SpaceXs Starlink-satellitter kan gøre den amerikanske hærs navigation svær at blokere

Udsigt over jorden fra SpaceX's Starlink SpaceX

SpaceX har allerede opsendt mere end 700 Starlink-satellitter, med tusinder flere, der vil komme online i de kommende år. Deres primære mission er at levere højhastighedsinternet virtuelt over hele verden, og udvide det til mange fjerntliggende steder, der har manglet pålidelig service til dato.

Nu har forskning finansieret af den amerikanske hær konkluderet, at den voksende mega-konstellation kunne have et sekundært formål: at fordoble som et billigt, meget præcist og næsten ujævnt alternativ til GPS. Den nye metode vil bruge eksisterende Starlink-satellitter i lav kredsløb om jorden (LEO) til at levere næsten-globale navigationstjenester.

I en ikke-peer-reviewet papir , Todd Humphreys og Peter Iannucci fra Radionavigationslaboratorium ved University of Texas i Austin hævder at have udtænkt et system, der bruger de samme satellitter, piggybacking på traditionelle GPS-signaler, til at levere placeringspræcision op til 10 gange så god som GPS, i et system, der er meget mindre udsat for interferens.

Svage signaler

Global Positioning System består af en konstellation af omkring 30 satellitter, der kredser 20.000 kilometer over Jorden. Hver satellit udsender kontinuerligt et radiosignal, der indeholder dens position og den nøjagtige tid fra et meget præcist atomur om bord. Modtagere på jorden kan derefter sammenligne, hvor lang tid det tager at ankomme signaler fra flere satellitter og beregne deres position, typisk inden for få meter.

Problemet med GPS er, at disse signaler er ekstremt svage, når de når Jorden, og de bliver let overvældet af enten utilsigtet interferens eller elektronisk krigsførelse. I Kina, mystiske GPS-angreb har med succes forfalsket skibe på falske steder, mens GPS-signaler jævnligt er fastklemt i det østlige Middelhav.

Det amerikanske militær er stærkt afhængig af GPS. Sidste år, den amerikanske hær Fremtidskommando , en ny enhed dedikeret til at modernisere sine styrker, besøgte Humphreys' laboratorium for at tale om en startup kaldet Coherent Navigation, som han havde grundlagt i 2008. Coherent, som havde til formål at bruge signaler fra Iridium-satellitter som et groft alternativ til GPS, blev erhvervet af Apple i 2015 .

De fortalte mig, at hæren har et forhold til SpaceX [den underskrev en aftale om at teste Starlink for at flytte data på tværs af militære netværk i maj], og ville jeg være interesseret i at tale med SpaceX om at bruge deres Starlink-satellitter på samme måde, som jeg brugte disse gamle Iridium satellitter? siger Humphreys. Det fik os til et publikum med folk hos SpaceX, som kunne lide det, og hæren gav os et år til at undersøge problemet. Futures Command også givet flere millioner dollars i finansiering .

Konceptet med at bruge LEO-satellitter til navigation er ikke nyt. Faktisk var nogle af de første amerikanske rumfartøjer, der blev opsendt i 1960'erne, Transit-satellitter, der kredsede i 1.100 kilometer, og gav oplysninger om placeringen af ​​flådens skibe og ubåde. Fordelen ved en LEO-konstellation er, at signalerne kan være tusind gange stærkere end GPS. Ulempen er, at hver satellit kun kan betjene et lille område under den, så pålidelig global dækning kræver hundredvis eller endda tusindvis af satellitter.

Opgrader og forbedre

At bygge et helt nyt netværk af LEO-satellitter med ultranøjagtige ure ville være en dyr opgave. Bay Area opstart Rum og rumsystemer planlægger at gøre netop det med det formål at opsende en konstellation af mindst 300 Pulsar-satellitter i løbet af de næste seks år.

Humphreys og Iannuccis idé er anderledes: de ville bruge en simpel softwareopgradering til at ændre Starlinks satellitter, så deres kommunikationsevner og eksisterende GPS-signaler kunne levere positions- og navigationstjenester.

