Satelity Starlink SpaceX mogą utrudnić nawigację US Army

Widok Ziemi ze Starlink SpaceX SpaceX

SpaceX wystrzelił już ponad 700 satelitów Starlink, a kolejne tysiące mają pojawić się w sieci w nadchodzących latach. Ich główną misją jest dostarczanie szybkiego Internetu praktycznie na całym świecie, rozszerzając go na wiele odległych lokalizacji, w których do tej pory brakowało niezawodnych usług.

Teraz badania finansowane przez armię amerykańską wykazały, że rosnący… mega-konstelacja może mieć drugorzędny cel: podwojenie jako tania, bardzo dokładna i prawie niezakłócona alternatywa dla GPS. Nowa metoda wykorzystywałaby istniejące satelity Starlink na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) do świadczenia niemal globalnych usług nawigacyjnych.

W nierecenzowanym papier , Todd Humphreys i Peter Iannucci z Laboratorium Radionawigacyjne na University of Texas w Austin opracowali system, który wykorzystuje te same satelity, wykorzystując tradycyjne sygnały GPS, aby zapewnić precyzję lokalizacji do 10 razy większą niż GPS, w systemie znacznie mniej podatnym na zakłócenia.

Słabe sygnały

Globalny system pozycjonowania składa się z konstelacji około 30 satelitów krążących na orbicie 20 000 kilometrów nad Ziemią. Każdy satelita nieprzerwanie nadaje sygnał radiowy zawierający jego pozycję i dokładny czas z bardzo precyzyjnego zegara atomowego na pokładzie. Odbiorniki naziemne mogą następnie porównać czas potrzebny na przybycie sygnałów z wielu satelitów i obliczyć swoją pozycję, zwykle z dokładnością do kilku metrów.

Problem z GPS polega na tym, że sygnały te są bardzo słabe, zanim dotrą do Ziemi i łatwo je przytłoczyć przypadkowymi zakłóceniami lub wojną elektroniczną. W Chinach, tajemnicze ataki GPS udało się sfałszować statki w fałszywych lokalizacjach, podczas gdy sygnały GPS są regularnie blokowane we wschodniej części Morza Śródziemnego.

Wojsko USA w dużym stopniu polega na GPS. W zeszłym roku armia amerykańska Dowództwo kontraktów terminowych , nowa jednostka poświęcona modernizacji swoich sił, odwiedziła laboratorium Humphreysa, aby porozmawiać o startupie o nazwie Coherent Navigation, którego był współzałożycielem w 2008 roku. Coherent, który miał na celu wykorzystanie sygnałów z satelitów Iridium jako surową alternatywę dla GPS, został przejęty przez Apple w 2015 .

Powiedzieli mi, że armia ma związek ze SpaceX [podpisała umowę na przetestowanie Starlink w celu przesyłania danych przez sieci wojskowe w maju] i czy byłbym zainteresowany rozmową ze SpaceX na temat korzystania z ich satelitów Starlink w taki sam sposób, w jaki używałem tych starych Iridium satelity? — mówi Humphreys. To dało nam audiencję wśród ludzi ze SpaceX, którym to się podobało, a armia dała nam rok na zbadanie problemu. Dowództwo Futures również zapewnił kilka milionów dolarów dofinansowania .

Koncepcja wykorzystania satelitów LEO do nawigacji nie jest nowa. W rzeczywistości niektóre z pierwszych amerykańskich statków kosmicznych wystrzelonych w latach 60. XX wieku były satelitami tranzytowymi krążącymi na orbicie 1100 kilometrów, dostarczającymi informacji o lokalizacji okrętów i okrętów podwodnych Marynarki Wojennej. Zaletą konstelacji LEO jest to, że sygnały mogą być tysiąc razy silniejsze niż GPS. Wadą jest to, że każdy satelita może obsługiwać tylko niewielki obszar pod nim, więc niezawodny globalny zasięg wymaga setek, a nawet tysięcy satelitów.

Uaktualnij i ulepsz

Budowa zupełnie nowej sieci satelitów LEO z ultra-dokładnymi zegarami byłaby kosztownym przedsięwzięciem. Uruchomienie obszaru zatoki Systemy pomieszczeń pokojowych planuje to zrobić, dążąc do wystrzelenia konstelacji co najmniej 300 satelitów Pulsar w ciągu najbliższych sześciu lat.

Pomysł Humphreysa i Iannucciego jest inny: wykorzystaliby prostą aktualizację oprogramowania do modyfikacji satelitów Starlink, aby ich zdolności komunikacyjne i istniejące sygnały GPS mogły zapewniać usługi pozycjonowania i nawigacji.

Twierdzą, że ich nowy system może nawet, wbrew intuicji, zapewnić większą dokładność dla większości użytkowników niż technologia GPS, na której opiera się. Dzieje się tak, ponieważ odbiornik GPS na każdym satelicie Starlink wykorzystuje algorytmy rzadko spotykane w produktach konsumenckich, aby określić jego lokalizację w odległości zaledwie kilku centymetrów. Technologie te wykorzystują właściwości fizyczne sygnału radiowego GPS i jego kodowania, aby poprawić dokładność obliczeń lokalizacji. Zasadniczo satelity Starlink mogą wykonywać ciężkie obliczenia obliczeniowe dla swoich użytkowników poniżej.

Satelity Starlink są również zasadniczo routerami internetowymi w kosmosie, zdolnymi do osiągnięcia 100 megabitów na sekundę. Z drugiej strony satelity GPS komunikują się z prędkością mniejszą niż 100 bitów na sekundę

Jest tak mało bitów na sekundę dostępnych dla transmisji GPS, że nie mogą sobie pozwolić na włączenie świeżych, bardzo dokładnych danych o tym, gdzie faktycznie znajdują się satelity, mówi Iannucci. Jeśli masz milion razy więcej możliwości wysłania informacji ze swojego satelity, dane mogą być znacznie bliższe prawdy.

Nowy system, który Humphreys nazywa skondensowaną nawigacją LEO, będzie wykorzystywał natychmiastowe obliczenia orbity i zegara, aby zlokalizować użytkowników z dokładnością do 70 centymetrów. Dla porównania większość systemów GPS w smartfonach, zegarkach i samochodach ma dokładność tylko kilku metrów.

Jednak kluczową zaletą Pentagonu jest to, że połączona nawigacja LEO powinna być znacznie trudniejsza do zacięcia lub sfałszowania. Nie tylko jego sygnały są znacznie silniejsze na poziomie gruntu, ale anteny dla częstotliwości mikrofalowych są około 10 razy bardziej kierunkowe niż anteny GPS. Oznacza to, że powinno być łatwiej odbierać prawdziwe sygnały satelitarne niż te z jammera. Przynajmniej taka jest nadzieja, mówi Humphreys.

Według obliczeń Humphreysa i Iannucci ich połączony system nawigacji LEO może zapewnić ciągłą nawigację 99,8% światowej populacji, wykorzystując mniej niż 1% przepustowości łącza w dół Starlink i mniej niż 0,5% jego pojemności energetycznej.

Myślę, że może to prowadzić do bardziej niezawodnego i dokładnego rozwiązania niż sam GPS, mówi Todd Walter z laboratorium GPS na Uniwersytecie Stanforda, który nie był zaangażowany w badania. A jeśli nie musisz modyfikować satelitów Starlink, z pewnością jest to szybka i prosta droga.

Również technologia nawigacji nie ogranicza się tylko do satelitów SpaceX. Zbankrutowana konstelacja OneWeb, którą kupuje rząd Wielkiej Brytanii, może również służyć jako własny system nawigacji , mówi Iannucci, chociaż Starlink jest teraz na najlepszej pozycji.

Fused nawigacja LEO ma jednak swoje wady. Oczekuje się, że początkowa megakonstelacja Starlink nie będzie działać powyżej 60 stopni szerokości geograficznej, co oznacza, że ​​mieszkańcy Helsinek mogą stracić korzyści, podobnie jak żołnierze we wszelkich przyszłych spornych regionach Arktyki lub Antarktyki.

Korzystanie z systemu na ziemi oznaczałoby również poleganie na własnej antenie Starlink SpaceX – opisanej przez dyrektora generalnego Elona Muska jako wyglądającej jak UFO na patyku i prawdopodobnie bardzo drogie — zamiast tanich chipów GPS, które pasują do smartfonów i zegarków. Każda przyszła fuzyjna usługa nawigacji LEO, w przeciwieństwie do GPS, miałaby również znaczną cenę, nie tylko dlatego, że SpaceX musi zacząć widzieć zwrot z ogromnej inwestycji w Starlink . Z tych powodów nie wszyscy uważają, że jest to droga naprzód.

Przyglądaliśmy się temu podejściu dawno temu i ani możliwości komercyjne, ani techniczne nie miały sensu, dlatego pracujemy nad niezależną konstelacją – mówi Brian Manning, dyrektor generalny Xony.

Ani US Army Futures Command, ani SpaceX nie odpowiedziały na prośby o komentarz, ale naukowcy z UT mają nadzieję, że Musk dostrzeże wartość nowej technologii. Jest tutaj potencjał, aby naprawdę zmienić nawigację na całym świecie, mówi Iannucci.

Poprawka: zmieniliśmy nagłówek .

ukryć