SpaceX:s Starlink-satelliter kan göra den amerikanska arméns navigering svår att störa

Vy över jorden från SpaceXs Starlink SpaceX

SpaceX har redan sänt upp mer än 700 Starlink-satelliter, och tusentals fler kommer att komma online under de kommande åren. Deras främsta uppdrag är att tillhandahålla höghastighetsinternet praktiskt taget över hela världen, och utöka det till många avlägsna platser som hittills saknat tillförlitlig service.

Nu har forskning finansierad av den amerikanska armén kommit fram till att den växande megakonstellation kan ha ett sekundärt syfte: fördubbling som ett billigt, mycket exakt och nästan okomplicerat alternativ till GPS. Den nya metoden skulle använda befintliga Starlink-satelliter i låg jordomloppsbana (LEO) för att tillhandahålla nära-globala navigationstjänster.

I en icke-referentgranskad papper , Todd Humphreys och Peter Iannucci från Radionavigationslaboratorium vid University of Texas i Austin hävdar att de har utvecklat ett system som använder samma satelliter, piggybacking på traditionella GPS-signaler, för att leverera platsprecision upp till 10 gånger så bra som GPS, i ett system som är mycket mindre utsatt för störningar.

Svaga signaler

Global Positioning System består av en konstellation av cirka 30 satelliter som kretsar 20 000 kilometer över jorden. Varje satellit sänder kontinuerligt en radiosignal som innehåller dess position och den exakta tiden från en mycket exakt atomur ombord. Mottagare på marken kan sedan jämföra hur lång tid det tar för signaler från flera satelliter att komma fram och beräkna deras position, vanligtvis inom några meter.

Problemet med GPS är att dessa signaler är extremt svaga när de når jorden och överväldigas lätt av antingen oavsiktlig störning eller elektronisk krigföring. I Kina, mystiska GPS-attacker har framgångsrikt förfalskat fartyg på falska platser, medan GPS-signaler regelbundet fastnar i östra Medelhavet.

Den amerikanska militären är starkt beroende av GPS. Förra året, den amerikanska armén Futures Command , en ny enhet dedikerad till att modernisera sina styrkor, besökte Humphreys labb för att prata om en startup kallad Coherent Navigation som han var med och grundade 2008. Coherent, som syftade till att använda signaler från Iridium-satelliter som ett grovt alternativ till GPS, förvärvades av Apple 2015 .

De berättade för mig att armén har en relation med SpaceX [den undertecknade ett avtal om att testa Starlink för att flytta data över militära nätverk i maj] och skulle jag vara intresserad av att prata med SpaceX om att använda deras Starlink-satelliter på samma sätt som jag använde dessa gamla Iridium satelliter? säger Humphreys. Det fick oss en publik med personer på SpaceX, som gillade det, och armén gav oss ett år på oss att undersöka problemet. Futures Command också gav flera miljoner dollar i finansiering .

Konceptet att använda LEO-satelliter för navigering är inte nytt. Faktum är att några av de första amerikanska rymdfarkosterna som lanserades på 1960-talet var Transit-satelliter som kretsade 1 100 kilometer och gav platsinformation för marinens fartyg och ubåtar. Fördelen med en LEO-konstellation är att signalerna kan vara tusen gånger starkare än GPS. Nackdelen är att varje satellit bara kan betjäna ett litet område under sig, så att tillförlitlig global täckning kräver hundratals eller till och med tusentals satelliter.

Uppgradera och förbättra

Att bygga ett helt nytt nätverk av LEO-satelliter med ultraexakta klockor skulle vara ett dyrt uppdrag. Bay Area uppstart Rumsrymdsystem planerar att göra just det, med målet att skjuta upp en konstellation med minst 300 Pulsar-satelliter under de kommande sex åren.

Humphreys och Iannuccis idé är annorlunda: de skulle använda en enkel mjukvaruuppgradering för att modifiera Starlinks satelliter så att deras kommunikationsförmåga och befintliga GPS-signaler skulle kunna tillhandahålla positions- och navigeringstjänster.

De hävdar att deras nya system till och med, kontraintuitivt, kan leverera bättre noggrannhet för de flesta användare än den GPS-teknik det förlitar sig på. Det beror på att GPS-mottagaren på varje Starlink-satellit använder algoritmer som sällan finns i konsumentprodukter för att lokalisera sin plats inom bara några centimeter. Dessa tekniker utnyttjar de fysiska egenskaperna hos GPS-radiosignalen och dess kodning för att förbättra noggrannheten i platsberäkningarna. I huvudsak kan Starlink-satelliterna göra det tunga beräkningslyftet för sina användare nedan.

Starlink-satelliterna är också i huvudsak internetroutrar i rymden, som kan uppnå 100 megabit per sekund. GPS-satelliter, å andra sidan, kommunicerar med färre än 100 bitar per sekund

Det finns så få bitar per sekund tillgängliga för GPS-överföringar att de inte har råd att inkludera färska, mycket exakta data om var satelliterna faktiskt är, säger Iannucci. Om du har en miljon gånger större möjlighet att skicka ner information från din satellit kan data vara mycket närmare sanningen.

Det nya systemet, som Humphreys kallar fused LEO-navigering, kommer att använda omedelbara omlopps- och klockberäkningar för att lokalisera användare inom 70 centimeter, uppskattar han. De flesta GPS-system i smartphones, klockor och bilar, som jämförelse, är bara några meter exakta.

Men den viktigaste fördelen för Pentagon är att fused LEO-navigering borde vara betydligt svårare att jamma eller förfalska. Inte bara är dess signaler mycket starkare på marknivå, utan antennerna för dess mikrovågsfrekvenser är cirka 10 gånger mer riktade än GPS-antenner. Det betyder att det borde vara lättare att fånga upp de sanna satellitsignalerna snarare än de från en störsändare. Det är åtminstone förhoppningen, säger Humphreys.

Enligt Humphreys och Iannuccis beräkningar skulle deras sammansmälta LEO-navigeringssystem kunna tillhandahålla kontinuerlig navigationstjänst till 99,8 % av världens befolkning, med mindre än 1 % av Starlinks nedlänkskapacitet och mindre än 0,5 % av dess energikapacitet.

Jag tror att detta kan leda till en mer robust och exakt lösning än bara GPS, säger Todd Walter från Stanford Universitys GPS Lab, som inte var involverad i forskningen. Och om du inte behöver ändra Starlinks satelliter är det verkligen en snabb och enkel väg att gå.

Inte heller är navigationstekniken begränsad till bara SpaceX:s satelliter. Den bankrutta OneWeb-konstellationen som den brittiska regeringen köper kan också fungera som en hemodlat navigationssystem , säger Iannucci, även om Starlink är i pole position just nu.

Fused LEO-navigering har dock sina nackdelar. Den initiala Starlink-megakonstellationen förväntas inte fungera över 60 graders latitud, vilket innebär att invånare i Helsingfors kan gå miste om dess fördelar, precis som soldater i framtida omtvistade arktiska eller antarktiska regioner.

Att använda systemet på marken skulle också innebära att lita på SpaceX:s egen Starlink-antenn – som av VD Elon Musk beskrevs som en UFO på en pinne , och förmodligen mycket dyra - snarare än billiga GPS-chips som kan passa in i smartphones och klockor. Varje framtida sammansmält LEO-navigationstjänst skulle, till skillnad från GPS, också komma med en betydande prislapp, inte minst för att SpaceX måste börja se avkastning på sin enorma investering i Starlink . Av dessa skäl tror inte alla att det är vägen framåt.

Vi tittade på det här tillvägagångssättet för länge sedan, och varken de kommersiella eller tekniska möjligheterna var riktigt vettiga, vilket är anledningen till att vi arbetar med en oberoende konstellation, säger Xonas vd Brian Manning.

Varken US Army Futures Command eller SpaceX svarade på förfrågningar om kommentarer, men UT-forskarna hoppas att Musk ska se värdet av den nya tekniken. Det finns en potential här att verkligen förändra navigeringen över hela världen, säger Iannucci.

Rättelse: Vi har ändrat rubriken .

Dölj