Les signaux des satellites à large bande SpaceX Starlink peuvent être utilisés pour localiser des emplacements sur Terre avec une précision de huit mètres, ont rapporté des chercheurs en ingénierie dans un nouvel article évalué par des pairs. Leur rapport fait partie d’un corpus croissant de recherches sur l’utilisation des signaux des satellites en orbite terrestre basse (LEO) pour la navigation, de la même manière que le GPS fonctionne.
Cette technologie ne remplacera pas de sitôt l’application cartographique de votre smartphone, et cette première expérience a apparemment nécessité 13 minutes de suivi de six satellites Starlink pour localiser un emplacement sur Terre. Mais les chercheurs ont pu réaliser l’exploit de localisation sans aucune aide de SpaceX, et ils disent que le test prouve que la méthode pourrait être utilisée pour la navigation.
« Les chercheurs n’ont pas eu besoin de l’aide de SpaceX pour utiliser les signaux satellites, et ils ont souligné qu’ils n’avaient pas accès aux données réelles envoyées par les satellites, uniquement aux informations liées à l’emplacement et au mouvement du satellite », a déclaré un Article de l’état de l’Ohio mentionné.
« Nous avons écouté le signal, puis nous avons conçu des algorithmes sophistiqués pour localiser notre emplacement, et nous avons montré que cela fonctionnait avec une grande précision », Zak Kassas, directeur de CARMEN (Center for Automated Vehicle Research with Multimodal AssurEd Navigation), un centre financé par le département américain des Transports de l’Ohio State University, a déclaré dans l’article. « Et même si Starlink n’a pas été conçu à des fins de navigation, nous avons montré qu’il était possible d’apprendre suffisamment bien certaines parties du système pour l’utiliser pour la navigation. »
La recherche a été menée par Kassas avec Joe Khalife (un boursier postdoctoral à l’Université de Californie, Irvine) et Mohammad Neinavaie (un doctorant à UC-Irvine). Kassas est également professeur à l’UC-Irvine et directeur du laboratoire Autonomous Systems Perception, Intelligence, and Navigation (ASPIN), tandis que Khalife et Neinavaie sont membres du laboratoire. Leur expérience a été menée à l’aide d’une antenne sur le campus de l’UC Irvine.
Kassas a déclaré que son « équipe a utilisé des techniques similaires avec d’autres constellations de satellites en orbite terrestre basse, mais avec moins de précision, en localisant des emplacements à moins de 23 mètres », selon l’article de l’Ohio State News. « L’équipe a également travaillé avec l’US Air Force pour localiser les avions à haute altitude; ils ont pu s’approcher à moins de 5 mètres en utilisant des signaux cellulaires terrestres, a déclaré Kassas. » Le GPS fournit des signaux avec des erreurs moyennes de moins d’un mètre.
L’article s’intitule « Les premiers résultats de suivi et de positionnement de phase porteuse avec les signaux satellites Starlink LEO » et a été publié la semaine dernière dans la revue IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. Les chercheurs ont également présenté leurs résultats lors d’une conférence de l’Institute of Navigation. Leur travail a été financé par des subventions de l’US Office of Naval Research, de la National Science Foundation et du ministère des Transports.
« Signaux d’opportunités »
L’article des chercheurs a déclaré que « diverses études théoriques et expérimentales » ont envisagé la possibilité d’utiliser des « signaux d’opportunité » provenant des satellites à large bande LEO pour la navigation.
« Avec SpaceX ayant lancé plus d’un millier de véhicules spatiaux (SV) dans LEO, une renaissance de la navigation basée sur LEO a commencé », ont-ils écrit. « Les signaux des LEO SV sont reçus avec une puissance plus élevée par rapport à l’orbite terrestre moyenne (MEO) où le GNSS [Global Navigation Satellite System] Les SV résident. De plus, les SV LEO sont plus abondants que les SV GNSS pour compenser l’empreinte réduite, et leurs signaux sont spatialement et spectralement diversifiés. »
Un autre avantage des satellites LEO est qu' »ils ne nécessitent pas de services ou d’infrastructures supplémentaires et coûteux de la part du fournisseur de large bande ». Mais cela ne veut pas dire que la tâche des chercheurs était facile. « Cependant, les fournisseurs de haut débit ne divulguent généralement pas la structure du signal transmis pour protéger leur propriété intellectuelle. En tant que tel, il faudrait disséquer les signaux LEO SV pour dessiner des observables de navigation », ont-ils écrit.
Les sommaire de la présentation de la conférence des chercheurs a noté que les fournisseurs de services à large bande pourraient modifier leurs protocoles pour prendre en charge la navigation. Mais les chercheurs soutiennent que leur propre approche tierce est plus viable malgré le fait qu’elles nécessitent « des architectures de récepteur plus sophistiquées ».
