研究人员正在推进实验导航系统，旨在当全球定位系统（GPS）卫星不可用时，保持飞机航向。
从80,000英尺高空飘浮在新墨西哥州的气象气球上，有两个天线从一个泡沫冷却器中探出。在这个高度，黑暗的太空与地球生动的蓝天形成鲜明对比。然而，天线并没有被壮观的景色分散注意力；它们的重点是捕捉能够增强航空安全的信号。
来自桑迪亚国家实验室和俄亥俄州立大学的科学家们正在创新空中导航技术，创建一个备用系统，以确保飞机在没有完全依赖GPS卫星的情况下保持正常航向。
在漂浮的冷却器下方，手机信号塔从超过15英里外持续发送电磁波。此外，在更高的高度，未使用GPS的通信卫星提供额外信号。
目标是利用这些替代信号来确定车辆的位置和速度。
桑迪亚的首席研究员詹妮弗·桑德森表示：“我们的目标不是替代GPS，而是在GPS可能受到影响或退化的情况下进行补充，”这可能会造成对飞行员和乘客都潜在危险的情况。
研究小组在9月16日至20日于巴尔的摩举行的导航学会GNSS+会议上分享了其初步发现。这项研究由桑迪亚的实验室直接研究与发展项目资助。
GPS备用的必要性
毫无疑问，GPS因其速度、准确性和可靠性成为导航的主要标准。这引发了一个问题：为什么还在探索新的导航方法？
桑德森表示：“我对过度依赖它而没有备用感到担忧。”
她指出，GPS已成为我们技术先进社会中的重要组成部分。我们依赖它来进行各种操作，从降落飞机、导航城市街道，到管理农作物产量和同步金融交易。这种依赖让像桑德森这样的研究人员对GPS连接故障可能带来的后果感到焦虑。
“GPS故障的影响可能会在社会中产生涟漪，”她说。GPS中断的频率越来越高。在接近冲突区域飞行的飞行员经常失去接入或发现GPS不可靠。没有GPS的时间越长，发生事故的风险就越大。
桑德森解释说：“商业GPS设备面临多种威胁，包括干扰。”干扰器会向接收器发送不相关的信号，虽然干扰器是非法的，但通常可供购买。
另一个问题是欺骗，伪造信号误导接收器，导致其认为自己处于不同的位置。这种战术广为人知，有时被游戏玩家用于在像《精灵宝可梦GO》这样的基于位置的游戏中作弊。
她补充道：“有实际的应用程序可以改变你的位置信息，甚至在论坛中有教程专门解释这些方法在不同游戏中的应用。”
虽然在游戏中欺骗似乎无害，但桑德森强调，当应用于实际车辆时，这可能带来严重后果。飞行员可能会被伪造信号误导，导致他们偏离航道。
项目调查高空信号的机会
桑德森提出的使用附近的非GPS信号进行导航的概念并不完全新。研究人员称其为“机会信号”，但调查主要集中在地面或近地面的场景。这种方法已经被提议用于帮助自主车辆在GPS信号可能被摩天大楼阻挡的密集城市环境中导航。
尽管如此，这项任务并非简单。与GPS不同，GPS的时间和位置信息提取相对简单，而机会信号的接收器通常评估电磁波的物理属性。
例如，他们利用多普勒效应；朝向接收器移动的卫星发出的电波看起来被压缩，而远离接收器的卫星的电波看起来则被拉长。利用先进的数学和多个信号，科学家希望识别信号源并确定接收器的位置。
桑德森和她的团队正在研究高空的机会信号。如果他们能够成功收集来自平流层的信号数据，可能会开发出一种方法，通过大气中电磁波网络来引导飞机等车辆。 “我们将仪器附加到气象气球上并发射它们，”她解释道。
设备由与两个天线连接的电子单元组成，所有单元都隔离在一个泡沫冷却器内，这对于分析高于云层的信号至关重要。虽然卫星信号通常是强大的，但在倾向于源头的漏斗状传输模式中可能会出现“死区”。此外，卫星覆盖在如新墨西哥州大部分地区等人口稀少的区域可能并不一致。手机信号塔信号的潜在强度可以推测，但需要在现实世界中进行表征才能有效。
“到目前为止，我们已经达到接近80,000英尺的高度；其他研究主要针对5,000到7,000英尺的高度，”她表示。
数据处理：研究中的下一步
随着团队处理其初始数据集，他们预期会遇到新的成就和障碍。
桑德森观察到：“导航中不太光彩但至关重要的部分是识别所有误差源。” “我的目标是拥有一个全面的数据集以创建实时系统的算法，使硬件测试能够使用实际的实时天空数据。”
最终，一个功能齐全的导航系统需要实时同步信号与其发射器，随后计算相对于这些信号源的位置和速度。然而，目前，她的团队正在手动将接收到的信号与附近的卫星使用参考数据进行关联。
“这可能是一个相当复杂的过程。因此，我们需要努力简化为一个自动化系统，”她表示。
尽管复杂性，她仍然充满希望。
她说：“虽然我们仍在分析飞行数据，但我们的初步发现表明，我们在大约82,000英尺的峰值高度上检测到了手机信号塔信标。如果这些信号在导航中被证明可靠，这可能会彻底改变我们对可行替代导航选项的理解。”
桑迪亚国家实验室是由桑迪亚有限责任公司国家技术与工程解决方案公司运营的多功能设施，该公司是霍尼韦尔国际公司全资子公司，代表美国能源部国家核安全局。桑迪亚实验室负责核威慑、全球安全、国防、能源技术和经济竞争力方面的重要研究和开发计划，主要设施位于新墨西哥州阿尔伯克基和加利福尼亚州利弗莫尔。
