SpaceXs Starlink-satellitter kan gjøre den amerikanske hærens navigasjon vanskelig å blokkere

Utsikt over jorden fra SpaceXs Starlink SpaceX

SpaceX har allerede lansert mer enn 700 Starlink-satellitter, med tusenvis flere som vil komme online i årene som kommer. Deres viktigste oppgave er å tilby høyhastighetsinternett praktisk talt over hele verden, og utvide det til mange avsidesliggende steder som har manglet pålitelig service til dags dato.

Nå har forskning finansiert av den amerikanske hæren konkludert med at den økende megakonstellasjon kan ha et sekundært formål: dobling som et rimelig, svært nøyaktig og nesten ustoppelig alternativ til GPS. Den nye metoden vil bruke eksisterende Starlink-satellitter i lav jordbane (LEO) for å tilby nesten-globale navigasjonstjenester.

I en ikke-fagfellevurdert papir , Todd Humphreys og Peter Iannucci fra Radionavigasjonslaboratorium ved University of Texas i Austin hevder å ha utviklet et system som bruker de samme satellittene, piggybacking på tradisjonelle GPS-signaler, for å levere plasseringspresisjon opptil 10 ganger så god som GPS, i et system som er mye mindre utsatt for forstyrrelser.

Svake signaler

Global Positioning System består av en konstellasjon av rundt 30 satellitter som kretser 20 000 kilometer over jorden. Hver satellitt sender kontinuerlig et radiosignal som inneholder dens posisjon og den nøyaktige tiden fra en svært presis atomklokke om bord. Mottakere på bakken kan deretter sammenligne hvor lang tid det tar for signaler fra flere satellitter å ankomme og beregne posisjonen deres, vanligvis innen noen få meter.

Problemet med GPS er at disse signalene er ekstremt svake når de når jorden, og blir lett overveldet av enten utilsiktet forstyrrelse eller elektronisk krigføring. I Kina, mystiske GPS-angrep har lykkes med å forfalske skip på falske steder, mens GPS-signaler jevnlig fastkjøres i det østlige Middelhavet.

Det amerikanske militæret er avhengig av GPS. I fjor, den amerikanske hæren Futures Command , en ny enhet dedikert til å modernisere styrkene sine, besøkte Humphreys laboratorie for å snakke om en oppstart kalt Coherent Navigation han hadde medstiftet i 2008. Coherent, som hadde som mål å bruke signaler fra Iridium-satellitter som et grovt alternativ til GPS, ble kjøpt opp av Apple i 2015 .

De fortalte meg at hæren har et forhold til SpaceX [den signerte en avtale om å teste Starlink for å flytte data på tvers av militære nettverk i mai] og ville jeg være interessert i å snakke med SpaceX om å bruke deres Starlink-satellitter på samme måte som jeg brukte disse gamle Iridium satellitter? sier Humphreys. Det fikk oss et publikum med folk på SpaceX, som likte det, og hæren ga oss et år på å se på problemet. Futures Command også gitt flere millioner dollar i finansiering .

Konseptet med å bruke LEO-satellitter for navigasjon er ikke nytt. Faktisk var noen av de første amerikanske romfartøyene som ble lansert på 1960-tallet Transit-satellitter som gikk i bane rundt 1100 kilometer, og ga plasseringsinformasjon for marinens skip og ubåter. Fordelen med en LEO-konstellasjon er at signalene kan være tusen ganger sterkere enn GPS. Ulempen er at hver satellitt kun kan betjene et lite område under den, slik at pålitelig global dekning krever hundrevis eller til og med tusenvis av satellitter.

Oppgrader og forbedre

Å bygge et helt nytt nettverk av LEO-satellitter med ultranøyaktige klokker vil være en kostbar oppgave. Bay Area oppstart Romromssystemer planlegger å gjøre nettopp det, med sikte på å lansere en konstellasjon med minst 300 Pulsar-satellitter i løpet av de neste seks årene.

Humphreys og Iannuccis idé er annerledes: de ville bruke en enkel programvareoppgradering for å modifisere Starlinks satellitter slik at deres kommunikasjonsevner og eksisterende GPS-signaler kan gi posisjons- og navigasjonstjenester.

De hevder at deres nye system til og med, kontraintuitivt, kan levere bedre nøyaktighet for de fleste brukere enn GPS-teknologien den er avhengig av. Det er fordi GPS-mottakeren på hver Starlink-satellitt bruker algoritmer som sjelden finnes i forbrukerprodukter, for å finne plasseringen innen bare noen få centimeter. Disse teknologiene utnytter de fysiske egenskapene til GPS-radiosignalet, og dets koding, for å forbedre nøyaktigheten til plasseringsberegninger. I hovedsak kan Starlink-satellittene gjøre det tunge beregningsløftet for brukerne nedenfor.

Starlink-satellittene er også i hovedsak Internett-rutere i verdensrommet, som er i stand til å oppnå 100 megabit per sekund. GPS-satellitter, derimot, kommuniserer med færre enn 100 bits per sekund

Det er så få bits per sekund tilgjengelig for GPS-overføringer at de ikke har råd til å inkludere ferske, svært nøyaktige data om hvor satellittene faktisk er, sier Iannucci. Hvis du har en million ganger større mulighet til å sende informasjon ned fra satellitten din, kan dataene være mye nærmere sannheten.

Det nye systemet, som Humphreys kaller fused LEO-navigasjon, vil bruke umiddelbare bane- og klokkeberegninger for å lokalisere brukere til innenfor 70 centimeter, anslår han. De fleste GPS-systemer i smarttelefoner, klokker og biler er til sammenligning bare noen få meter nøyaktige.

Men den viktigste fordelen for Pentagon er at sammensmeltet LEO-navigasjon bør være betydelig vanskeligere å blokkere eller forfalske. Ikke bare er signalene mye sterkere på bakkenivå, men antennene for mikrobølgefrekvensene er omtrent 10 ganger mer retningsbestemte enn GPS-antenner. Det betyr at det burde være lettere å fange opp de sanne satellittsignalene i stedet for de fra en jammer. Det er i hvert fall håpet, sier Humphreys.

I følge Humphreys og Iannuccis beregninger kan deres sammensmeltede LEO-navigasjonssystem gi kontinuerlig navigasjonstjeneste til 99,8 % av verdens befolkning, ved å bruke mindre enn 1 % av Starlinks nedlinkkapasitet og mindre enn 0,5 % av energikapasiteten.

Jeg tror dette kan føre til en mer robust og nøyaktig løsning enn GPS alene, sier Todd Walter fra Stanford Universitys GPS Lab, som ikke var involvert i forskningen. Og hvis du ikke trenger å endre Starlinks satellitter, er det absolutt en rask, enkel vei å gå.

Navigasjonsteknologien er heller ikke begrenset til bare SpaceXs satellitter. Den konkursrammede OneWeb-konstellasjonen som den britiske regjeringen kjøper kan også fungere som en hjemmedyrket navigasjonssystem , sier Iannucci, selv om Starlink er i polposisjon akkurat nå.

Fused LEO-navigasjon har imidlertid sine ulemper. Den første Starlink-megakonstellasjonen forventes ikke å operere over 60 breddegrader, noe som betyr at innbyggere i Helsingfors kan gå glipp av fordelene, og det samme vil soldater i eventuelle fremtidige omstridte arktiske eller antarktiske områder.

Å bruke systemet på bakken vil også bety å stole på SpaceXs egen Starlink-antenne – beskrevet av administrerende direktør Elon Musk som å se ut som en UFO på en pinne , og sannsynligvis veldig dyrt – heller enn billige GPS-brikker som kan passe inn i smarttelefoner og klokker. Enhver fremtidig sammensmeltet LEO-navigasjonstjeneste vil, i motsetning til GPS, også ha en betydelig prislapp, ikke minst fordi SpaceX må begynne å se avkastning på sin enorme investering i Starlink . Av disse grunnene tror ikke alle at det er veien videre.

Vi så på denne tilnærmingen for lenge siden, og verken de kommersielle eller tekniske egenskapene ga virkelig mening, og det er grunnen til at vi jobber med en uavhengig konstellasjon, sier Xona-sjef Brian Manning.

Verken US Army Futures Command eller SpaceX svarte på forespørsler om kommentarer, men UT-forskerne håper at Musk vil se verdien av den nye teknologien. Det er et potensial her for å virkelig endre navigasjon over hele verden, sier Iannucci.

Rettelse: Vi endret overskriften .

gjemme seg