美国空军正在教人工智能为飞机导航，以防GPS被摧毁困境

《商业内幕》2024年5月13日克里斯-帕内拉的文章

电子战和反卫星能力可能会使GPS在未来战争中无法导航；美国空军正在尝试使用人工智能作为替代方案；这只是军方的人工智能项目之一，军方还有一架人工智能控制的F-16战斗机。

在未来战争中，电子战和反卫星武器可能会让美军失去GPS这一导航和瞄准的关键工具。

这一挑战促使美国空军尝试使用人工智能作为替代导航方法。这只是美国军方众多人工智能项目中的一个，这些项目可能会重塑战争。

如果美国要与中国或俄罗斯等大国开战，GPS卫星和其他导航技术很可能会成为首要目标。即使只是对其进行干扰或干预，也会给依赖于GPS的一些美国系统带来混乱。

美国空军正在开发一种潜在的解决方案，即依靠人工智能在GPS被屏蔽的环境中进行导航。

“我们认为，如果我们最终在GPS信号被屏蔽的环境中工作，我们可能已经为我们能做的事情增加了一支箭”。空军-麻省理工学院人工智能加速器项目主任加里-弗洛伊德上校对美联社说："我们会的”。

去年，空军测试了使用人工智能程序通过地球磁场为一架C-17货机导航的情况，这是一种困难的方法，因为来自其他因素（包括飞机本身）的电磁噪声会使导航过程复杂化。不过，弗洛伊德向美联社解释说，人工智能能够通过飞行测试，学会遵循哪些信号来引导飞机前进。

人工智能有可能被用来替代GPS导航，这说明在未来的战争中，人们越来越关注如何拒绝GPS。在乌克兰战争中，双方都使用了电子战和GPS欺骗技术来干扰无人机和导弹，使武器偏离航线，并制造其他挑战。

长期以来，五角大楼一直在为其联合部队研究电子战解决方案，开发抗干扰寻的器和其他不依赖GPS坐标的替代品。早在2023年8月，一位国防官员就曾表示，陆军“正在从根本上重新投资，重建我们的战术电子战能力，因为在过去20年中，这种能力在很大程度上已经离开了部队”，他还补充说，乌克兰战争为这些努力增添了“紧迫性”。

人工智能创造了新的机遇，空军的导航替代方案并不是唯一一个研究如何将人工智能融入军事系统的项目。就在上个月，官方宣布在一架人工智能驾驶的F-16战斗机和一架有人驾驶的喷气式飞机之间进行了一次具有里程碑意义的测试。

虽然官员们以国家安全为由不愿透露谁赢得了这次于2023年9月进行的测试，但其中一位官员确实指出，所使用的人工智能程序“进展和我们希望的一样好，甚至比我们希望的更快”。不过，人工智能的使用引发了质疑。

本周，美国和中国将在日内瓦举行会议，就人工智能的使用进行重要讨论。当被问及会议将讨论哪些人工智能政策的细节时，特别是与保留人类杀戮决策权和核武器部署有关的政策时，一位高级政府官员告诉记者，“这是此类会议的第一次”。他们说，“我们预计将对所有风险进行讨论，但目前不会预先判断任何具体细节”。

单片机创意小制作，GPS记录器DIY

全球定位系统，小名GPS，大家一定不陌生，对于我们来说，它只有一个功能——定位，说白了，就是它能告诉我们现在所处的经纬度。

虽然功能简单，可由此衍生出来的应用可就不少了，比如车载导航仪，不光能告诉我们现在在哪，还能告诉我们怎么去想去的地方;又如某个车队要了解车辆的位置，那就给每个车子装个GPS和无线收发设备，实时了解车辆信息。

图12.1 GPS 记录器的显示界面

除此之外，还有些另类的应用：比如 GPS授时，所谓授时，就是告诉我们现在几点钟了。虽然这有点大材小用的意思，不过这时间是相当准确的，可以精确到毫秒级，可以作为许多应用的标准时钟。再有就是今天我们要DIY的这个“GPS 记录器”(见图12.1)了，简单来说，就是把我们所经过的位置记录下来的装置。有人要问了，这有什么用呢?假如有驴友旅行过程中发现一段非常漂亮的路径，路上湖光山色，风景秀丽，他就可以利用这个装置将路径记录下来和朋友们分享;假如探险家外出探险，也可以利用这个装置将路径记录下来，探险结束后按原路安全返回。这，就是路径回溯功能。