« [T]L’adaptation des protocoles existants pour prendre en charge les capacités de navigation nécessite des modifications importantes de l’infrastructure existante, dont le coût des entreprises privées telles que OneWeb, SpaceX, Boeing et d’autres, qui prévoient de lancer des dizaines de milliers de satellites Internet à large bande dans LEO, peut ne pas être prêts à payer », ont-ils écrit. « De plus, si ces sociétés acceptent ce coût supplémentaire, il n’y aura aucune garantie qu’elles ne factureront pas aux utilisateurs des services de navigation supplémentaires. Dans ces circonstances, l’exploitation opportuniste des signaux des satellites LEO à large bande devient une approche plus viable. »
Un nouvel algorithme
Les chercheurs ont précédemment envisagé une « approche cognitive pour suivre la fréquence Doppler des signaux LEO SV inconnus », mais ont déclaré dans leur article le plus récent que cette méthode « ne peut pas estimer la phase de la porteuse, ni ne peut être adoptée ici car elle nécessite la connaissance de la période de la balise dans le signal transmis, ce qui est inconnu dans le cas des Starlink LEO SV. » Pour surmonter cet obstacle, ils « développent[ed] un algorithme de suivi de phase de porteuse pour les signaux Starlink sans connaissance préalable de leur structure. »
Le journal disait :
On sait peu de choses sur les signaux de liaison descendante Starlink ou leur interface radio en général, à l’exception des fréquences et des bandes passantes des canaux. On ne peut pas facilement concevoir un récepteur pour suivre les signaux Starlink avec les informations susmentionnées uniquement car une compréhension plus approfondie des signaux est nécessaire. Les radios définies par logiciel (SDR) sont utiles dans de telles situations, car elles permettent d’échantillonner des bandes du spectre des fréquences radio. Cependant, il existe deux défis principaux pour l’échantillonnage des signaux Starlink : (i) les signaux sont transmis dans les bandes Ku/Ka, ce qui est au-delà des fréquences porteuses que la plupart des SDR commerciaux peuvent prendre en charge, et (ii) les bandes passantes des canaux de liaison descendante peuvent être élevées. à 240 MHz, ce qui surpasse également les capacités des SDR commerciaux actuels. Le premier défi peut être résolu en utilisant un mélangeur/convertisseur entre l’antenne et le SDR. Cependant, la bande passante d’échantillonnage ne peut être qu’aussi élevée que le SDR le permet. En général, les cadres de navigation opportunistes ne nécessitent pas beaucoup d’informations de la source de communication/navigation (par exemple, le décodage des données de télémétrie ou d’éphéméride ou la synchronisation avec un certain préambule). Par conséquent, le but du récepteur est d’exploiter suffisamment le signal de liaison descendante pour pouvoir [to] produire des observables de navigation bruts (par exemple, Doppler et phase porteuse).
Suivi de six satellites pendant 800 secondes
Au cours de l’expérience, « un périphérique radio logiciel universel (USRP) 2945R stationnaire de National Instruments (NI) était équipé d’une antenne Ku de qualité grand public et d’un convertisseur abaisseur de blocs à faible bruit (LNB) pour recevoir les signaux Starlink dans la bande Ku », ils a écrit. « La bande passante d’échantillonnage a été fixée à 2,5 MHz et la fréquence porteuse à 11,325 GHz, qui est l’une des fréquences de liaison descendante de Starlink. »
Les chercheurs ont enregistré les signaux Starlink pendant 800 secondes, soit environ 13,3 minutes. « Au cours de cette période, un total de six Starlink SV émettant à 11,325 GHz sont passés sur le récepteur, un à la fois », ont-ils écrit. Les chercheurs ont stocké des échantillons des signaux Ku « pour un traitement hors ligne ».
La position du récepteur a été estimée à l’aide d’un estimateur des moindres carrés non linéaires pondérés (WNLS). Le résultat était à 25,9 mètres de l’emplacement réel, mais l’erreur est tombée à moins de huit mètres en « équipant le récepteur d’un altimètre (pour connaître son altitude) ».
La conclusion de l’article disait :
Cette lettre montrait les premiers résultats de suivi et de positionnement de la phase porteuse avec de vrais signaux Starlink LEO SV. Un modèle de signal transmis par Starlink SV a été formulé et un algorithme adaptatif de suivi de phase de porteuse basé sur KF (filtre de Kalman) a été développé pour suivre le signal Starlink. Les résultats expérimentaux ont montré le suivi de phase de porteuse de six Starlink LEO SV sur une période d’environ 800 Les performances de positionnement obtenues étaient les suivantes : erreur 2-D de 7,7 m lorsque l’altitude du récepteur est connue, et erreur 2-D de 25,9 m et erreur 3-D de 33,5 m lorsque l’altitude du récepteur est inconnue.
SpaceX a lancé plus de 1700 satellites mais prévoit de finir par lancer des dizaines de milliers afin d’étendre la capacité et la disponibilité du service à large bande. Ces satellites supplémentaires faciliteraient probablement également la construction de systèmes de navigation du type envisagé dans la nouvelle recherche.
Nous avons contacté les chercheurs aujourd’hui pour leur poser des questions sur les perspectives d’utilisation des satellites Starlink pour obtenir des résultats de localisation plus proches du temps réel et sur la façon dont ils envisagent l’utilisation des systèmes basés sur LEO pour la navigation lorsque les méthodes et la technologie sont plus avancées. Nous mettrons à jour cet article si nous obtenons une réponse.
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