Toddo Humphreyso pasiūlymas „SpaceX“ buvo paprastas. Atlikus keletą programinės įrangos pakeitimų, jos sparčiai augantis „Starlink“ žvaigždynas taip pat galėtų pasiūlyti tikslią padėtį, navigaciją ir laiką. JAV armija, finansuojanti Humphreyso darbą Teksaso universitete Ostine, norėjo atsarginio savo garbingojo ir pažeidžiamas, GPS sistema. Ar Starlink galėtų atlikti šį vaidmenį?
Kai kilo mintis pirmą kartą pasiūlyta 2020 m„SpaceX“ vadovai buvo atviri šiai idėjai, sako Humphreysas. Tada iš aukštybių atėjo žodis. „Elonas sakė lyderiams, su kuriais kalbėjomės: kas antras LEO [low Earth orbit] ryšių tinklas bankrutavo“, – „MIT Technology Review“ sakė Humphreysas. „Ir mes taip [SpaceX] turi visiškai sutelkti dėmesį į tai, kad nepatektų į bankrotą. Negalime sau leisti jokių trukdžių“.
Tačiau Humphreysas nenorėjo atsakyti į „ne“. Pastaruosius dvejus metus jo komanda UT Austin’s Radionavigacijos laboratorija buvo atvirkštinės inžinerijos signalai, siunčiami iš tūkstančių žemoje Žemės orbitoje esančių Starlink interneto palydovų į antžeminius imtuvus. Dabar Humphreysas sako, kad jo komanda išsprendė problemą ir mano, kad reguliarūs švyturių signalai iš žvaigždyno, skirti padėti imtuvams susisiekti su palydovais, galėtų būti naudingos navigacijos sistemos pagrindas. Svarbiausia, kad tai būtų galima padaryti be jokios SpaceX pagalbos.
Nerecenzuojamame popierius paskelbtas arXiv, Humphreysas teigia, kad iki šiol pateikė išsamiausią Starlink signalų apibūdinimą. Pasak jo, ši informacija yra pirmasis žingsnis kuriant naują pasaulinę navigacijos technologiją, kuri veiktų nepriklausomai nuo GPS ar jos europinių, rusiškų ir kiniškų atitikmenų.
„Starlink sistemos signalas yra griežtai saugoma paslaptis“, – sako Humphreysas. „Net mūsų ankstyvosiose diskusijose, kai „SpaceX“ labiau bendradarbiavo, jie mums neatskleidė jokios signalo struktūros. Turėjome pradėti nuo nulio, iš esmės pastatydami nedidelį radijo teleskopą, kad galėtume pasiklausyti jų signalų.
Norėdami pradėti projektą, UT Austin įsigijo „Starlink“ terminalą ir panaudojo jį didelės raiškos Rafaelio Nadalo teniso vaizdo įrašams iš „YouTube“ transliuoti. Tai suteikė nuolatinį „Starlink“ signalų šaltinį, kurį galėjo klausytis šalia esanti atskira antena.
Humphreysas greitai suprato, kad Starlink remiasi technologija, vadinama ortogoniniu dažnio padalijimo tankinimu (OFDM). OFDM yra efektyvus skaitmeninio perdavimo kodavimo metodas, iš pradžių sukurtas Bell Labs septintajame dešimtmetyje ir dabar naudojamas Wi-Fi ir 5G. „OFDM yra labai populiarus“, – sako Markas Psiaki, GPS ekspertas ir aviacijos ir kosmoso profesorius iš Virginia Tech. „Tai būdas supakuoti daugiausia bitų per sekundę tam tikrame pralaidumo diapazone.
UT Austin tyrėjai nebandė nutraukti „Starlink“ šifravimo ar pasiekti bet kokius naudotojo duomenis, gaunamus iš palydovų. Vietoj to, jie ieškojo sinchronizavimo sekų – nuspėjamų, pasikartojančių signalų, kuriuos skleidžia orbitoje esantys palydovai, kad imtuvai galėtų su jais koordinuotis. Humphreysas ne tik rado tokias sekas, bet ir „buvome maloniai nustebinti, kai sužinojome, kad jos [had] daugiau sinchronizavimo sekų, nei griežtai reikalaujama“, – sako jis.
Kiekvienoje sekoje taip pat yra užuominų apie palydovo atstumą ir greitį. Kai „Starlink“ palydovai kas milisekundę perduoda maždaug keturias sekas, „tai tiesiog nuostabu, kai jų padėties nustatymo sistema naudojamas dvigubai“, – sako Humphreysas.
