La startup Xona Space Systems spera di fornire un’alternativa non intercettabile al sempre più minacciato GPS.
Alla fine di questo mese, un satellite poco appariscente di 150 chilogrammi verrà lanciato nello spazio a bordo della missione SpaceX Transporter 14. Una volta in orbita, il satellite testerà una tecnologia di navigazione satellitare di nuova generazione super-accurata, progettata per sopperire alle carenze del sistema di posizionamento globale (GPS) statunitense.
Il satellite è il primo di una costellazione pianificata chiamata Pulsar, sviluppata dalla società californiana Xona Space Systems. L’azienda prevede di avere una costellazione di 258 satelliti in orbita terrestre bassa. Anche se questi satelliti funzioneranno come quelli utilizzati per creare il GPS, orbiteranno a circa 12.000 miglia più vicino alla superficie terrestre, trasmettendo un segnale molto più forte e più preciso, oltre che più difficile da disturbare.
“Grazie alla distanza ridotta, emetteremo segnali circa cento volte più forti del segnale GPS”, spiega Tyler Reid, Chief Technology Officer e cofondatore di Xona. “Questo significa che la portata dei disturbatori sarà molto minore rispetto al nostro sistema, ma saremo anche in grado di raggiungere più in profondità i luoghi chiusi, penetrando attraverso più pareti”.
Un sistema di navigazione satellitare per il 21° secolo
Il primo sistema GPS è entrato in funzione nel 1993. Nei decenni successivi, è diventato una delle tecnologie fondamentali da cui dipende il mondo. I segnali precisi di posizionamento, navigazione e temporizzazione (PNT) trasmessi dai suoi satelliti sono alla base di molto di più di Google Maps nel vostro telefono. Guidano le teste di trivellazione delle piattaforme petrolifere offshore, registrano le transazioni finanziarie e aiutano a sincronizzare le reti elettriche di tutto il mondo.
Ma nonostante l’indispensabilità del sistema, il segnale GPS è facilmente soppresso o disturbato da qualsiasi cosa, dal meteo spaziale alle torri cellulari 5G, fino ai disturbatori telefonici del valore di poche decine di dollari. Il problema è stato sussurrato dagli esperti per anni , ma è venuto veramente alla ribalta negli ultimi tre anni, da quando la Russia ha invaso l’Ucraina. Il boom della guerra con i droni, che ha caratterizzato questa guerra, ha innescato una corsa allo sviluppo di tecnologie per contrastare gli attacchi dei droni, disturbando i segnali GPS di cui hanno bisogno per la navigazione, o per creare spoofing del segnale, creando dati di posizionamento convincenti ma falsi.
Il problema cruciale è la distanza: La costellazione GPS, composta da 24 satelliti più una manciata di pezzi di ricambio, orbita a 12.550 miglia (20.200 chilometri) sopra la Terra, in una regione nota come orbita terrestre media. Quando i loro segnali arrivano fino ai ricevitori a terra, sono così deboli che possono essere facilmente ignorati dai disturbatori.
Altre costellazioni del sistema globale di navigazione satellitare, come Galileo in Europa, GLONASS in Russia e Beidou in Cina, hanno architetture simili e presentano gli stessi problemi.
Ma quando Reid e il cofondatore Brian Manning hanno fondato Xona Space Systems nel 2019, non pensavano a jamming e spoofing. Il loro obiettivo era quello di rendere la guida autonoma pronta per la prima serata.
Il satellite Pulsar-0 di Xona Space System sarà lanciato a giugno.
AEROSPACELAB
All’epoca, decine di robocar di Uber e Waymo percorrevano già le autostrade americane, equipaggiate con costose suite di sensori come telecamere ad alta risoluzione e lidar. Gli ingegneri hanno pensato che un sistema di navigazione satellitare più preciso avrebbe potuto ridurre la necessità di quei sensori, rendendo possibile la creazione di un veicolo autonomo sicuro e abbastanza accessibile da diventare mainstream. Un giorno, le auto potrebbero persino essere in grado di condividere i dati di posizionamento tra loro, dice Reid. Ma i ricercatori sanno che il GPS non è abbastanza preciso per mantenere le auto a guida autonoma entro le linee di corsia e lontano da altri oggetti sulla strada. Ciò è particolarmente vero negli ambienti urbani densamente edificati, che offrono molte possibilità di far rimbalzare i segnali sui muri, creando errori.
“Il GPS ha il superpotere di essere un sistema onnipresente che funziona allo stesso modo in ogni parte del mondo”, afferma Reid. “Ma è un sistema che è stato progettato principalmente per supportare le missioni militari, praticamente per consentire di sganciare cinque bombe nella stessa ciotola. Ma questa precisione a livello di metro non è sufficiente per guidare le macchine dove devono andare e condividere lo spazio fisico con gli esseri umani in modo sicuro”.
Reid e Manning hanno iniziato a pensare a come costruire un sistema PNT spaziale che facesse quello che fa il GPS, ma meglio, con una precisione di 10 centimetri o meno e un’affidabilità di ferro in ogni tipo di condizione difficile.
Il modo più semplice per farlo è avvicinare i satelliti alla Terra, in modo che i dati raggiungano i ricevitori in tempo reale senza ritardi che causano imprecisioni. Il segnale più forte dei satelliti in orbita terrestre bassa è più resistente alle interruzioni di ogni tipo.
Quando il GPS è stato concepito, tutto questo non era possibile. Le costellazioni in orbita terrestre bassa – fino a 2.000 km di altitudine – richiedono centinaia di satelliti per fornire una copertura costante dell’intero globo. Per molto tempo, la tecnologia spaziale è stata troppo ingombrante e costosa per rendere praticabili costellazioni così grandi. Negli ultimi dieci anni, tuttavia, l’elettronica più piccola e i minori costi di lancio hanno cambiato l’equazione.
“Nel 2019, quando abbiamo iniziato, l’ecosistema dell’orbita terrestre bassa stava davvero esplodendo”, dice Reid. “Potevamo vedere decollare cose come Starlink, OneWeb e altre costellazioni”.
Questione di urgenza
Nei pochi anni trascorsi dal lancio di Xona, le preoccupazioni sulla vulnerabilità del GPS hanno iniziato a crescere in seguito alle crescenti tensioni geopolitiche. Di conseguenza, trovare un sostituto affidabile è diventata una questione di importanza strategica.
Soprattutto in Ucraina, i disturbi e gli spoofing del GPS sono diventati così comuni che le preziose munizioni di precisione statunitensi, come l’High Mobility Artillery Rocket System, sono diventate di fatto cieche. I produttori di droni con visuale in prima persona, che sono diventati il simbolo della guerra, hanno dovuto concentrarsi sulla navigazione autonoma guidata dall’intelligenza artificiale per mantenere questi droni in gioco.
Il problema si è rapidamente esteso oltre l’Ucraina. I Paesi confinanti con la Russia, come la Finlandia e l’Estonia, si sono lamentati del fatto che la crescente diffusione del disturbo e dello spoofing del GPS stava influenzando i voli commerciali e le navi nella regione.
Ma Clémence Poirier, ricercatrice sulla sicurezza spaziale presso il Politecnico di Zurigo, afferma che il problema dell’interruzione del GPS non si limita alle zone di guerra.
“I disturbatori di base sono molto economici e facilmente accessibili a tutti online”, spiega Poirier. “Anche con quelli più semplici, che possono avere le dimensioni di un telefono, si possono disturbare i segnali GPS in un’area di cento o più metri”.
Nel 2013, un camionista che utilizzava un dispositivo di questo tipo per nascondere la sua posizione al capo ha accidentalmente interrotto i segnali GPS intorno all’aeroporto di Newark, nel New Jersey. Nel 2022, l’aeroporto internazionale di Dallas Fort Worth ha registrato un’interruzione del segnale GPS per 24 ore, che ha portato alla chiusura temporanea di una delle sue piste. La fonte dell’interferenza non è mai stata identificata. Nello stesso anno, l’aeroporto internazionale di Denver ha registrato un’interruzione del GPS di 33 ore.
Corsa alla messa in sicurezza del PNT
“Xona è una soluzione promettente per migliorare la resilienza delle infrastrutture critiche che dipendono dal GPS e mitigare la minaccia del disturbo e dello spoofing del GPS”, afferma Poirier. Ma, aggiunge, non esiste una “bacchetta magica” e per risolvere il problema sarà necessaria una “varietà di approcci diversi”.
Xona non è l’unica azienda che spera di fornire un supporto al GPS, indispensabile ma sempre più vulnerabile. Aziende come Anello Photonics, con sede a Santa Clara, in California, e Advanced Navigation, con sede a Sydney, stanno testando soluzioni terrestri: dispositivi di navigazione inerziale sufficientemente piccoli ed economici da poter essere utilizzati al di là delle tecnologie militari di alto livello. Questi sistemi si basano su giroscopi e accelerometri per dedurre la posizione di un veicolo dai suoi stessi movimenti.
Se integrate nei ricevitori PNT, queste tecnologie possono aiutare a rilevare lo spoofing del GPS e a sostituirlo per la durata dell’interferenza. La navigazione inerziale esiste da decenni, ma i recenti progressi nelle tecnologie fotoniche e nei sistemi microelettromeccanici l’hanno portata nel mainstream.
Il conglomerato aerospaziale e della difesa francese Safran sta sviluppando un sistema che distribuisce i dati PNT attraverso reti in fibra ottica, che costituiscono la spina dorsale dell’infrastruttura Internet globale. Ma il fascino dello spazio rimane forte: la capacità di raggiungere qualsiasi luogo in qualsiasi momento è ciò che ha trasformato il GPS da un oscuro sistema militare in un’infrastruttura di cui oggi la maggior parte delle persone difficilmente può fare a meno.
E Xona potrebbe avere un po’ di concorrenza nello spazio. TrustPoint, con sede in Virginia, sta attualmente raccogliendo fondi per costruire una propria costellazione PNT in orbita bassa e alcuni hanno proposto che i segnali dello Starlink di SpaceX possano essere riutilizzati per fornire servizi PNT.
Xona spera di assicurarsi un posto sul mercato progettando il suo segnale in modo che sia compatibile con quello del GPS, consentendo ai produttori di ricevitori GPS di inserire facilmente la nuova costellazione nella tecnologia esistente.
Anche se ci vorrà almeno fino al 2030 perché l’intera costellazione sia operativa, Reid afferma che il sistema Xona fornirà una valida aggiunta all’infrastruttura GPS esistente non appena 16 dei suoi satelliti saranno in orbita.
L’imminente lancio arriva tre anni dopo che una missione dimostrativa nota come Huginn ha testato le basi della tecnologia. Il nuovo satellite, chiamato Pulsar-0, servirà a verificare la capacità del sistema di resistere alle interferenze o agli spoofing.
Xona prevede di lanciare altre quattro navicelle l’anno prossimo e spera di avere la maggior parte della costellazione entro il 2030.
Immagine di copertina: il primo satellite di produzione della Xona Space System è stato assemblato e testato dai loro partner della Aerospacelab. Aerospacelab
