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一对天线悬挂在距离新墨西哥州上空 8 万英尺的气象气球上，从聚苯乙烯泡沫塑料冷却器中伸出。从那个高度看去，漆黑的太空与地球的蓝天形成鲜明对比。但天线并没有被这令人惊叹的景色所吸引。相反，它们在监听可以使空中旅行更安全的信号。
桑迪亚国家实验室和俄亥俄州立大学的研究人员正在将实验性导航技术应用于天空，率先开发出一种备用系统，当飞机无法依赖全球定位系统卫星时，该系统仍能保持飞机的航向。
在浮动冷却器下方 15 英里处，手机信号塔发出稳定的无线电频率波。在数百英里上方，非 GPS 通信卫星也发出相同的信号。
其理念是使用这些替代信号来计算车辆的位置和速度。
桑迪亚国家实验室首席研究员詹妮弗·桑德森说：“我们并不是想取代 GPS。我们只是想在 GPS 性能下降或受损的情况下为其提供帮助”，否则可能会给飞行员和乘客带来危险。
该团队于 9 月 16 日至 20 日在巴尔的摩举行的导航研究所 GNSS+ 会议（ION GNSS+ 2024）上展示了其初步数据。
GPS 备份案例
毫无疑问，GPS 仍然是导航的黄金标准。它快速、精确、可靠。这可能会引发一个问题：研究人员为什么要开发新的导航方法？
“我担心过于依赖它而没有备份，”导航算法专家桑德森说。
她说，GPS 已经成为我们现代科技世界的一部分。作为一个社会，我们时刻与它相连，无论是飞机降落、开车穿过城镇、绘制农作物产量图还是在股市交易时计时。这种依赖让桑德森等研究人员担心，如果连接中断，后果会怎样。
“失去 GPS 的影响可能会波及整个社会，”她说。GPS 中断并不罕见。在冲突地区附近飞行的飞行员越来越有可能失去 GPS 或发现 GPS 不可靠。没有 GPS 飞行的时间越长，发生事故的风险就越高。
桑德森说：“商用 GPS 接收器容易受到几种不同的威胁，其中之一就是干扰。”干扰器是一种用 GPS 频率上的无意义信号淹没接收器的设备，虽然是非法的，但市场上有售。
她说，另一个问题是欺骗，即使用假信号误导接收者，让他们相信自己身处不同位置。这种技术并不是什么秘密，游戏社区用它来在基于位置的游戏中作弊，比如《Pokémon Go》。
桑德森说：“你可以下载一些实际的应用程序来伪造你的位置，还有专门的子版块向你展示如何在各种游戏中使用它。”
虽然欺骗游戏可能相对无害，但桑德森强调，如果针对车辆，这可能会产生现实后果。飞行员可能无法分辨信号是欺骗的还是真实的，从而将他们引向错误的方向。
项目研究高空机遇信号
桑德森利用附近的非 GPS 信号进行导航的想法并不完全是新想法。科学家将其称为“机会信号”，但主要在地面和近地面进行研究。有人提议将其作为自动驾驶汽车穿越城市峡谷的一种方式，因为高耸的建筑物会阻挡 GPS 信号。
然而，这并不是一项简单的任务。机遇信号接收器有时不从 GPS 信号中提取时间和位置信息，而是测量无线电频率波的物理特性。
例如，他们可以利用所谓的多普勒效应。卫星向接收器移动时发出的无线电波在传播过程中会被压缩，而卫星向接收器移动时发出的无线电波则会被拉伸。利用一些高级数学知识和足够的信号，科学家可以确定信号源并计算接收器的位置。
桑德森和她的团队正在研究高空机会信号导航。如果他们能从平流层收集信号数据，他们或许能够开发一种利用大气无线电频率波网络引导交通工具（如飞机）的方法。“因此，我们将有效载荷绑在这些气象气球上，然后将它们发射到空中，”她说。
有效载荷由连接到一对天线并捆扎在绝缘泡沫冷却器中的电子组件组成，是了解云层上方信号的关键。卫星信号预计会很强，但由于锥形传输模式在靠近源头处变窄，因此可能会出现盲区。
农村地区（如新墨西哥州大部分地区）的卫星覆盖可能过于零散，无法使用。手机信号塔信号的强度可以通过理论计算，但需要对其进行表征才能在实际情况下发挥作用。
“到目前为止，我们到达的最高海拔约为 80,000 英尺。相比之下，我们看到的其他研究都集中在 5,000 至 7,000 英尺。”
处理数据是团队科学之旅的下一步
随着研究人员继续处理第一批数据，他们期待着新的里程碑和新的挑战。
桑德森说：“导航的一个不太吸引人但非常重要的方面是了解所有的错误来源。我的目标是拥有一个强大的数据集来开发实时系统的算法，从而能够使用实际的实时天空数据进行硬件测试。”
最终，一个功能齐全的导航系统将需要实时匹配信号与发射机，然后计算相对于这些源的位置和速度。然而，在研究的早期阶段，她的团队正在使用参考数据手动匹配接收到的信号与附近的卫星。
“这可能相当繁琐。因此，我们需要解决的一个重要问题就是实现这一过程的自动化，”她说。
尽管面临挑战，她仍然保持乐观。
“虽然我们仍在处理飞行数据，但我们相信，初步调查结果表明，我们在约 82,000 英尺的最高海拔处检测到了手机信号塔信号标。如果这些信号足够清晰，可以进行导航，那么它将极大地改变我们对替代导航的可能性的看法，”桑德森说。
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发表于 2024-10-23 12:44:40