Jei antžeminis imtuvas gerai supranta palydovų judėjimą, kurį „SpaceX“ bendrina internete, kad sumažintų susidūrimų orbitoje riziką, jis gali naudoti sekų reguliarumą, kad nustatytų, iš kurio palydovo jie atkeliavo, ir tada apskaičiuoti atstumą iki to palydovo. . Kartodamas šį procesą keliems palydovams, imtuvas gali aptikti save maždaug 30 metrų atstumu, sako Humphreysas.
Jei „SpaceX“ vėliau nuspręstų bendradarbiauti įtraukdama papildomus duomenis apie tikslią kiekvieno palydovo padėtį į savo nukreipimus, šis tikslumas teoriškai galėtų padidėti iki mažiau nei metro, todėl jis bus konkurencingas su GPS. „SpaceX“ neatsakė į prašymus komentuoti.
Kiti tyrinėtojai žengė panašiu keliu. Zakas Kassas yra Ohajo valstijos universiteto Elektros ir kompiuterių inžinerijos katedros profesorius ir JAV transporto departamento centro, kurio pagrindinis dėmesys skiriamas navigacijos atsparumui, direktorius. Praėjusiais metais jo komanda buvo pirmiausia parodyti, kad Starlink signalai gali būti naudojami padėties nustatymuiiš dalies naudojant mašininį mokymąsi.
Kasso metodas, kurį jis vadina kognityvine oportunistine navigacija, analizuoja palydovo sklindančių signalų periodą ir besikeičiančius dažnius. Imtuvas taip pat naudoja sinchronizavimo sekas, sužino palydovo orbitą ir jį seka. Su keliais palydoviniais leidimais imtuvas galiausiai apskaičiuoja savo vietą. Prie a neseniai vykusioje konferencijoje, Kassas tvirtino, kad jo sistema su Starlink dabar pasiekė mažiau nei 10 metrų tikslumą. „Tai sistema, kuri yra tokia bendra, kad galime ją pritaikyti bet kokiam antžeminiam ar nežemiškam signalui“, – sako jis. „Jis išmoks skrydžio metu, pasakys, kas yra perduodamas, ir pasakys, kur esate.
Išsamesnis „Starlink“ signalų supratimas turi ne tik navigaciją. Pavyzdžiui, atrodo, kad Starlink palydovai šiuo metu nenaudoja dviejų iš aštuonių kanalų, kuriems licencija yra suteikta SpaceX. Humphreysas spėja, kad taip gali būti dėl to, kad Muskas nori netrukdyti radijo teleskopams, veikiančiems kaimyniniais dažniais. Ryškūs „Starlink“ palydovų ruožai jau buvo apkaltinti trikdo optinę astronomiją.
UT Austin išvados taip pat pabrėžia galimybę sąmoningai kištis į pačią Starlink. Humphreysas pažymi, kad nors sinchronizavimo sekos žada navigaciją, tai, kad jos yra visiškai nuspėjamos ir naudojamos visame žvaigždyne, yra saugumo pažeidžiamumas. „Humphreysas padarė didelę paslaugą navigacijos bendruomenei, nustatydamas šias sekas“, – sako Psiaki. „Tačiau bet kuri navigacijos sistema, dirbanti su atvirojo kodo sekomis, tikrai gali būti suklastota, nes visi žinos, kaip pastebėti tuos signalus ir sukurti netikrus.
Starlink pranešama rugsėjo pabaigoje katastrofiškai nutrūko ryšiai Ukrainoje, kur jis plačiai naudojamas balso ir elektroniniams ryšiams, padėti skristi bepiločiams orlaiviams ir net koreguoti artilerijos apšaudymą. Nors neaišku, ar gedimai įvyko dėl Rusijos pajėgų trukdžių, Muskas tviteryje praėjusią savaitę: „Rusija aktyviai bando nužudyti Starlink. Siekdama apsisaugoti, „SpaceX“ nukreipė didžiulius išteklius gynybai.
„Starlink“ neabejotinai buvo išgelbėjimas Ukrainai. Tačiau pranešimai apie gedimus ir tęsė sumišimas Kas ten mokės už Starlink paslaugas, kelia susirūpinimą dėl jos ateities.
„Laikui bėgant ir didėjant jų priklausomybei nuo Starlink, Ukraina ir jos sąjungininkai Vakaruose pradeda suprasti, kad jie mažai kontroliuoja Starlink ir mažai apie tai žino“, – sako Humphreysas. „Tačiau dabar daug milijonų žmonių yra suinteresuoti „Starlink“ saugumu, įskaitant atsparumą trukdžiams. Įvertinti, kad saugumas prasideda nuo aiškaus signalo struktūros supratimo.
