小片區域,需要很多衛星才能建成定位系統。

這就是美國軍方想到利用星鏈網的原因,軌道足夠低——低至340公裡,高也不過1325公裡;數量足夠多——建成後將達到12000顆,甚至42000顆。這種低軌道、高密度的衛星,用於打造定位系統可以說適逢其會,極為完美。

於是軍方找到了奧斯汀分校的託德·漢弗萊斯(Todd Humphreys)和彼得·伊恩努奇(Peter Iannucci),漢弗萊斯在2008年成立了一家初創公司Coherent Navigati,利用銥星信號打造導航系統,2015年該公司被蘋果收購,旨在作為GPS的粗略替代。軍方稱他們已和SpaceX公司籤訂協議,希望漢弗萊斯用一年的時間,與SpaceX公司一起研究出使用星鏈網衛星導航的辦法。

超強定位系統

一些什麼都不可能論者很容易就想當然地認為,GPS衛星全靠昂貴原子鐘的超精確時鐘授時,才能提供精準的定位服務,馬斯克要是把衛星都裝上這種原子鐘,只怕衛星還沒發射就破產了,星鏈網衛星怎麼可能打造成精確定位系統。

這就是什麼都不可能論者無法更深刻地思考問題,而只會敲鍵盤的原因。漢弗萊斯和伊恩努奇發現,GPS衛星的通信速度只有100比特/秒,導致它們無法傳輸更多的信息,比如關於其實際位置的更新更精確的數據;而星鏈網衛星通信速度達到了100Mb/秒,可以傳輸大量數據。

漢弗萊斯認為,他們不用增加硬體,只需通過軟體升級,以及同現有GPS信號相結合,就可以將星鏈網打造成衛星定位和導航系統。這是因為星鏈網衛星上的GPS接收器精度極高,達到了幾釐米,可以讓星鏈網衛星替用戶完成繁重的位置計算工作。

根據漢弗萊斯的計算,這種使用即時軌道和時鐘數據的星鏈網低軌道定位系統,將可以讓用戶的位置精度達到70釐米以內,比現在智慧型手機、手錶和汽車中廣泛使用的GPS系統精度要高出10倍左右,而佔用星鏈網的下行帶寬不會超過1%,耗電不超過0.5%。

最關鍵的是,星鏈網的信號很強,天線的定向也比GPS高10倍左右,所以很難被地面的幹擾機幹擾或欺騙。

當然,這種低軌道定位也不是沒有缺點。由於星鏈網是商業服務,人煙稀少的高緯度地區在前期可能不會有網際網路服務;另外就是要在客戶端裝上昂貴的GPS晶片,而不是現在用於智慧型手機和手錶的廉價晶片,所以用於普通用戶恐怕還有很長的路要走,一些人甚至認為完全是不可能的。

然而在軍事領域,這恐怕確實是最完美的解決方案了。低成本(相對建一個備份的GPS系統),抗幹擾,信號強,精度高,完全彌補了GPS的短板。當然,任何新技術的出現,不可避免都會和軍事應用聯繫在一起,光擔心是沒有用的,臨淵慕魚,不如退而結網。

這項研究9月28日發表在預印伺服器arXiv上接受同行評議。

arXiv:Fused Low-Earth-Orbit GNSS

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