当 GPS 不可用时，冗余导航系统使飞机保持在航线上

运动设计内幕

从左到右：桑迪亚国家实验室电气工程师 Prabodh Jahveri、实习生 Will Barrett、技术专家 Michael Fleigi 和实习生 Summer Czarnowski 正在为气象气球发射准备有效载荷。 （图片来源：克雷格·弗里茨）

在新墨西哥州上空 80,000 英尺的气象气球上，一对天线从聚苯乙烯泡沫塑料冷却器中伸出。天线正在监听可以使航空旅行更安全的信号。

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推向天空，开创了一种备用系统，可以在无法依赖全球定位系统卫星的情况下使飞机保持在航线上。

在漂浮冷却器下方超过 15 英里的地方，手机发射塔发出稳定的射频波嗡嗡声。数百英里上方，非 GPS 通信卫星也做同样的事情。这个想法是使用这些替代信号来计算车辆的位置和速度。

“我们并不是想取代 GPS，”桑迪亚国家实验室首席研究员詹妮弗·桑德森 (Jennifer Sanderson) 说。 “我们只是试图在其性能下降或受损的情况下提供帮助”，这可能会给飞行员和乘客带来危险。

毫无疑问，GPS 仍然是导航的黄金标准。它快速、精确且可靠。这可能会提出一个问题：为什么研究人员要开发新的导航方法？ “我担心在没有备份的情况下过于依赖它，”导航算法专家桑德森说。

她说，GPS 已经成为现代科技世界的一部分。作为一个社会，我们不断地融入其中，无论是降落飞机、开车穿过城镇、绘制农作物产量图还是对股票市场交易进行计时。这种依赖让桑德森等研究人员担心连接中断时会产生的后果。

“整个社会都会感受到失去 GPS 的影响，”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丢失 GPS 或发现它不可靠。在没有 GPS 的情况下飞行的时间越长，发生事故的风险就越高。

“商业 GPS 接收器容易受到多种不同威胁的影响，其中之一就是干扰，”桑德森说。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，但可以在商业上使用。

她说，另一个问题是欺骗，即使用虚假信号来误导接收者，让他们相信自己位于不同的位置。这项技术并不是什么秘密，因为游戏社区用它来在 Pokémon Go 等基于位置的游戏中进行作弊。

“你可以下载一些实际的应用程序来欺骗你的位置，整个 Reddit 子版块专门向你展示如何将它用于各种游戏，”桑德森说。

虽然欺骗游戏可能相对无害，但桑德森强调，当针对车辆时，它可能会产生现实世界的后果。飞行员可能无法辨别信号是欺骗信号还是真实信号，从而导致他们误入歧途。

桑德森利用附近的非 GPS 信号进行导航的想法并不是全新的。科学家将其称为“机会信号”，但主要是在地面和附近进行研究。它被提议作为自动驾驶汽车穿越城市峡谷的一种方式，在城市峡谷中，GPS 信号被高耸的建筑物阻挡。

然而，这不是一个简单的任务。机会信号接收器有时不是从 GPS 信号中提取时间和位置信息，而是测量射频波的物理特性。

例如，他们可以利用多普勒效应。来自移向接收器的卫星的无线电波在传播过程中会被压缩，而来自远离接收器的卫星的无线电波会被拉伸。通过一些高级数学和足够的信号，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海拔机会信号导航。如果他们能够从平流层收集信号数据，他们也许能够开发出一种利用大气射频波网络来引导飞机等车辆的方法。 “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。

这些有效载荷由连接到一对天线并捆绑在绝缘泡沫冷却器中的电子包组成，是理解云层上方信号的关键。卫星信号预计会很强，但由于靠近信号源的锥形传输模式会变窄，因此可能会出现盲区。像新墨西哥州的大部分地区一样，农村地区的卫星覆盖可能过于零星而无用。理论上可以计算手机信号塔信号的强度，但需要对其进行表征才能在实际情况中发挥作用。

“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 到 7,000 英尺。”

“导航非常重要的方面是了解所有错误源，”桑德森说。 “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，从而使用实际的实时天空数据进行硬件测试。”

最终，功能导航系统需要将信号与其发射器实时匹配，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将接收到的信号与附近的卫星进行匹配。 “这可能非常乏味。因此，我们需要解决的一个重要方面是使这一过程自动化，”她说。

“虽然我们仍在处理飞行数据，但我们相信我们的初步调查结果表明，我们在约 82,000 英尺的最高海拔处检测到了手机塔信号信标。如果这些信号足够干净以用于导航，它将显着改变我们对替代导航的看法。”桑德森说。

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