星链卫星也能导航？

一. 前言

最近，网络上有消息称，国外研究者提出，星链（starlink）卫星可以用于导航应用。而在大众的普遍认知中，通信和导航是完全不同的，怎么可能用通信卫星来导航呢？为此，我们对此领域的研究成果做一简要分析，以较为通俗的方式解释其方法。

二. 什么是卫星导航

2.1

卫星导航系统简介

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），泛指所有的卫星导航系统，这里的“导航”是终端系统利用卫星得到自身的位置信息（即定位），通过终端应用系统进行导航，如XX地图导航，是由导航系统依据定位进行测算的。卫星自身不提供实际的导航功能。世界四大主要的GNSS系统有，美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略。

2.2

卫星定位原理

卫星定位的设计思想是以空间的人造卫星作为参照点,确定一个物体的空间位置。根据几何学知识我们知道,在平面上，已知不在同一条直线上的3个点，假设有第4个点，我们知道第4个点分别到已知3个点的距离，则可唯一确定第4个点的位置（当然，假如给定的三个距离值不满足一定的条件，第4个点就不存在，例如不存在一个点到A、B两点距离之和小于A、B间距离）。如图1所示。

图1 平面三圆定位原理图

在三维立体空间中，由不在同一直线的三个点及距离则可以得到2个锥体，即确定2个点，如图2所示。而对于卫星定位，假设图中的S1、S2、S3分别是3颗卫星，则可以确定地面上唯一的点P，而不是P’。这种通过精确测量地球上某个点到三颗人造卫星之间的距离,对该点的位置进行三角形测定,就是GNSS最基本的设计思路及定位功能。

图2 立体定位示意图

那么，地面设备如何知道卫星的位置以及自己到卫星的距离呢？这是通过接收卫星广播的信息得到的。简单来说，导航卫星持续不断地发出广播信息，这些信息包括当前的时间（这个时间的精度要求很高）和卫星当前的位置。地面设备解析出卫星的位置和发送时间，通过接收到的时间减去卫星发送信息的时间，即可得到微波信号的传输时间，将传输时间与速度（即微波速度即光速）相乘即可得到距离（实际上不是真实的距离，因为计算的参数中含有因时钟误差和大气层折射延迟导致的误差，所以一般称为伪距）。地面设备得到了3个数据组（位置+距离）即可计算出自己的位置, 如有更多数据组，则通过相互校正，定位更加精确。

2.3

当前卫星定位系统存在的弱点

专门用于定位的卫星大多处于离地2万km以上（仅GLONASS的卫星高度为19100km）的中高轨，其信号传到地面已经很弱，因此，容易受到干扰、阻塞以及欺骗。而低轨通信卫星，一方面离地比较近，大约400-1500km，其信号会比较强，而且为了通信的质量，信号也必须足够强（事实上，低轨卫星信号强度比GPS的高上千倍），另一方面，低轨通信卫星的数量更多（如星链的预计目标是4万多颗，截至2022年10月，在轨卫星数量已超3400颗。而当前，主要的卫星导航系统如GPS和北斗各自都只有30多颗卫星在轨）。此外，通信卫星信号在空间和频谱方面都更加多样。如果低轨通信卫星能够用于导航定位，则会有较大的优势。

图3 中轨低轨对比示意图

三. 通信卫星如何用于导航定位

如前所述，只要知道三组及以上卫星位置+卫星到目标距离，即可计算出目标的具体位置。事实上，利用通信卫星进行定位，研究人员提出了两种方法，一种是利用信号特征，一种是利用卫星发送的信息

3.1

利用机会信号进行定位

加州大学欧文分校的研究团队在2021年发表的论文[2]中提到，不用分析星链卫星的信息内容，甚至不需要其数据结构，仅利用星链的机会信号（注：机会信号导航是指将环境中所有潜在的无线电信号视为机会信号（signals of opportunity），并从中提取位置和时间信息用以导航。机会信号导航是传统GNSS导航系统的有益补充），进行盲多普勒跟踪和定位。具体方法是，通过一种基于广义似然比（一种统计学方法）的检验方法来检测星链低轨卫星信号并估计其相应的信标。并通过一种称为啁啾（chirp）参数估计器来跟踪星链信号的多普勒频率，以此获得相应的伪距。实验结果表明，通过跟踪6颗星链低卫星的多普勒频率，定位的水平误差为10米，空间误差为22.9米（含水平误差和高度误差）。

注：多普勒效应，是指接收器接收到由一个相对运动的物体发射的电磁波时，其接收到的电磁波频率与发射的频率是不一样的。现实中的例子就是，当你身处火车站，你听到的火车进站时汽笛声高于出站时汽笛声，因为进站时声音传播的距离在逐渐降低，所以接收到的声音频率更高。虽然卫星在运行过程中的速度是相对稳定的，但是其相对于观测点（待定位点）的相对运动速度是变化的，因此，测得的多普勒频率也是变化的。举个例子，假如你处在高速公路边上一定距离，你看到远处的汽车速度似乎不快，但是当汽车通过你跟前时，你会发现速度是很快的。

