Una nuova ricerca mostra che la rete a banda larga di Elon Musk potrebbe funzionare come alternativa affidabile all’attuale sistema GPS.
di Mark Harris
SpaceX ha già lanciato più di 700 satelliti Starlink, con migliaia di altri che dovrebbero essere operativi negli anni a venire. La loro missione principale è fornire Internet ad alta velocità virtualmente in tutto il mondo, estendendola a molte località remote prive a oggi di un servizio affidabile.
Ora, una ricerca finanziata dall’esercito degli Stati Uniti ha concluso che la crescente megacostellazione potrebbe avere uno scopo secondario: rappresentare un’alternativa a basso costo al GPS. Il nuovo metodo utilizzerebbe i satelliti Starlink esistenti in orbita terrestre bassa (LEO) per fornire servizi di navigazione quasi globali.
In un documento non rivisto dai pari, Todd Humphreys e Peter Iannucci del Radionavigation Laboratory dell’Università del Texas, a Austin, sostengono di aver messo a punto un sistema che utilizza gli stessi satelliti, che fanno affidamento sui segnali GPS tradizionali, per fornire posizione di precisione fino a 10 volte più affidabili del GPS, in un sistema molto meno soggetto a interferenze.
I segnali del GPS sono deboli
Il Global Positioning System è costituito da una costellazione di circa 30 satelliti in orbita a 20.000 chilometri sopra la Terra. Ogni satellite trasmette continuamente un segnale radio contenente la sua posizione e l’ora esatta determinata da un orologio atomico di assoluta precisione a bordo. I ricevitori a terra possono quindi confrontare il tempo impiegato dai segnali di più satelliti per arrivare e calcolare la loro posizione, in genere con un errore di pochi metri.
Il problema con il GPS è che questi segnali sono estremamente deboli nel momento in cui raggiungono la Terra e sono facilmente sopraffatti da interferenze accidentali o guerre elettroniche. In Cina, misteriosi attacchi al sistema GPS hanno segnalato navi in false posizioni e i segnali GPS sono regolarmente bloccati nel Mediterraneo orientale.
L’esercito americano fa molto affidamento sul GPS. L’anno scorso, i responsabili della US Army Futures Command, una nuova unità dedicata alla modernizzazione delle forze armate americane, hanno visitato il laboratorio di Humphreys per parlare di una startup chiamata Coherent Navigation che aveva co-fondato nel 2008. Coherent, che mirava a utilizzare i segnali dei satelliti Iridium come alternativa approssimativa a GPS, è stato acquisito da Apple nel 2015.
“Mi hanno detto che l’esercito ha una collaborazione con SpaceX [ha firmato un accordo per testare Starlink per spostare i dati attraverso le reti militari a maggio] e mi hanno chiesto se fossi interessato a parlare con l’azienda dell’utilizzo dei loro satelliti Starlink nello stesso modo in cui io ho usato i Satelliti Iridium”, dice Humphreys. “La prospettiva è piaciuta a SpaceX, e l’esercito ci ha dato un anno per esaminare il problema”. Futures Command ha anche fornito alcuni milioni di dollari di finanziamento.
L’idea di utilizzare i satelliti LEO per la navigazione non è nuova. In effetti, alcuni dei primi veicoli spaziali statunitensi lanciati negli anni 1960 erano satelliti di transito in orbita a 1.100 chilometri, che fornivano informazioni sulla posizione per navi e sottomarini della Marina. Il vantaggio di una costellazione LEO è che i segnali possono essere mille volte più forti del GPS. Lo svantaggio è che ogni satellite può servire solo una piccola area sottostante, quindi una copertura globale affidabile richiede centinaia o addirittura migliaia di satelliti.
Aggiornare e migliorare la rete satelittare
Costruire una rete completamente nuova di satelliti LEO con orologi ultra precisi sarebbe un’impresa costosa. Xona Space Systems, una startup della Bay Area, intende fare proprio questo, con l’obiettivo di lanciare una costellazione di almeno 300 satelliti Pulsar nei prossimi sei anni.
L’idea di Humphreys e Iannucci è diversa: utilizzare un semplice aggiornamento del software per modificare i satelliti di Starlink in modo che le loro capacità di comunicazione e i segnali GPS esistenti possano fornire servizi di posizione e navigazione. A loro parere, il nuovo sistema può persino, controintuitivamente, fornire un miglior livello di precisione per la maggior parte degli utenti rispetto alla tecnologia GPS su cui si basa.
Ciò perché il ricevitore GPS su ogni satellite Starlink utilizza algoritmi che si trovano raramente nei prodotti di consumo, per individuarne la posizione entro pochi centimetri. Queste tecnologie sfruttano le proprietà fisiche del segnale radio GPS e la sua codifica per migliorare l’accuratezza dei calcoli di posizione. In sostanza, i satelliti Starlink possono eseguire il pesante lavoro computazionale per i loro utenti. Inoltre, sono anche router Internet nello spazio, in grado di raggiungere i 100 megabit al secondo. I satelliti GPS, invece, comunicano a meno di 100 bit al secondo
“Ci sono così pochi bit al secondo disponibili per le trasmissioni GPS che non possono permettersi di includere dati nuovi e altamente accurati su dove si trovano effettivamente i satelliti”, afferma Iannucci. “Se si ha un milione di volte più opportunità di inviare informazioni da un satellite, i dati possono essere molto più vicini alla verità”.
Il nuovo sistema, che Humphreys chiama navigazione LEO fusa, utilizzerà calcoli istantanei dell’orbita e dell’orologio per localizzare gli utenti, secondo le stime, entro 70 centimetri. La maggior parte dei sistemi GPS su smartphone, orologi e auto, per confronto, ha una precisione di qualche metro.
Ma il vantaggio chiave per il Pentagono è che la navigazione LEO fusa dovrebbe essere molto più difficile da ostacolare o falsificare. Non solo i suoi segnali sono molto più forti a livello del suolo, ma le antenne per le sue frequenze a microonde sono circa 10 volte più direzionali delle antenne GPS. Ciò significa che dovrebbe essere più facile captare i veri segnali satellitari invece di quelli di chi compie azione di disturbo.
Secondo i calcoli di Humphreys e Iannucci, il loro sistema di navigazione potrebbe fornire un servizio continuo al 99,8 per cento della popolazione mondiale, utilizzando meno dell’1 per cento della capacità di downlink di Starlink e meno dello 0,5 per cento della sua capacità energetica.
“Penso che questo potrebbe portare a una soluzione più precisa del solo GPS”, afferma Todd Walters del GPS Lab della Stanford University. “E se non è necessario modificare i satelliti di Starlink, rappresenta sicuramente un modo semplice e veloce per farlo”. La tecnologia di navigazione non è limitata ai soli satelliti di SpaceX. La costellazione OneWeb in bancarotta che il governo britannico sta acquistando potrebbe anche servire come sistema di navigazione interno, afferma Iannucci, “anche se Starlink appare in pole position in questo momento”.
Tuttavia, la navigazione LEO fusa ha i suoi svantaggi. Non si prevede che la mega costellazione iniziale di Starlink operi al di sopra dei 60 gradi di latitudine, il che significa che i residenti di Helsinki potrebbero non godere dei suoi benefici, così come chi sarà impegnato in azioni militari in una qualsiasi regione artica o antartica contesa.
Usare il sistema a terra significherebbe anche fare affidamento sull’antenna Starlink di SpaceX, descritta dal CEO Elon Musk come un UFO su un bastone, e probabilmente molto costosa, invece dei chip GPS economici che possono essere inseriti in smartphone e orologi. Qualsiasi futuro servizio di navigazione fusa, a differenza del GPS, avrebbe anche un prezzo significativo, non ultimo perché SpaceX deve iniziare a vedere un ritorno sul suo enorme investimento in Starlink . Per questi motivi, non tutti pensano che sia la via da seguire.
“Abbiamo preso in considerazione questo approccio molto tempo fa e né le capacità commerciali né quelle tecniche avevano davvero senso, motivo per cui stiamo lavorando a una costellazione indipendente”, afferma Brian Manning, CEO di Xona. Né il Comand Futures dell’esercito degli Stati Uniti né SpaceX hanno risposto alle richieste di commento, ma i ricercatori dell’UT sperano che Musk si renderà conto del valore della nuova tecnologia. “C’è il potenziale per cambiare davvero i sistemi di navigazione in tutto il mondo”, dice Iannucci.
(rp)
