Сигналы Starlink и высотомер использовали для геолокации с точностью в несколько метров

Американские инженеры показали, что сигналы интернет-спутников Starlink можно использовать для геолокации с помощью любительского радиооборудования. Записав сигналы шести пролетающих спутников, они рассчитали местоположение в пространстве с ошибкой в 33,5 метра, а при использовании высотомера и позиционировании на плоскости ошибка уменьшилась до 7,7 метра. Статья опубликована в IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, а также доступна на сайте Калифорнийского университета в Ирвайне.

GPS, ГЛОНАСС и другие глобальные спутниковые навигационные системы работают следующим образом. Находясь на орбите, спутники транслируют сигнал, содержащий в себе данные о времени его испускания. Получив этот сигнал, приемник может сравнить его с собственным временем и по скорости распространения радиоволн рассчитать расстояние до спутника. А получив сигналы от хотя бы четырех спутников, он может рассчитать свое местоположение. Спутники GPS и ГЛОНАСС находятся на высоте 19-20 тысяч километров, поэтому сигнал доходит с не очень высокой мощностью и исследователи уже довольно давно изучают возможность использования низкоорбитальных аппаратов, расположенных намного ближе к Земле.

В последние годы толчок этому направлению дали новые большие группировки интернет-спутников, такие как Starlink, OneWeb и несколько планируемых, в том числе Kuiper от Amazon. Потенциально близкое расположение к поверхности Земли и мощный принимаемый сигнал могут повысить качество спутниковой навигации, но фактически существующие системы не «заточены» под такое использование, поэтому классический метод с приемом сигналов о времени с ними не работает. Ранее исследователи предлагали альтернативные методы, для которых необязательно знать содержимое сигналов, но к Starlink их пока не применяли.

Исследователи под руководством Захера Кассаса (Zaher Kassas) из Калифорнийского университета в Ирвайне научились рассчитывать местоположение по сигналам Starlink, не имея информации о его содержимом. Они обнаружили, что в сигнале спутников на частоте 11,325 гигагерц есть девять несущих пиков сигнала. Авторы решили рассчитывать местоположение с помощью отслеживания фазы несущей, метода, используемого для повышения точности GPS-измерений до десятков сантиметров. Они дополнили его адаптивным фильтром Калмана для подстройки частоты из-за допплеровского смещения сигнала от спутников.

Инженеры использовали для экспериментов программно определяемую радиосистему (SDR) и доступную антенну для Ku-диапазона. Положения спутников они узнали по общедоступной базе TLE-данных. Система записывала сигналы в течение 800 секунд. После записи они рассчитали координаты с ошибкой в 33,5 метра, если рассматривать трехмерное местоположение и 25,9, если рассчитывать положение в плоскости. Добавив данные с высотомера, убирающие неопределенность по высоте, они добились ошибки в 7,7 метра.

Авторы рассказали Ars Technica, что записывали сигналы от шести спутников по очереди, потому что пока над их местностью не пролетает такое количество аппаратов одновременно, но по мере роста Starlink их должно стать больше, что повысит точность геолокации. Кроме того, они готовят новый эксперимент, в котором будут ловить сигнал от четырех спутников одновременно и рассчитывать местоположение в реальном времени.

Одна из проблем использования GPS и его аналогов в больших городах заключается в том, что сигнал отражается от зданий, поэтому расчеты происходят с ошибками. В прошлом году Google начала добавлять в Android модели зданий в некоторых городах, чтобы учитывать их при расчете координат.

Григорий Копиев