他们的研究受到美国海军和交通部的支持。

3.2

利用载波信号定位

加州大学欧文分校的研究团队在2022年发表的论文[3]中描述了一种利用载波相位跟踪进行定位的方法。首先，对星链信号进行分析，建立一种适用于载波相位跟踪的模型。其次，开发了一个基于卡尔曼滤波的自适应跟踪回路，其中测量噪声基于残差的启发式进行更新。第三，用真实星链信号的第一载波相位跟踪和定位结果，显示6个星链卫星的水平位置误差为7.7m。由于星链低轨卫星的传输信号有非常高的多普勒频移，卫星的位置可以从卫星信号的双线元素（TLE）和简化的一般扰动（一种卫星轨道模型）计算获得。

3.3

利用卫星信号的信息结构进行定位

2020年，德州大学奥斯汀分校的研究者以及美国军方同spaceX讨论星链卫星用于导航，被spaceX拒绝，据称马斯克认为应集中精力，使星链活下来（很多的卫星通信公司如oneweb倒闭。星链聚焦于通信业务，会有资金回流，先解决生存问题）。

于是德州大学奥斯汀分校的研究者，从逆向破解星链卫星信号开始，解析出星链卫星信号采用的正交频分多工结构（OFDM，通信中常用的高效编码结构)，并从中提取出同步信号，通过分析多颗卫星的同步信号，接收器可以计算出自己的位置，定位在精度达到了30米[4][5]。

他们的研究获得了美国军队研究项目支持以及美国交通部的支持。

四. 利用手机基站进行定位

NDSS2022会议上的一篇论文[6]（作者分别工作于加州大学欧文分校和爱德华空军基地）的研究表明，除了用卫星外，地面丰富的移动通信基站也可以用于定位导航。在他们的实验中，利用美国加州爱德华空军基地的大功率GPS干扰器，干扰方圆50英里的地方。在没有防护的情况下，车辆被驾驶到受干扰的环境中，在180秒内穿越了5公里，其中在最后3.9公里内没有GPS信号。在干扰攻击过程中，车载导航系统利用商用高端GPS接收机和导航系统，累积的位置均方根误差（这是一种误差的计算方式）达238米。对比实验中，当没有GPS信号时，启动利用8个LTE基站的辅助定位，累积的位置均方根误差仅2.6米。事实上，利用电信基站进行定位，还有一个好处是，电信信号比GNSS更难被干扰和欺骗，而且受恶劣天气的影响也小很多。如果基站的位置和时钟足够精确，其可能比卫星定位更精确，因为利用卫星定位，不可避免的会有大气层干扰，在城市也面临建筑物的遮挡、楼面的反射干扰等。

五. 总结

尽管研究表明，利用低轨通信卫星导航存在技术上的可行性，但不意味着人人都那么乐观。在地面上使用该系统还意味着依赖SpaceX自己的星链天线——SpaceX首席执行官埃隆·马斯克认为，采用星链导航，需要定制的长天线，而且可能非常昂贵，远不如GPS芯片廉价，并可以装进智能手机和手表 [7]。当然，只是从民用的角度，从特殊用途如应急、军用等角度，利用通信卫星也许可以作为GPS、北斗的备用和补充手段。

内容编辑：创新研究院李德全

责任编辑：创新研究院董炳佑

参考文献

[1]Leveraging Commercial Broadband LEO Constellations for Navigation，The 29th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2016)

[2]Exploiting Starlink signals for navigation: first results，M. Neinavaie, J. Khalife, and Z. Kassas, ION Global Navigation Satellite Systems Conference, Sep. 20-24, 2021, St. Louis, MO, pp. 2766-2773

[3]The First Carrier Phase Tracking and Positioning Results with Starlink LEO Satellite Signals, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems ( Volume: 58, Issue: 2, April 2022) Page(s): 1487 - 1491

[4]Signal Structure of the Starlink Ku-Band Downlink, arXiv:2210.11578v1
[5] Starlink decoded for use as GPS alternative- without Elon Musk's help, https://forums.theregister.com/forum/all/2022/10/24/starlink_signal_decoded_for_use/

[6]Demo: I Am Not Afraid of the GPS Jammer: Exploiting Cellular Signals for Accurate Ground Vehicle Navigation in a GPS-Denied Environment，AutoSec 2022， https://dx.doi.org/10.14722/autosec.2022.23049

[7] SpaceX’s Starlink satellites could make US Army navigation hard to jam，By Mark Harris， September 28, 2020，MIT technology review.

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