Los investigadores utilizan los satélites Starlink para identificar la ubicación, similar al GPS

Agrandar / El cohete SpaceX Falcon 9 con 60 satélites Starlink se lanza desde el Centro Espacial Kennedy el 6 de octubre de 2020, en Cabo Cañaveral, Florida.

Las señales de los satélites de banda ancha SpaceX Starlink se pueden utilizar para localizar ubicaciones en la Tierra con una precisión de ocho metros, informaron investigadores de ingeniería en un nuevo artículo revisado por pares. Su informe es parte de un creciente cuerpo de investigación sobre el uso de señales de satélites de órbita terrestre baja (LEO) para la navegación, similar a cómo funciona el GPS.

Esta tecnología no reemplazará la aplicación de mapas de su teléfono inteligente en el corto plazo, y este experimento inicial aparentemente requirió 13 minutos de seguimiento de seis satélites Starlink para localizar una ubicación en la Tierra. Pero los investigadores pudieron lograr la hazaña de ubicación sin la ayuda de SpaceX, y dicen que la prueba demuestra que el método podría usarse para la navegación.

“Los investigadores no necesitaron la ayuda de SpaceX para usar las señales de los satélites, y enfatizaron que no tenían acceso a los datos reales que se envían a través de los satélites, solo a la información relacionada con la ubicación y el movimiento del satélite”, agregó. Artículo de Ohio State News dijo.

“Escuchamos a escondidas la señal, y luego diseñamos algoritmos sofisticados para localizar nuestra ubicación, y demostramos que funciona con gran precisión”, Zak Kassas, director de CARMEN (Centro para la investigación de vehículos automatizados con navegación asegurada multimodal), un centro financiado por el Departamento de Transporte de EE. UU. En la Universidad Estatal de Ohio, dijo en el artículo. “Y aunque Starlink no fue diseñado para fines de navegación, demostramos que era posible aprender partes del sistema lo suficientemente bien como para usarlo para la navegación”.

La investigación fue realizada por Kassas junto con Joe Khalife (becario postdoctoral en la Universidad de California, Irvine) y Mohammad Neinavaie (estudiante de doctorado en UC-Irvine). Kassas también es profesor de UC-Irvine y director del Laboratorio de Percepción, Inteligencia y Navegación de Sistemas Autónomos (ASPIN), mientras que Khalife y Neinavaie son miembros del laboratorio. Su experimento se llevó a cabo utilizando una antena en el campus de UC Irvine.

Kassas dijo que su “equipo ha utilizado técnicas similares con otras constelaciones de satélites de órbita terrestre baja, pero con menos precisión, señalando ubicaciones dentro de unos 23 metros”, según el artículo de Ohio State News. “El equipo también ha estado trabajando con la Fuerza Aérea de EE. UU. Para identificar ubicaciones de aviones a gran altitud; pudieron acercarse a 5 metros utilizando señales celulares terrestres”, dijo Kassas. El GPS proporciona señales con errores promedio de menos de un metro.

El documento se titula “Los primeros resultados de posicionamiento y seguimiento de fase de portadora con señales de satélite Starlink LEO” y fue publicado la semana pasada en la revista IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. Los investigadores también presentaron sus hallazgos en una conferencia del Instituto de Navegación. Su trabajo fue financiado por subvenciones de la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Transporte.

“Señales de oportunidad”

El artículo de los investigadores dijo que “varios estudios teóricos y experimentales” han considerado la posibilidad de utilizar “señales de oportunidad” de los satélites de banda ancha LEO para la navegación.

“Con SpaceX lanzando más de mil vehículos espaciales (SV) en LEO, ha comenzado un renacimiento en la navegación basada en LEO”, escribieron. “Las señales de LEO SV se reciben con mayor potencia en comparación con la órbita terrestre media (MEO) donde GNSS [Global Navigation Satellite System] Los SV residen. Además, los LEO SV son más abundantes que los GNSS SV para compensar la huella reducida, y sus señales son espacial y espectralmente diversas “.

Otra ventaja de los satélites LEO es que “no requieren servicios o infraestructura adicionales costosos del proveedor de banda ancha”. Pero eso no significa que la tarea para los investigadores fuera fácil. “Sin embargo, los proveedores de banda ancha no suelen revelar la estructura de la señal transmitida para proteger su propiedad intelectual. Como tal, uno tendría que diseccionar las señales LEO SV para dibujar observables de navegación”, escribieron.

los resumen de la presentación de la conferencia de investigadores señaló que los proveedores de banda ancha podrían cambiar sus protocolos para apoyar la navegación. Pero los investigadores argumentan que su propio enfoque de terceros es más viable a pesar de requerir “arquitecturas de receptor más sofisticadas”.

“[T]Mejorar los protocolos existentes para admitir las capacidades de navegación requiere cambios significativos en la infraestructura existente, cuyo costo puede que las empresas privadas como OneWeb, SpaceX, Boeing y otras, que están planeando lanzar decenas de miles de satélites de Internet de banda ancha en LEO, no sean suficientes. dispuestos a pagar “, escribieron.” Además, si estas empresas están de acuerdo con ese costo adicional, no habrá garantías de que no cobrarán a los usuarios por servicios de navegación adicionales. En estas circunstancias, la explotación de las señales de satélite LEO de banda ancha de forma oportunista se convierte en un enfoque más viable “.

