Когнитивная оппортунистическая навигация включается в войну с Маском
Генеральный директор компаний SpaceX и Tesla сказал: «Нет, спасибо» на предложения использования его мега-созвездие для навигации. Исследователи всё равно пошли дальше.
Предложение Тодда Хамфриса компании SpaceX было простым. С помощью нескольких настроек программного обеспечения быстро растущее созвездие Starlink с таким же успехом может обеспечить точное местоположение, навигацию и синхронизацию. Армия США, которая финансирует работу Хамфриса в Техасском университете в Остине, хотела получить резервную копию своей уязвимой системы GPS. Может ли Starlink выполнить эту роль?
Когда эта идея была впервые предложена в 2020 году, руководители SpaceX были открыты для неё. Затем пришло известие свыше. Маск объяснил: все остальные коммуникационные сети LEO (на низкой околоземной орбите) обанкротились. И поэтому SpaceX должно полностью сосредоточиться на том, чтобы избежать банкротства.
В течение последних двух лет его команда в радионавигационной лаборатории Калифорнийского университета занималась обратным проектированием сигналов, отправляемых с тысяч интернет-спутников Starlink на LEO на наземные приёмники. Теперь SpaceX утверждает, что проблема решена, и регулярные сигналы маяков из созвездия, предназначенные для того, чтобы помочь приёмникам соединиться со спутниками, могли бы лечь в основу полезной навигационной системы. Важно отметить, что это можно было бы сделать вообще без какой-либо помощи со стороны SpaceX.
Хамфрис утверждает, что предоставил наиболее полную на сегодняшний день характеристику сигналов Starlink. Эта информация, по его словам, является первым шагом на пути к разработке новой глобальной навигационной технологии, которая будет работать независимо от GPS или её европейских, российских и китайских аналогов.
«Сигнал системы Starlink – это тщательно охраняемый секрет, – говорит Хамфрис. – Даже в наших ранних обсуждениях, когда SpaceX была более сговорчивой, они не раскрыли нам никакой структуры сигнала. Нам пришлось начинать с нуля, построив, по сути, небольшой радиотелескоп, чтобы подслушивать их сигналы».
Чтобы запустить проект, UT Austin приобрела терминал Starlink и использовала его для трансляции видеороликов в высоком разрешении с YouTube. Это обеспечивало постоянный источник сигналов Starlink, которые могла прослушивать отдельная ближайшая антенна.
Хамфрис быстро понял, что Starlink полагается на технологию, называемую мультиплексированием с ортогональным частотным разделением (OFDM). OFDM – это метод кодирования цифровых передач, первоначально разработанный в Bell Labs в 1960-х годах и в настоящее время используемый в Wi-Fi и 5G. «OFDM сейчас в моде, – говорит Марк Псиаки, эксперт по GPS. – Это способ упаковать наибольшее количество бит в секунду в заданную полосу пропускания».
Исследователи из Калифорнийского университета в Остине не пытались взломать шифрование Starlink или получить доступ к каким-либо пользовательским данным, поступающим со спутников. Вместо этого они искали последовательности синхронизации — предсказуемые, повторяющиеся сигналы, передаваемые спутниками на орбите, чтобы помочь приемникам координировать свои действия с ними. Такие последовательности были найдены, и у них (было) больше последовательностей синхронизации, чем требуется.
Каждая последовательность также содержит подсказки о расстоянии и скорости спутника. Поскольку спутники Starlink передают около четырёх последовательностей данных каждую миллисекунду, «это просто замечательно для двойного использования их системы позиционирования», – говорит Хамфрис.
Если наземный приёмник имеет хорошее представление о перемещениях спутников — которыми SpaceX делится онлайн, чтобы снизить риск орбитальных столкновений, — он может использовать регулярность последовательностей, чтобы определить, с какого спутника они пришли, а затем рассчитать расстояние до этого спутника. Повторяя этот процесс для нескольких спутников, приёмник может определить своё местоположение с точностью до 30 метров.
Если бы SpaceX позже решила сотрудничать, включив дополнительные данные о точном местоположении каждого спутника в свои нисходящие каналы, эта точность теоретически могла бы улучшиться до менее чем метра, что сделало бы её конкурентоспособной с GPS. SpaceX не ответила на запросы о комментариях.
Другие исследователи шли по тому же пути. Зак Кассас – директор Центра Минтранса США, специализирующегося на отказоустойчивости навигации. В прошлом году его команда первой продемонстрировала, что сигналы Starlink можно использовать для определения местоположения, частично используя машинное обучение.
Подход Кассаса, который он называет «когнитивной оппортунистической навигацией», анализирует период и изменяющиеся частоты сигналов со спутника, когда тот проходит над головой. Приёмник также использует последовательности синхронизации, узнаёт орбиту спутника и отслеживает её. При многократном прохождении спутника приёмник в конечном итоге вычисляет своё собственное местоположение. На недавней конференции Кассас заявил, что его система теперь достигла точности менее 10 метров с помощью Starlink. «Это настолько общая структура, что мы можем применить её к любому земному или внеземному сигналу, – говорит он. – Он будет учиться на лету, сообщать вам, что передаётся, и сообщать вам, где вы находитесь».
Более полное понимание сигналов Starlink имеет последствия, выходящие за рамки навигации. Например, спутники системы в настоящее время, похоже, не используют два из восьми каналов, на которые у SpaceX есть лицензия. Хамфрис предполагает, что это может быть связано с тем, что Маск стремится не создавать помех радиотелескопам, работающим на соседних частотах. Яркие полосы орбитальных спутников Starlink уже были обвинены в нарушении оптической астрономии.
Выводы UT Austin также подчёркивают возможность преднамеренного вмешательства в саму Starlink. Хамфрис отмечает, что, хотя последовательности синхронизации многообещающи для навигации, тот факт, что они абсолютно предсказуемы и используются во всём созвездии, является уязвимостью в системе безопасности. Однако, следует учитывать, что любая навигационная система, работающая с последовательностями с открытым исходным кодом, определённо может быть подделана, потому что каждый будет знать, как обнаружить эти сигналы и создать поддельные.
Сообщается, что Starlink потерпел катастрофическую потерю связи в конце сентября на Украине, где он широко используется для голосовой и электронной связи, для помощи в управлении беспилотниками и даже для корректировки артиллерийского огня. Хотя не ясно, были ли перебои в работе из-за помех со стороны российских войск, Маск написал в Твиттере на прошлой неделе: «Россия активно пытается уничтожить Starlink. Чтобы обезопасить себя, SpaceX направила огромные ресурсы на оборону».
Starlink, несомненно, стал палочкой-выручалочкой для Украины. Однако сообщения об отключениях и сохраняющаяся путаница в отношении того, кто будет платить за услуги Starlink, вызывают опасения по поводу его будущего.
«С течением времени и углублением их зависимости от Starlink Украина и её союзники на Западе начинают понимать, что они мало контролируют Starlink и мало знают о нём, – говорит Хамфрис. – Но теперь многие миллионы людей кровно заинтересованы в безопасности Starlink, включая её устойчивость к помехам. Оценка этой безопасности начинается с чёткого понимания структуры сигнала».
Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал