Space X non è d’accordo, ma i segnali Starlink sono il GPS del futuro

Elon Musk ha declinato la proposta di utilizzare la sua mega-costellazione per i servizi di geolocalizzazione. La ricerca è andata avanti lo stesso

Todd Humphreys ha fatto una proposta molto semplice alla SpaceX. Con alcune modifiche al software, la megacostellazione di satelliti Starlink (in rapida crescita) potrebbe essere utilizzata per offrire un servizio preciso di geolocalizzazione, navigazione e tempistica.

L’esercito degli Stati Uniti, che finanzia il lavoro di Humphreys presso l’Università del Texas ad Austin, stava cercando un sistema di backup al proprio delicato e vulnerabile sistema GPS. La domanda è: Starlink potrebbe essere l’alternativa giusta?

Secondo Humphreys, quando l’idea venne stata proposta per la prima volta nel 2020, i dirigenti di SpaceX si erano dimostrati aperti all’idea. Poi arrivò un comando dall’alto. “Secondo quanto riportato dai dirigenti con sui abbiamo parlato, Elon avrebbe detto loro: ogni altra rete di comunicazione LEO [orbita terrestre bassa] è fallita”, riporta Humphreys al MIT Technology Review. “Per questo motivo noi [SpaceX] dobbiamo rimanere completamente concentrati per evitare la bancarotta. Non possiamo permetterci distrazioni”.

Eppure Humphreys non ha accettato il rifiuto. Negli ultimi due anni, la sua squadra di ricerca al Radionavigation Lab della UT Austin ha condotto test di reverse engineering dei segnali inviati da migliaia di satelliti Internet Starlink in orbita terrestre bassa a ricevitori a terra.

Ora Humphreys dice che il suo team ha risolto il problema e crede che i normali segnali beacon della costellazione, progettati per aiutare i ricevitori a connettersi con i satelliti, potrebbero costituire la base di un utile sistema di navigazione. Non solo, l’operazione potrebbe essere condotta senza il minimo consenso della SpaceX.

In uno studio non sottoposto a revisione paritaria pubblicato sul sito Web del suo laboratorio, Humphreys dichiara di di aver fornito la caratterizzazione più completa dei segnali Starlink mai generata fino ad oggi. Queste informazioni, continua, sarebbero il primo passo verso lo sviluppo di una nuova tecnologia di navigazione globale che funzionerebbe indipendentemente dal GPS o dai suoi equivalenti europei, russi e cinesi.

“La rete di segnali del sistema Starlink è un segreto gelosamente custodito“, spiega Humphreys. “Anche nel corso dei nostri primi incontri, quando SpaceX era ancora in vena di collaborare, nessuno ha rivelato alcuna componente strutturale del segnale. Siamo dovuti partire da zero, sin dalla costruzione di un piccolo radiotelescopio per intercettare i loro segnali”.

Per avviare il progetto, UT Austin ha acquistato un terminale Starlink e lo ha utilizzato per trasmettere in streaming video YouTube in HD di di partite di tennis giocate da Rafael Nadal. I ricercatori hanno quindi avuto a disposizione un flusso costante di segnali Starlink da analizzare grazie ad un’antenna poco distante.

Humphreys ha subito osservato che il sistema Starlink fa uso di una tecnologia chiamata multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM). L’OFDM è un metodo efficiente per codificare le trasmissioni digitali, originariamente sviluppato presso i Bell Labs negli anni ’60 e ora utilizzato in Wi-Fi e 5G.

“L’OFDM va di gran moda”, spiega Mark Psiaki, esperto di GPS e professore aerospaziale al Virginia Tech. “È un modo per racchiudere il maggior numero di bit al secondo in una determinata larghezza di banda“.

I ricercatori della UT Austin non hanno provato a violare la crittografia di Starlink o ad accedere ai dati degli utenti provenienti dai satelliti. Isi sono piuttosto concentrati sul compito di individuare sequenze di sincronizzazione: segnali prevedibili e ripetitivi trasmessi dai satelliti in orbita per aiutare i ricevitori a coordinarsi con loro.

Non solo Humphreys ha trovato tali sequenze, ma “siamo stati piacevolmente sorpresi di scoprire che [avevano] più sequenze di sincronizzazione di quanto strettamente necessario“, dice.

Ogni sequenza contiene indizi sulla distanza e la velocità del satellite. Con i satelliti Starlink che trasmettono circa quattro sequenze ogni millisecondo “questo approccio è semplicemente meraviglioso per adattare il loro sistema a funzioni di posizionamento“, afferma Humphreys.

Avendo il ricevitore terrestre una buona idea dei movimenti dei satelliti, che SpaceX condivide online per ridurre il rischio di collisioni orbitali, è possibile utilizzare la regolarità delle sequenze per calcolare da quale satellite provengono e quindi calcolare la distanza da quel satellite . Ripetendo questo processo per più satelliti, un ricevitore può localizzarsi entro circa 30 metri, afferma Humphreys.

Nel momento in cui la SpaceX dovesse decidere di collaborare includendo dati aggiuntivi sulla posizione esatta di ciascun satellite nei suoi downlink, tale precisione potrebbe teoricamente migliorare arrivando sotto al metro, rendendo il sistema preciso quanto il GPS. SpaceX non ha risposto alle richieste di commento.

Altri ricercatori hanno intrapreso un percorso simile. Zak Kassas è professore nel dipartimento di ingegneria elettrica e informatica presso la Ohio State University e direttore di un centro del Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti incentrato sulla resilienza della navigazione. L’anno scorso, il suo team è stato il primo a dimostrare che i segnali Starlink possono essere utilizzati per il posizionamento, anche utilizzando applicazioni di apprendimento automatico.

L’approccio di Kassas, da lui nominato navigazione opportunistica cognitiva, analizza il periodo e le variazioni delle frequenze dei segnali provenienti dai satelliti di passaggio. Il ricevitore utilizza anche le sequenze di sincronizzazione, decodifica l’orbita del satellite e ne segue il percorso.

Dopo un certo numero di passaggi satellitari, il ricevitore calcola è in grado di calcoalre la propria posizione. In una recente conferenza, Kassas ha dichiarato di aver raggiunto, grazie al sistema Starlink, un grado di precisione nel raggio di 10 metri. “Si tratta di una metodo così generale da poter essere applicato a qualsiasi segnale terrestre o extraterrestre”, afferma. “Potrà essere implementato al volo e sarà in grado di descrivere sia cosa viene trasmesso che dove ti trovi precisamente.”

Lo studio completo dei segnali di Starlink ha implicazioni che vanno ben oltre la navigazione. I satelliti Starlink, ad esempio, non sembrano fare uso, attualmente, di due degli otto canali di trasmissione concessi in licenza alla SpaceX.

Humphreys ipotizza che ciò potrebbe essere dovuto al fatto che Musk non desidera interferire con i radiotelescopi che operano su frequenze prossime. Le strisce luminose lasciate nel cielo dai satelliti Starlink in orbita hanno già attirato le ire degli astronomi secondo cui interferirebbero con i loro strumenti ottici.

I risultati ottenuti dalla UT Austin evidenziano anche la possibilità di interferire in maniera deliberata con le stesse funzioni della Starlink. Humphreys osserva che mentre le sequenze di sincronizzazione sono promettenti per la navigazione, il fatto che siano completamente prevedibili e siano utilizzate nell’intera costellazione è un punto debole dal punto di vista della sicurezza.

“Humphreys ha reso un grande servizio alla comunità di navigazione identificando queste sequenze”, afferma Psiaki. “Ma qualsiasi sistema di navigazione che lavora su sequenze open source rischia sicuramente di essere manomesso, in quanto tutti sapranno come individuarne i segnali e crearne di falsi”.

Secondo quanto riferito, Starlink ha subito una catastrofica perdita di comunicazioni alla fine di settembre in Ucraina, dove è ampiamente utilizzato per comunicazioni vocali ed elettroniche, per aiutare a pilotare droni e persino per correggere il fuoco dell’artiglieria. Sebbene non sia chiaro se le interruzioni siano dovute al disturbo delle forze russe, Musk ha twittato la scorsa settimana: “La Russia sta attivamente cercando di abbattere il sistema Starlink. Per salvaguardarlo, SpaceX sta investendo risorse enormi sulla sua difesa”.

Il sistema Starlink è stato senza dubbio un toccasana per l’Ucraina. Tuttavia, i rapporti sulle interruzioni e la continua confusione su chi pagherà per i servizi Starlink sollevano preoccupazioni sul suo futuro.

“Col passare del tempo e più gli ucraini diventano dipendenti dal sistema Starlink, l’Ucraina e i suoi alleati in Occidente devono fare i conti con il fatto di non avere il controllo del sistema e di non conoscerlo nemmeno”, spiega Humphreys. “Eppure molti milioni di persone hanno ora un interesse acquisito nella sicurezza di Starlink, inclusa la sua resilienza al jamming. La valutazione di tale sicurezza inizia con una chiara comprensione della struttura del segnale”.

Immagine: SpaceX

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