Un nuevo algoritmo

Los investigadores consideraron previamente un “enfoque cognitivo para rastrear la frecuencia Doppler de señales LEO SV desconocidas”, pero dijeron en su artículo más reciente que este método “no puede estimar la fase portadora, ni puede adoptarse aquí, ya que requiere conocimiento del período de la baliza dentro de la señal transmitida, que se desconoce en el caso de Starlink LEO SV “. Para superar esa barrera, “desarrollan[ed] un algoritmo de seguimiento de fase de portadora para señales Starlink sin conocimiento previo de su estructura “.

El periódico decía:

Se sabe poco sobre las señales de enlace descendente de Starlink o su interfaz aérea en general, excepto por las frecuencias de los canales y los anchos de banda. No se puede diseñar fácilmente un receptor para rastrear señales de Starlink con la información antes mencionada solo porque se necesita una comprensión más profunda de las señales. Las radios definidas por software (SDR) son útiles en tales situaciones, ya que permiten muestrear bandas del espectro de radiofrecuencia. Sin embargo, existen dos desafíos principales para el muestreo de señales Starlink: (i) las señales se transmiten en bandas Ku / Ka, que están más allá de las frecuencias portadoras que la mayoría de los SDR comerciales pueden admitir, y (ii) los anchos de banda del canal de enlace descendente pueden aumentar a 240 MHz, que también supera las capacidades de los SDR comerciales actuales. El primer desafío se puede resolver utilizando un mezclador / convertidor descendente entre la antena y el SDR. Sin embargo, el ancho de banda de muestreo solo puede ser tan alto como lo permita el SDR. En general, los marcos de navegación oportunistas no requieren mucha información de la fuente de comunicación / navegación (por ejemplo, decodificación de datos de telemetría o efemérides o sincronización con un determinado preámbulo). Por lo tanto, el objetivo del receptor es aprovechar lo suficiente de la señal del enlace descendente para poder [to] producir observables de navegación sin procesar (p. ej., Doppler y fase portadora).

Seguimiento de seis satélites durante 800 segundos

Durante el experimento, “un periférico de radio de software universal (USRP) 2945R de National Instruments (NI) estacionario estaba equipado con una antena Ku de grado de consumidor y un convertidor descendente de bloque de bajo ruido (LNB) para recibir señales Starlink en la banda Ku”, escribió. “El ancho de banda de muestreo se estableció en 2,5 MHz y la frecuencia portadora se estableció en 11,325 GHz, que es una de las frecuencias de enlace descendente de Starlink”.

Los investigadores registraron las señales de Starlink durante 800 segundos, o aproximadamente 13,3 minutos. “Durante este período, un total de seis Starlink SV que transmiten a 11,325 GHz pasaron por el receptor, uno a la vez”, escribieron. Los investigadores almacenaron muestras de las señales Ku “para su procesamiento fuera de línea”.

La posición del receptor se estimó utilizando un estimador de mínimos cuadrados no lineal ponderado (WNLS). El resultado fue 25,9 metros de la ubicación real, pero el error se redujo a menos de ocho metros al “equipar el receptor con un altímetro (para conocer su altitud)”.

La conclusión del artículo decía:

Esta carta mostraba los primeros resultados de seguimiento y posicionamiento de la fase de la portadora con señales reales de Starlink LEO SV. Se formuló un modelo de la señal transmitida de Starlink SV y se desarrolló un algoritmo de seguimiento de fase de portadora basado en KF (filtro de Kalman) adaptativo para rastrear la señal de Starlink. Los resultados experimentales mostraron el seguimiento de fase de portadora de seis SV de Starlink LEO durante un período de aproximadamente 800 El rendimiento de posicionamiento resultante fue: error 2 – D de 7,7 m cuando se conoce la altitud del receptor, y error 2 – D de 25,9 m y error 3 – D de 33,5 m cuando se desconoce la altitud del receptor.

SpaceX ha lanzado más de 1.700 satélites, pero planea lanzar eventualmente decenas de miles para expandir la capacidad y disponibilidad del servicio de banda ancha. Es de suponer que esos satélites adicionales también facilitarían la construcción de sistemas de navegación del tipo previsto en la nueva investigación.

Nos pusimos en contacto con los investigadores hoy para preguntarles sobre las posibilidades de usar satélites Starlink para obtener resultados de ubicación en algo más cercano al tiempo real y sobre cómo imaginan que los sistemas basados ​​en LEO se utilicen para la navegación cuando los métodos y la tecnología son más avanzados. Actualizaremos este artículo si obtenemos una respuesta.


Source: Ars Technica by arstechnica.com.

*The article has been translated based on the content of Ars Technica by arstechnica.com. If there is any problem regarding the content, copyright, please leave a report below the article. We will try to process as quickly as possible to protect the rights of the author. Thank you very much!

*We just want readers to access information more quickly and easily with other multilingual content, instead of information only available in a certain language.

*We always respect the copyright of the content of the author and always include the original link of the source article.If the author disagrees, just leave the report below the article, the article will be edited or deleted at the request of the author. Thanks very much! Best regards!