Los investigadores usan satélites Starlink para determinar la ubicación, al igual que lo hace el GPS
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 grupo de investigación en crecimiento sobre el uso de señales de satélites de órbita terrestre baja (LEO) para la navegación, similar al GPS.
Esta tecnología no reemplazará la aplicación de mapeo de su teléfono inteligente en el corto plazo, y ese primer experimento aparentemente tomó 13 minutos para rastrear seis satélites Starlink para identificar una ubicación en la Tierra. Pero los investigadores pudieron obtener el rendimiento del sitio 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 información sobre la ubicación y el movimiento del satélite», un estado de Ohio Artículo de noticias al que se hace referencia.
«Escuchamos la señal y luego desarrollamos algoritmos sofisticados para determinar nuestra ubicación, y demostramos que funcionaba con gran precisión», dijo Zak Kassas, director de CARMEN (Centro para la investigación de vehículos automatizados con navegación multimodal AssurEd). Un Departamento de EE. UU. of Transportation centro financiado en la Universidad Estatal de Ohio, decía el artículo. «Y aunque Starlink no fue diseñado para fines de navegación, hemos demostrado que es 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 en 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 realizó con una antena en el campus de UC Irvine.
Según el artículo de Ohio State News, Kassas dijo que su «equipo ha utilizado técnicas similares con otras constelaciones de satélites en órbita terrestre baja, pero con menos precisión para localizar ubicaciones dentro de unos 23 metros». «El equipo también trabajó con la Fuerza Aérea de los EE. UU. Para localizar las ubicaciones de los aviones a gran altitud; podían llegar a 5 metros utilizando señales celulares terrestres», dijo Kassas. El GPS proporciona señales con un error medio 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 se publicó la semana pasada en la revista IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. Los investigadores también presentaron sus resultados en una conferencia organizada por el 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 afirma que «varios estudios teóricos y experimentales» han considerado la posibilidad de utilizar «señales casuales» de los satélites de banda ancha LEO para la navegación.
«Con SpaceX lanzando más de mil naves 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 que en la órbita terrestre media (MEO), donde GNSS [Global Navigation Satellite System] Los SV viven. Además, los LEO-SV son más comunes que los GNSS-SV para compensar la huella más pequeña, y sus señales son espacial y espectralmente diferentes «.
Otra ventaja de los satélites LEO es que «no requieren ningún servicio o infraestructura adicional y costosa del proveedor de banda ancha». Pero eso no significa que la tarea fuera fácil para los investigadores. «Sin embargo, los proveedores de banda ancha normalmente no revelan la estructura de la señal transmitida para proteger su propiedad intelectual. Por lo tanto, uno tendría que descomponer las señales LEO SV para dibujar observables de navegación», escribieron.
El resumen de la presentación de la conferencia de investigadores señaló que los proveedores de banda ancha podrían cambiar sus protocolos para ayudar a la navegación. Sin embargo, los investigadores argumentan que su propio enfoque de terceros es más viable, aunque requieren «arquitecturas de receptor más sofisticadas».
«[T]Se requieren cambios sustanciales en la infraestructura existente para respaldar los protocolos existentes para respaldar las funciones de navegación, cuyo costo puede no ser alto para empresas privadas como OneWeb, SpaceX, Boeing y otras que planean lanzar decenas de miles de satélites de Internet de banda ancha en LEO. dispuestos a pagar «, escribieron.» Además, no hay garantía de que no cobrarán a los usuarios por servicios de navegación adicionales si esas empresas están de acuerdo con dichos cargos adicionales. En estas circunstancias, el uso oportunista de las señales de satélite LEO de banda ancha se está convirtiendo en un enfoque más práctico «.
Un nuevo algoritmo
Los investigadores consideraron previamente un «enfoque cognitivo para rastrear la frecuencia Doppler de señales LEO-SV desconocidas», pero dijeron en su último artículo que este método «no puede estimar la fase portadora y no se puede aplicar aquí porque tiene conocimiento del período de. Requiere la baliza dentro de la señal transmitida, que es desconocida para los SV Starlink LEO «. Para superar esta 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, con la excepción de las frecuencias de los canales y los anchos de banda. No es posible diseñar un receptor para rastrear señales Starlink con la información anterior, solo porque se requiere una comprensión más profunda de las señales. Las radios definidas por software (SDR) son útiles en tales situaciones, ya que permiten escanear bandas del espectro de radiofrecuencia. Sin embargo, existen dos desafíos principales en 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 ser mayores. en 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, las tramas de navegación oportunistas no requieren mucha información de la fuente de comunicación / navegación (por ejemplo, decodificar datos de telemetría o efemérides, o sincronizar con un preámbulo particular). Por lo tanto, el objetivo del receptor es explotar suficiente señal de enlace descendente para poder [to] Genere observables de navegación sin procesar (por ejemplo, fases Doppler y portadora).
Seguimiento de seis satélites durante 800 segundos
Durante el experimento, «un periférico de radio de software universal estacionario (USRP) 2945R de National Instruments (NI) con una antena Ku y un convertidor de bloqueo descendente de bajo ruido (LNB) para la recepción de señales Starlink en la banda Ku», escribió. «El ancho de banda de muestreo se estableció en 2,5 MHz y la frecuencia portadora 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, transmitiendo a 11,325 GHz, pasaron uno tras otro», escribieron. Los investigadores guardaron 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 de 25,9 metros de la ubicación real, pero el error se redujo a menos de ocho metros cuando «el receptor estaba equipado con un altímetro (para conocer su altitud»).
La conclusión del trabajo fue:
Esta carta mostraba los primeros resultados del seguimiento y posicionamiento de la fase de la portadora con señales reales Starlink LEO SV. Se formuló un modelo de la señal transmitida de un Starlink SV y se desarrolló un algoritmo adaptativo de seguimiento de fase de portadora basado en KF (filtro de Kalman) para rastrear la señal de Starlink. Los resultados experimentales mostraron el seguimiento de fase de portadora de seis Starlink LEO SV durante un período de aproximadamente 800 El rendimiento de posicionamiento resultante fue: error 2-D de 7,7 m con altura conocida del receptor y error 2-D de 25,9 m y error 3-D de 33,5 m con altura desconocida 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. Estos satélites adicionales presumiblemente también facilitarían la construcción de sistemas de navegación como se prevé en la nueva investigación.
Nos pusimos en contacto con los investigadores hoy para preguntarles sobre las perspectivas de usar satélites Starlink para obtener resultados de ubicación en tiempo real y cómo imaginan sistemas de navegación basados en LEO cuando los métodos y tecnologías son más avanzados. Actualizaremos este artículo cuando obtengamos una respuesta.
