I ricercatori utilizzano i satelliti Starlink per individuare la posizione, in modo simile al GPS

Posted on
Ingrandire / Il razzo SpaceX Falcon 9 che trasporta 60 satelliti Starlink viene lanciato dal Kennedy Space Center il 6 ottobre 2020 a Cape Canaveral, in Florida.

I segnali dei satelliti a banda larga SpaceX Starlink possono essere utilizzati per individuare le posizioni sulla Terra con una precisione entro 8 metri, hanno riferito i ricercatori di ingegneria in un nuovo documento sottoposto a revisione paritaria. Il loro rapporto fa parte di un crescente corpo di ricerca sull’utilizzo dei segnali dei satelliti in orbita terrestre bassa (LEO) per la navigazione, in modo simile a come funziona il GPS.

Questa tecnologia non sostituirà presto l’applicazione della mappa del tuo smartphone e questo esperimento iniziale apparentemente ha richiesto 13 minuti di tracciamento di sei satelliti Starlink per individuare una posizione sulla Terra. Ma i ricercatori sono stati in grado di realizzare l’impresa di localizzazione senza alcun aiuto da SpaceX e affermano che il test dimostra che il metodo potrebbe essere utilizzato per la navigazione.

“I ricercatori non hanno avuto bisogno dell’assistenza di SpaceX per utilizzare i segnali satellitari e hanno sottolineato che non avevano accesso ai dati effettivi inviati attraverso i satelliti, ma solo alle informazioni relative alla posizione e al movimento del satellite”, un Articolo di notizie dello stato dell’Ohio disse.

“Abbiamo intercettato il segnale, quindi abbiamo progettato algoritmi sofisticati per individuare la nostra posizione e abbiamo dimostrato che funziona con grande precisione”, Zak Kassas, direttore di CARMEN (Center for Automated Vehicle Research with Multimodal AssurEd Navigation), un centro finanziato dal Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti presso la Ohio State University, afferma nell’articolo. “E anche se Starlink non è stato progettato per scopi di navigazione, abbiamo dimostrato che era possibile apprendere parti del sistema abbastanza bene da utilizzarlo per la navigazione”.

La ricerca è stata condotta da Kassas insieme a Joe Khalife (un borsista post-dottorato presso l’Università della California, Irvine) e Mohammad Neinavaie (uno studente di dottorato all’UC-Irvine). Kassas è anche un professore dell’UC-Irvine e direttore del Laboratorio Autonomous Systems Perception, Intelligence e Navigation (ASPIN), mentre Khalife e Neinavaie sono membri del laboratorio. Il loro esperimento è stato condotto utilizzando un’antenna nel campus della UC Irvine.

Kassas ha affermato che il suo “team ha utilizzato tecniche simili con altre costellazioni di satelliti in orbita terrestre bassa, ma con meno precisione, individuando posizioni entro circa 23 metri”, secondo l’articolo di Ohio State News. “Il team ha anche lavorato con l’aeronautica statunitense per individuare le posizioni degli aerei ad alta quota; sono stati in grado di arrivare entro 5 metri utilizzando segnali cellulari terrestri”, ha affermato Kassas nell’articolo. Il GPS fornisce segnali con errori medi di meno di 1 metro.

Il documento si intitola I primi risultati di monitoraggio e posizionamento della fase portante con i segnali satellitari Starlink LEO ed era pubblicato la scorsa settimana sulla rivista IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. I ricercatori hanno anche presentato i loro risultati a una conferenza dell’Istituto di navigazione. Il loro lavoro è stato finanziato da sovvenzioni dell’Ufficio per la ricerca navale degli Stati Uniti, della National Science Foundation e del Dipartimento dei trasporti.

“Segnali di opportunità”

Il documento dei ricercatori ha affermato che “vari studi teorici e sperimentali” hanno considerato la possibilità di utilizzare “segnali di opportunità” dai satelliti a banda larga LEO per la navigazione.

