A Starlink mint navigációs műholdrendszer?

Úgy tűnik, akár akarja a SpaceX, akár nem, az alacsony pályás internetszolgáltató műholdrendszerük jelei alkalmasak a hely- és időmeghatározásra.

Mint rendszeres híreink alapján is jól ismert, a SpaceX műholdserege már jelenleg is több mint háromezer alacsony (bő 500 km-es felszín feletti magasságú) pályán keringő távközlési űreszközt tartalmaz, az újabb és újabb adagok felbocsátása pedig ütemesen zajlik. Már a kiépítés kezdetén felmerült, hogy elvileg nem csupán szélessávú internetes adatátvitelre, hanem amolyan „GPS-kiegészítő” navigációs rendszernek is lehetne alkalmazni a Starlinket. A Texasi Egyetem (Austin) Todd Humphreys vezette, az amerikai hadsereg által is támogatott kutatócsoportja 2020-ban kereste meg az ötlettel a SpaceX vezetőit. Kezdetben nyitottsággal találkoztak, de a legmagasabb szintről nemleges válasz érkezett: Elon Musk szerint eddig minden újonnan kiépített alacsony pályás távközlési műholdrendszer csődbe jutott, nekik pedig az az elsődleges céljuk, hogy a Starlinkkel ez ne történjen meg. Ezért nem engedhetik meg maguknak, hogy felesleges dolgokkal is foglalkozzanak...

Egy 54 műholdas Starlink indítás Floridából, helyi időben szeptember 18-án éjjel, hosszú expozíciós idejű fényképen. (Kép: SpaceX)

Humphreys austini egyetemi rádiónavigációs laboratóriumának kutatócsoportja így hát jobb híján saját kezébe vette a kezdeményezés sorsát. Elkezdték visszafejteni (feltörni) a Starlink műholdak által sugárzott jelek szerkezetét – angolul a módszert a reverse engineering kifejezéssel illetik –, a SpaceX ugyanis ezt az információt szigorúan őrzi. Tehát mindent a nulláról kellett kezdeni. Indulásképp előfizettek a szolgáltatásra és vettek egy Starlink földi terminált. Elkezdték letölteni Rafael Nadal teniszmeccseinek HD videófelvételeit a YouTube-ról. Miközben folyamatosan érkeztek a rádiójelek, a közeli antennájukkal rögzítették, majd elemezték azokat. Nem az adások dekódolása érdekelte őket, hanem a szinkronizáció módja. Rendszeresen ismétlődő, előre jelezhető jelszakaszokat kerestek és találtak. Kellemes meglepetésükre ilyenek még sűrűbben is előfordultak, mint amekkora időközönként feltétlenül szükséges lett volna. A Starlink Ku-sávú (10,7–12,7 GHz) lesugárzott jeleinek szerkezetét nemrég publikálták is – ha nem is szakfolyóiratban, de az arXiv szerveren nyilvánosan elérhető tanulmány formájában.

A szinkronizációs jelsorozat alapján elvileg meghatározható az adó (vagyis egy-egy Starlink hold) és a vevő közötti késleltetési idő, ebből pedig a rádióhullámok terjedési sebességének ismeretében az ún. pszeudotávolság, vagyis egy hibákkal terhelt, de mégis a műhold–vevő távolságra jellemző érték. Starlink holdakból sok van a Föld körül, jut belőlük bőven a mindenkori horizont fölé is. Helyzetük (amelyet persze végső soron a fedélzeti GPS vevők szolgáltatnak – a szerk.), sebességük ugyancsak kihámozható a jelsorozatból és publikus adatbázisokból, így a többféle eltérő irányban látszó műholdakra végzett mérések alapján elvileg kiszámítható a vevő pozíciója. Akik egy kicsit is elmélyedtek a „hagyományos” globális műholdas navigáció (GNSS, Global Navogation Satellite Systems) – vagyis az amerikai GPS, az orosz GLONASSZ, a kínai Beidou vagy az európai Galileo – működésében, azok rögtön láthatják, hogy az alapelv lényegében ugyanaz. A fő különbség, hogy a GNSS holdak közepes (kb. 20 ezer km-es) magasságú pályákon keringenek, emiatt lassabban látszanak haladni az égen, és kevesebb van belőlük. Ugyanakkor a nagy távolság miatt jeleik gyengébbek. A Starlink (és igazából minden egyéb hasonló, kiépülőben levő internetszolgáltató rendszer) előnye, hogy a műholdak viszonylag közel repülnek, már amúgy is ott vannak, és ezek szerint akár az üzemeltetőiktől függetlenül (!) is lehetne őket alkalmazni hely- és időmeghatározásra. Egy a meglevő GNSS rendszereket kiegészítő műholdas navigációs megoldás fontos szolgáltatássá válhat. Persze egyebek mellett megoldást kell találni a jelek szándékos zavarása elleni védelemre is.

Humphreys szerint a mostani „meghekkelt” módszerrel is elérhető lenne kb. 30 m-es helymeghatározási pontosság a Starlinkre alapozva. De ha egyszer a SpaceX úgy döntene, hogy együttműködik és megfelelően átalakítja a lesugárzott jelek szerkezetét, elméletileg akár a méter alatti pontosság sem volna lehetetlen.

Nem a texasi csoport az egyetlen, amely a témával foglakozik. Például az Ohiói Állami Egyetem Zak Kassas vezette csoportja más megközelítéssel, de sikeresen demonstrálta, hogy a Starlink holdakra alapozva 10 m-es pontosságú helymeghatározás is megvalósítható. Módszerük ráadásul elég általános ahhoz, hogy más hasonló műholdrendszerekkel is működjön. Persze az még kérdés, hogy a gyakorlatban mindez hogyan és milyen áron valósítható meg, széles körben elterjedhet-e egyáltalán – de a jövő megkezdődött...

Kapcsolódó cikkek:
Starlink 4-31

Kapcsolódó linkek:
A Starlink jelei visszafejthetők helymeghatározási alkalmazásra (MIT Technology Review)