接下来让我们了解一下必备的基础知识。

GPS原理简介

GPS应用已经非常普及，现在很多手机都集成了GPS导航的功能，但是光有导航仪或者是GPS接收器是不行的，它还得有天上挂着的24颗卫星作为信号的来源。这24颗卫星就像草莓外面的籽一样均匀地分布在地球上空，基本上在全球任意地方都能接收到GPS卫星的信号。接收器根据卫星发送的含有报文的信号来计算处于哪个位置。除此之外，我们不能将卫星发射上去之后就不管了，所以，地球上还有地面中心对这些卫星进行监控和数据修正。所以，完整的GPS系统包括 GPS卫星、用户接收端、地面监控中心。

图12.2 解析流程

GPS 接收端与通信协议

上面讲的GPS系统包含3部分，但是我们平时能接触到的只有接收端。别看现在市面上各种牌子的导航仪和接收器数不胜数，但上面用的GPS接收处理的芯片，全球就只有几家公司有能力设计。其中，SiRF的芯片占据了民用市场七八成的份额，而目前用的比较多的是2004年发布的SiRFstar III，也就是所谓的“第3代”芯片。

接下来就是让其他产品能“听懂”从GPS芯片发出的数据是什么意思了，这时就需要有个通信协议。目前大部分GPS模块采用的是NMEA0138协议。这个协议涵盖了许多方面，GPS只是用到其中的一部分。

NMEA 协议简介

NMEA 是由美国全国海洋电子协会(The National Marine Electronics Association)制定的一套通信协议，是目前GPS最常见的通信协议。

以笔者的这个GPS 模块为例，它将接收到的GPS卫星信号解码之后，通过串口以NMEA格式输出，而用到的语句只有4个：$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC，其中美元符号($)代表前缀，表示语句开始;GP 代表对象，代表用在 GPS 上;后面的GGA、GSA、GSV、RMC等是语句类型;每条语句的各个数据字段用半角逗号(,)分开;结尾为*XX，XX 是整个语句的校验和，以检验收到的语句是否正确，代表回车和换行，表示该条语句结束。

我们所要做的就是将其接收下来，解析出我们要的数据，再进行下一步的应用。

数据解析和保存

有了从模块那里收到的数据，接下来就是解析出里面有用的数据了。图12.2所示为简单的解析流程。

由于使用的是单片机，所以最简单的保存数据的方案便是使用SPI接口的Flash。另外由于NMEA语句是为了便于传输，采用字符形式，所以“身材”比较大，基本上每次的数据量在300～500字节，由于Flash容量限制，不能将原始的NMEA 语句直接保存，所以我们自己定义了一个存储格式，将其中有用的数据摘出来以二进制的格式保存，这样每次的数据顺利地缩小了。在实际应用中，每个点的数据只需要32字节。

如何浏览路径

说到这里，就必须请出神器——Google Earth了。这是谷歌出的一款可以看卫星图的软件，可惜的是目前的6.0 版还不能直接支持 NMEA 协议。不过 Google Earth 支持另外一种语言，那就是KML。其全称是Keyhole Markup Language，基于XML，同样，它包含了很多复杂和高级的内容，在此不再赘述，我们只需要用到其中一部分——在Google Earth 中画路径。

下面是一个最简单的KML示例：

Path from GPS Logger V2

Path Name

这个KML文件被Google Earth读取后会生成：

简单来说，它告诉Google Earth，生成一个文档，名字为Path from GPS Logger V2，其中有一个路径，名字叫Path Name，路径的是“连线”的模式，颜色为黄色(ff00ffff)，线宽5像素，而具体经纬度信息则包含在标签中，继而Google Earth会根据其中的经纬度信息绘制出一条折线。

所以，只要将之前保存的每个点的数据，依次填充到标签中，则生成的KML被Google Earth读取之后显示的就是我们记录的路径。

至此，我们自制记录器所需要了解的背景都全部知道了，接下来便是制作的过程了。

主要功能目标

直接显示当前日期和时间、经纬度、海拔、速度、方向等信息，显示卫星信号强度、卫星数目、分布情况等。

将位置信息记录到存储器中，并显示当前空间使用情况。板载的Flash可用保存50994个记录点，按每秒一次计，可连续记录14小时。当空间满了之后，可以将数据转存至TF卡之后重新记录。可实时浏览存储器中的数据，也可将存储器中的记录导出，或者转换成 Google Earth可以识别的KML格式。

图12.3 GPS 记录器的模块框图

GPS 记录器的设计

GPS记录器的模块框图如图12.3所示。数据通信方面，GPS模块通过串口与MCU通信，TF卡和SPI Flash则分别挂载在两个硬件SPI上，LCD通过并行方式与MCU连接。供电方面，采用锂电池(自带过充过放保护电路)供电，由于GPS内置了LDO(低压差线性稳压器)，所以直接与电池连接;另外一路则经3.3V LDO输出给MCU、LCD、Flash和TF卡供电;同时，用STM32自带的ADC模数转换测出锂电池的电压，以此估算剩余电池电量。图12.4为根据框图设计出的PCB原理图。