“Con SpaceX che ha lanciato più di mille veicoli spaziali (SV) in LEO, è iniziata una rinascita nella navigazione basata su LEO”, hanno scritto. “I segnali degli SV LEO vengono ricevuti con una potenza maggiore rispetto all’orbita terrestre media (MEO) dove GNSS [Global Navigation Satellite System] Gli SV risiedono. Inoltre, gli SV LEO sono più abbondanti degli SV GNSS per compensare l’ingombro ridotto e i loro segnali sono spazialmente e spettralmente diversi”.

Un altro vantaggio dei satelliti LEO è che “non richiedono servizi o infrastrutture aggiuntivi e costosi dal provider di banda larga”. Ma questo non significa che il compito dei ricercatori fosse facile. “Tuttavia, i fornitori di banda larga di solito non rivelano la struttura del segnale trasmesso per proteggere la loro proprietà intellettuale. Pertanto, si dovrebbe sezionare i segnali LEO SV per disegnare osservabili di navigazione”, hanno scritto.

Il riepilogo della presentazione della conferenza dei ricercatori ha osservato che i fornitori di banda larga potrebbero modificare i loro protocolli per supportare la navigazione. Ma i ricercatori sostengono che il loro approccio di terze parti è più praticabile nonostante richieda “architetture di ricevitori più sofisticate”.

“[T]modificare i protocolli esistenti per supportare le capacità di navigazione richiede modifiche significative all’infrastruttura esistente, il cui costo potrebbe non essere sostenuto da società private come OneWeb, SpaceX, Boeing e altre, che stanno pianificando di lanciare decine di migliaia di satelliti Internet a banda larga in LEO. disposti a pagare”, hanno scritto. “Inoltre, se queste società accettano tale costo aggiuntivo, non ci saranno garanzie che non addebiteranno agli utenti servizi di navigazione aggiuntivi. In queste circostanze, sfruttare opportunisticamente i segnali satellitari LEO a banda larga diventa un approccio più praticabile”.

Un nuovo algoritmo

I ricercatori hanno precedentemente considerato un “approccio cognitivo per tracciare la frequenza Doppler di segnali LEO SV sconosciuti”, ma hanno affermato nel loro articolo più recente che questo metodo “non può stimare la fase del vettore, né può essere adottato qui poiché richiede la conoscenza del periodo di il beacon all’interno del segnale trasmesso, che è sconosciuto nel caso di Starlink LEO SV.” Per superare quella barriera, “sviluppare[ed] un algoritmo di tracciamento della fase portante per i segnali Starlink senza previa conoscenza della loro struttura.”

Il giornale diceva:

Poco si sa dei segnali di downlink Starlink o della loro interfaccia aerea in generale, ad eccezione delle frequenze e delle larghezze di banda del canale. Non è possibile progettare facilmente un ricevitore per tracciare i segnali Starlink con le suddette informazioni solo poiché è necessaria una comprensione più profonda dei segnali. Le radio definite dal software (SDR) sono utili in tali situazioni, poiché consentono di campionare le bande dello spettro delle radiofrequenze. Tuttavia, ci sono due sfide principali per il campionamento dei segnali Starlink: (i) i segnali vengono trasmessi nelle bande Ku/Ka, che è al di là delle frequenze portanti che la maggior parte degli SDR commerciali può supportare, e (ii) le larghezze di banda del canale downlink possono essere aumentate a 240 MHz, che supera anche le capacità degli attuali SDR commerciali. La prima sfida può essere risolta utilizzando un mixer/downconverter tra l’antenna e l’SDR. Tuttavia, la larghezza di banda di campionamento può essere alta solo quanto consentito dall’SDR. In generale, i framework di navigazione opportunistica non richiedono molte informazioni dalla fonte di comunicazione/navigazione (ad esempio, decodifica di dati di telemetria o effemeridi o sincronizzazione con un determinato preambolo). Pertanto, lo scopo del ricevitore è quello di sfruttare abbastanza segnale di downlink per essere in grado [to] produrre osservabili di navigazione grezzi (ad es. Doppler e fase portante).

Monitoraggio di sei satelliti per 800 secondi

Durante l’esperimento, “una periferica radio software universale (USRP) 2945R di National Instruments (NI) fissa era dotata di un’antenna Ku di livello consumer e di un downconverter a blocchi a basso rumore (LNB) per ricevere segnali Starlink nella banda Ku”, hanno ha scritto. “La larghezza di banda di campionamento è stata impostata su 2,5 MHz e la frequenza portante è stata impostata su 11,325 GHz, che è una delle frequenze di downlink di Starlink”.

I ricercatori hanno registrato i segnali Starlink per 800 secondi, o circa 13,3 minuti. “Durante questo periodo, un totale di sei Starlink SV che trasmettevano a 11,325 GHz sono passati sul ricevitore, uno alla volta”, hanno scritto. I ricercatori hanno archiviato campioni dei segnali Ku “per l’elaborazione off-line”.

La posizione del destinatario è stata stimata utilizzando uno stimatore dei minimi quadrati non lineari ponderati (WNLS). Il risultato è stato di 25,9 metri dalla posizione reale, ma l’errore è sceso a meno di 8 metri “dotando il ricevitore di un altimetro (per conoscere la sua altitudine)”.

La conclusione del documento diceva:

Questa lettera mostrava i primi risultati di rilevamento e posizionamento della fase portante con segnali SV LEO Starlink reali. È stato formulato un modello del segnale trasmesso di uno Starlink SV ed è stato sviluppato un algoritmo di tracciamento della fase portante adattivo basato su KF (filtro di Kalman) per tracciare il segnale Starlink. I risultati sperimentali hanno mostrato il tracciamento della fase portante di sei SV LEO Starlink per un periodo di circa 800 La prestazione di posizionamento risultante è stata: errore 2–D di 7,7 m quando l’altitudine del ricevitore è nota e errore 2–D di 25,9 m e errore 3–D di 33,5 m quando l’altitudine del ricevitore è sconosciuta.

SpaceX ha lanciato oltre 1.700 satelliti ma prevede di farlo alla fine lancia decine di migliaia al fine di ampliare la capacità e la disponibilità del servizio a banda larga. Questi satelliti aggiuntivi presumibilmente renderebbero anche più facile costruire sistemi di navigazione del tipo previsto nella nuova ricerca.

Abbiamo contattato i ricercatori oggi per chiedere informazioni sulle prospettive di utilizzo dei satelliti Starlink per ottenere risultati di localizzazione in qualcosa di più vicino al tempo reale e su come prevedono che i sistemi basati su LEO vengano utilizzati per la navigazione quando i metodi e la tecnologia sono più avanzati. Aggiorneremo questo articolo se riceviamo una risposta.

Aggiornare: Kassas ci ha risposto e fornito ulteriori informazioni sull’esperimento, annotando in un’e-mail che “abbiamo aspettato 800 secondi per ricevere segnali da sei satelliti, poiché non siamo ancora in grado di vedere sei satelliti sopra di noi contemporaneamente”. Ciò cambierà man mano che SpaceX lancerà più satelliti. “Stiamo preparando un altro esperimento per la stima della posizione in tempo reale in cui utilizzeremo quattro segnali satellitari Starlink contemporaneamente sopra di noi”, ha detto Kassas.

Alla fine, il piano di SpaceX di lanciare decine di migliaia di satelliti “consentirà sia la navigazione in tempo reale che un livello di precisione molto più elevato di quello che abbiamo raggiunto finora”, ha affermato. A lungo termine, Kassas lo vede come “un sistema di navigazione autonomo” invece di uno che si limita a integrare il GPS. “I segnali GPS sono facilmente disturbabili e falsificabili e non sono affidabili/utilizzabili in molti ambienti (ad esempio, canyon urbani profondi, al chiuso e sotto la chioma degli alberi)”, ha affermato. “Speriamo che i satelliti LEO forniscano un sistema di navigazione alternativo, resiliente e accurato, se/quando i segnali GPS non sono disponibili o sono compromessi”.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *