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全球定位系統的挑戰與替代方案:探索未來導航技術

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科技產業資訊室 (iKnow) - 黃松勳 發表於 2024年7月5日
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圖、全球定位系統的挑戰與替代方案:探索未來導航技術

近年來,烏克蘭和中東地區的衝突升級,以及美中地緣政治競爭加劇,使人們意識到全球定位系統(GPS)和其他全球導航衛星系統(GNSS)的脆弱性。GPS信號的欺騙和干擾不僅影響了戰場上的定位,還擾亂了民用航空等領域。這些挑戰促使人們尋求不依賴GPS衛星系統的替代定位、導航和授時(Alternative Positioning, Navigation and Timing, AltPNT)技術。

隨著替代技術的發展,我們看到了一系列不依賴GPS的導航方案。這與過去僅僅「增強」PNT的做法有所不同,現在的重點是建立完全獨立於GNSS的替代系統。然而,完全取代GNSS的可行性仍存在疑問。實際上,沒有單一的解決方案可以完全替代GPS,但我們可以透過互補技術來增強其韌性。

低軌道(LEO)衛星系統是一種有前景的替代方案。民間企業如Xona和TrustPoint正在建設新的商業PNT服務,利用LEO衛星星座提供更快的信號傳輸、更低的延遲和更高的定位精度。然而,LEO衛星系統也面臨著成本高、壽命短、運營複雜等挑戰,同時仍然容易受到惡意干擾和大氣干擾的影響。

在民用航空領域,慣性導航系統(INS)是GPS的主要備用系統。INS利用加速度計、陀螺儀等感測器計算PNT數據,但其主要限制在於需要外部源提供初始數據,且長時間運行會出現漂移。新興的量子INS技術可能會顯著減少漂移問題,但其效果還有待進一步驗證。

增強型遠程導航(eLORAN)是另一種替代技術,它使用固定的地面信標網絡,信號比GPS更強且更能抵抗干擾。然而,eLORAN主要局限於陸地和沿海地區,需要大量基礎設施投資,且只能提供水平定位,無法進行垂直導航。儘管如此,美國軍方正在試驗新的eLORAN部署,有望僅用三個終端站就能覆蓋整個美國大陸。

地形導航(TBN)是一種利用感測器輸入與預先繪製的地形圖進行匹配的導航系統。TBN使用固定的地形高度參考來減少漂移,但在平坦地形或遭受轟炸改變的地區效果較差。即時同步定位與地圖建構(SLAM)技術可以解決部分問題,但仍需要已知位置的錨點。

電腦視覺技術,特別是視覺定位系統(VPS),是另一個令人興奮的發展領域。VPS透過匹配相機捕捉的像素與特徵數據庫中的像素來計算位置和導航。然而,VPS需要預先對大範圍區域進行高精度地理空間坐標進行繪製,這在戰時環境中可能面臨挑戰。

LiDAR技術與INS的融合也是一種有前景的導航方案。LiDAR可以建立即時3D環境地圖,結合INS可以計算位置、方向和速度。但LiDAR通常需要預先繪製區域地貌,且受到視線和天氣條件的限制。

整體而言,目前沒有任何單一技術能完全替代GPS或其他現有的GNSS。事實上,我們也需要一種多層次的PNT方法,將多種技術交互連接,能在不利條件下實現替代互補。雖然許多人才正在開發新的AltPNT技術,GPS/GNSS的替代品可能會在未來出現,但在此之前,仍須投資於更具韌性和穩健性的GPS系統,特別是開發多樣化的AugPNT技術,這將是未來數年內安全導航的關鍵。(1066字;圖1)


參考資料:
Can“AltPNT”Really Replace GPS? Space News, 2024/07/02.
Complementary Position, Navigation and Timing (C-PNT). European Commission
Startups map out strategies to augment or backup GPS. Space News, 2021/08/04.
TrustPoint launches PNT cubesat. Space News, 2023/04/15.
Inertial Navigation System. ScienceDirect, 2014
A survey on Terrain Based Navigation for AUVs. IEEE, 2010/12/10.
Enhanced Long-Range Navigation (eLORAN). Stanford University GPS Lab



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