随着马斯克“天网”启动时间越来越近,越来越多的人担心星链网卫星可能会用于军事领域,一些人甚至相信星链网卫星可用于高精度定位,为飞机、导弹提供更精确的打击能力。不幸的是,这些担心是有道理的,最新的研究已经表明,星链网可以替代GPS定位服务,精度也将超过民用GPS的10倍,而且不容易受到干扰。
GPS卫星定位
GPS全称为全球卫星定位系统(Global Positioning System),是美国军方研制维护的卫星导航系统,由31颗中轨道卫星(20180公里)组成,1994年全面建成。GPS最初用于军事领域,民用信号被故意干扰以降低定位精度,但2000年后完全取消了对民用信号的干扰,GPS也迅速占领了全球卫星定位市场,被广泛应用于人们生活的方方面面。
GPS不断发出包含自身位置及精确时间的信号,地面的接收器通过这些信号来计算自己的位置,通常误差在几米之内,精度最高可达到30厘米。
然而GPS也有弱点,那就是在2万多公里的轨道上,距离太远,信号到达地面时非常微弱,很容易被意外干扰,甚至可以通过电子战故意欺骗,导致其定位错误,甚至被误导获得假的位置信息。
美国军方严重依赖于GPS,可以说没有GPS恐怕连仗都没法打,所以一直在寻求更好的定位导航办法。SpaceX公司的星链网计划出来后,美国陆军就提供了数百万美元的资金,委托德克萨斯大学奥斯汀分校无线电导航实验室进行研究,希望利用这些低轨道卫星提供更精确的定位服务。
低轨道卫星定位
事实上利用低轨道卫星导航并不是新鲜事,早在上世纪60年代,美国就利用地球上空1100公里轨道上的航天器,为海军舰艇和潜艇提供位置信息。低轨道卫星的优点非常明显,其发射的信号极强,超过GPS上千倍;但缺点也不遑多让——卫星在轨道上运行极快,每颗卫星只能覆盖一小片区域,需要很多卫星才能建成定位系统。
这就是美国军方想到利用星链网的原因,轨道足够低——低至340公里,高也不过1325公里;数量足够多——建成后将达到12000颗,甚至42000颗。这种低轨道、高密度的卫星,用于打造定位系统可以说适逢其会,极为完美。
于是军方找到了奥斯汀分校的托德·汉弗莱斯(Todd Humphreys)和彼得·伊恩努奇(Peter Iannucci),汉弗莱斯在2008年成立了一家初创公司Coherent Navigati,利用铱星信号打造导航系统,2015年该公司被苹果收购,旨在作为GPS的粗略替代。军方称他们已和SpaceX公司签订协议,希望汉弗莱斯用一年的时间,与SpaceX公司一起研究出使用星链网卫星导航的办法。
超强定位系统
一些什么都不可能论者很容易就想当然地认为,GPS卫星全靠昂贵原子钟的超精确时钟授时,才能提供精准的定位服务,马斯克要是把卫星都装上这种原子钟,只怕卫星还没发射就破产了,星链网卫星怎么可能打造成精确定位系统。
这就是什么都不可能论者无法更深刻地思考问题,而只会敲键盘的原因。汉弗莱斯和伊恩努奇发现,GPS卫星的通信速度只有100比特/秒,导致它们无法传输更多的信息,比如关于其实际位置的更新更精确的数据;而星链网卫星通信速度达到了100Mb/秒,可以传输大量数据。
汉弗莱斯认为,他们不用增加硬件,只需通过软件升级,以及同现有GPS信号相结合,就可以将星链网打造成卫星定位和导航系统。这是因为星链网卫星上的GPS接收器精度极高,达到了几厘米,可以让星链网卫星替用户完成繁重的位置计算工作。
根据汉弗莱斯的计算,这种使用即时轨道和时钟数据的星链网低轨道定位系统,将可以让用户的位置精度达到70厘米以内,比现在智能手机、手表和汽车中广泛使用的GPS系统精度要高出10倍左右,而占用星链网的下行带宽不会超过1%,耗电不超过0.5%。
最关键的是,星链网的信号很强,天线的定向也比GPS高10倍左右,所以很难被地面的干扰机干扰或欺骗。
当然,这种低轨道定位也不是没有缺点。由于星链网是商业服务,人烟稀少的高纬度地区在前期可能不会有互联网服务;另外就是要在客户端装上昂贵的GPS芯片,而不是现在用于智能手机和手表的廉价芯片,所以用于普通用户恐怕还有很长的路要走,一些人甚至认为完全是不可能的。
然而在军事领域,这恐怕确实是最完美的解决方案了。低成本(相对建一个备份的GPS系统),抗干扰,信号强,精度高,完全弥补了GPS的短板。当然,任何新技术的出现,不可避免都会和军事应用联系在一起,光担心是没有用的,临渊慕鱼,不如退而结网。
这项研究9月28日发表在预印服务器arXiv上接受同行评议。
arXiv:Fused Low-Earth-Orbit GNSS
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