De hævder, at deres nye system endda, kontraintuitivt, kan levere bedre nøjagtighed for de fleste brugere end den GPS-teknologi, det er afhængig af. Det skyldes, at GPS-modtageren på hver Starlink-satellit bruger algoritmer, der sjældent findes i forbrugerprodukter, til at lokalisere dens placering inden for blot et par centimeter. Disse teknologier udnytter GPS-radiosignalets fysiske egenskaber og dets kodning til at forbedre nøjagtigheden af ​​lokaliseringsberegninger. I det væsentlige kan Starlink-satellitterne udføre de tunge beregningsmæssige løft for deres brugere nedenfor.

Starlink-satellitterne er også i det væsentlige internetroutere i rummet, der er i stand til at opnå 100 megabit pr. sekund. GPS-satellitter kommunikerer på den anden side med færre end 100 bits i sekundet

Der er så få bits i sekundet til rådighed for GPS-transmissioner, at de ikke har råd til at inkludere friske, meget nøjagtige data om, hvor satellitterne faktisk er, siger Iannucci. Hvis du har en million gange større mulighed for at sende information ned fra din satellit, kan dataene være meget tættere på sandheden.

Det nye system, som Humphreys kalder fusioneret LEO-navigation, vil bruge øjeblikkelige kredsløbs- og urberegninger til at lokalisere brugere til inden for 70 centimeter, vurderer han. De fleste GPS-systemer i smartphones, ure og biler er til sammenligning kun nøjagtige ned til få meter.

Men den vigtigste fordel for Pentagon er, at fusioneret LEO-navigation burde være betydeligt sværere at jamme eller forfalske. Ikke alene er dets signaler meget stærkere ved jordoverfladen, men antennerne for dets mikrobølgefrekvenser er omkring 10 gange mere retningsbestemte end GPS-antenner. Det betyder, at det burde være lettere at opfange de sande satellitsignaler frem for dem fra en jammer. Det er i hvert fald håbet, siger Humphreys.

Ifølge Humphreys og Iannuccis beregninger kunne deres sammensmeltede LEO-navigationssystem levere kontinuerlig navigationsservice til 99,8 % af verdens befolkning ved at bruge mindre end 1 % af Starlinks downlink-kapacitet og mindre end 0,5 % af energikapaciteten.

Jeg tror, ​​at dette kunne føre til en mere robust og præcis løsning end GPS alene, siger Todd Walter fra Stanford Universitys GPS Lab, som ikke var involveret i forskningen. Og hvis du ikke behøver at ændre Starlinks satellitter, er det bestemt en hurtig, enkel vej at gå.

Navigationsteknologien er heller ikke begrænset til kun SpaceX’s satellitter. Den konkursramte OneWeb-konstellation, som den britiske regering køber, kunne også fungere som en hjemmedyrket navigationssystem , siger Iannucci, selvom Starlink lige nu er i pole position.

Fused LEO navigation har dog sine ulemper. Den oprindelige Starlink mega-konstellation forventes ikke at fungere over 60 graders breddegrad, hvilket betyder, at indbyggerne i Helsinki kan gå glip af fordelene, ligesom soldater i fremtidige omstridte arktiske eller antarktiske områder.

At bruge systemet på jorden ville også betyde at stole på SpaceX's egen Starlink-antenne - beskrevet af CEO Elon Musk som at ligne en UFO på en pind , og sandsynligvis meget dyrt – frem for billige GPS-chips, der kan passe ind i smartphones og ure. Enhver fremtidig fusioneret LEO-navigationstjeneste ville, i modsætning til GPS, også komme med et betydeligt prisskilt, ikke mindst fordi SpaceX skal begynde at se et afkast af sin enorme investering i Starlink . Af disse grunde tror ikke alle, at det er vejen frem.

Vi har set på denne tilgang for længe siden, og hverken de kommercielle eller tekniske muligheder gav rigtig mening, og derfor arbejder vi på en uafhængig konstellation, siger Xona CEO Brian Manning.

Hverken US Army Futures Command eller SpaceX reagerede på anmodninger om kommentarer, men UT-forskerne håber, at Musk vil se værdien af ​​den nye teknologi. Der er et potentiale her for virkelig at ændre navigation på verdensplan, siger Iannucci.

Rettelse: Vi har ændret overskriften .

skjule