Starlink pourrait être utilisé comme système de secours pour le système de positionnement global des États-Unis,

Selon une recherche parrainée par le bureau de recherche de l'armée

Starlink pourrait être utilisé comme système de secours pour le système de positionnement global des États-Unis,
selon une recherche parrainée par le bureau de recherche de l'armée

Des chercheurs de l’Université du Texas à Austin prétendent avoir réussi à faire de la rétro-ingénierie sur les signaux des satellites de Starlink. Au cours des deux dernières années, Todd Humphreys et son équipe du laboratoire de radionavigation de l'université du Texas à Austin ont procédé à la rétroconception des signaux émis par les satellites Internet Starlink en orbite terrestre basse (LEO) vers des récepteurs au sol. les chercheurs montrent que le service Internet par satellite Starlink de SpaceX pourrait constituer une alternative viable, que cela plaise ou non à l'entreprise. Mais tout leur travail a porté ses fruits lorsque Humphreys a révélé qu'ils avaient résolu le problème et noté que les signaux réguliers des balises de la constellation, qui sont destinés à aider les récepteurs à se connecter aux satellites, pourraient constituer la base d'un système de navigation utile.

La recherche est menée par une équipe du laboratoire de radionavigation de l'université du Texas à Austin. Ils ont procédé à une rétro-ingénierie des signaux envoyés par les milliers de satellites Starlink en orbite pour montrer comment ils peuvent être utilisés à des fins de positionnement. Cette recherche « pourrait constituer la base d'un système de navigation utile » pour rivaliser avec le GPS américain et d'autres systèmes de positionnement équivalents de la Chine, de la Russie et de l'Inde.


Le professeur Todd Humphrey, du laboratoire de radionavigation de l'université du Texas, a demandé à SpaceX d'utiliser Starlink comme système mondial de navigation par satellite, à l'instar du GPS. L'armée américaine a financé les recherches de Humphrey et était à la recherche d'une solution de secours pour le système GPS américain, qui exploite actuellement 31 satellites actifs à environ 12 500 miles au-dessus de la planète, indique le MIT Technology Review.

L'offre de Todd Humphreys à SpaceX était simple. Avec quelques modifications logicielles, sa constellation Starlink, qui se développe rapidement, pourrait également offrir une position, une navigation et une synchronisation précises. L'armée américaine, qui finance les travaux de Humphreys souhaitait disposer d'une solution de rechange à son vénérable et vulnérable système GPS.

Lorsque l'idée a été proposée pour la première fois en 2020, les dirigeants de SpaceX étaient ouverts à l'idée, explique Humphreys. Puis le mot est venu d'en haut. « Elon a dit aux dirigeants à qui nous avons parlé : tous les autres réseaux de communication LEO [orbite terrestre basse] ont fait faillite », a déclaré Humphreys au MIT Technology Review. « Et donc nous [SpaceX] devons nous concentrer entièrement sur le fait d'éviter la faillite. Nous ne pouvons nous permettre aucune distraction ».

Capture de signal

On pourrait raisonnablement se demander si un terminal utilisateur (UT) Starlink standard pourrait être modifié pour capturer des échantillons de signaux bruts à large bande (centaines de MHz) pour l'identification des signaux Starlink. Pas facilement : l'exploitation de l'UT en tant que matériel de développement qui permettrait de capturer des échantillons de signaux bruts, nécessite de déjouer les contrôles de sécurité conçus spécifiquement pour empêcher cela. De plus, l'horloge qui pilote les opérations de mélange et d'échantillonnage de l'UT est de qualité inconnue et fausserait donc toute analyse de synchronisation des signaux reçus.

Les chercheurs ont opté pour le développement de leur propre système pour la capture des signaux Starlink. Composé d'un matériel disponible sur le marché et d'un logiciel personnalisé, le système permet de capturer les signaux d'un seul satellite Starlink à la fois, avec un mélange descendant et un échantillonnage référencé à un oscillateur GPS très stable.

Alors que l'UT Starlink grand public fonctionne comme un réseau phasé composé de nombreux éléments d'antenne séparés, celui des chercheurs est une parabole orientable de 90 cm. Les éphémérides orbitales de Starlink fournies publiquement par SpaceX guident la sélection et le suivi des satellites aériens. Seulement un ou deux satellites Starlink éclairent une cellule de couverture à tout moment avec un faisceau porteur de données. Pour garantir l'activité de la liaison descendante, les chercheurs téléchargent un flux vidéo haute définition par l'intermédiaire d'une UT Starlink situé au même endroit que leur système de capture de signaux.

La figure ci-dessous présente le matériel de capture de signaux et les voies de transmission des signaux. Une antenne parabolique concentre les signaux sur un cornet d'alimentation connecté à un bloc à faible bruit (LNB) avec un gain de conversion.

Schéma de principe du processus de capture du signal Starlink

« Le signal du système Starlink est un secret très bien gardé, déclare Humphreys. Même lors de nos premières discussions, lorsque SpaceX se montrait plus coopératif, ils ne nous ont rien révélé de la structure du signal. Nous avons dû partir de zéro, en construisant essentiellement un petit radiotélescope pour écouter leurs signaux. » Pour lancer le projet, l'UT Austin a acquis un terminal Starlink et l'a utilisé pour diffuser des vidéos de tennis haute définition de Rafael Nadal depuis YouTube. Cela a fourni une source constante de signaux Starlink qu'une antenne séparée située à proximité pouvait écouter.

Humphreys a rapidement compris que Starlink repose sur une technologie appelée multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM). L'OFDM est une méthode efficace de codage des transmissions numériques, développée à l'origine aux Bell Labs dans les années 1960 et désormais utilisée dans le Wi-Fi et la 5G. « L'OFDM fait fureur », explique Mark Psiaki, expert en GPS et professeur d'aérospatiale à Virginia Tech. « C'est un moyen d'emballer le plus de bits par seconde dans une bande passante donnée ».

Les chercheurs de l'UT Austin n'ont pas essayé de casser le chiffrement de Starlink ni d'accéder aux données utilisateur transmises par les satellites. Ils ont plutôt cherché des séquences de synchronisation - des signaux prévisibles et répétitifs émis par les satellites en orbite pour aider les récepteurs à se coordonner avec eux.
Si le récepteur terrestre a une bonne idée des mouvements des satellites - que SpaceX partage en ligne pour réduire le risque de collisions orbitales - il peut utiliser la régularité des séquences pour déterminer de quel satellite elles proviennent, puis calculer la distance qui le sépare de ce satellite.

Disposition de la trame pour la liaison descendante selon les dimensions temps-fréquence

Si SpaceX décide par la suite de coopérer en incluant des données supplémentaires sur la position exacte de chaque satellite dans ses liaisons descendantes, cette précision pourrait théoriquement passer à moins d'un mètre, ce qui permettrait de concurrencer le GPS.

D'autres chercheurs ont suivi une voie similaire. Zak Kassas est professeur au département de génie électrique et informatique de l'université d'État de l'Ohio et directeur d'un centre du ministère américain des transports consacré à la résilience de la navigation. L'année dernière, son équipe a été la première à démontrer que les signaux Starlink pouvaient être utilisés pour le positionnement, en partie grâce à l'apprentissage automatique.

L'approche de Kassas, qu'il appelle la navigation opportuniste cognitive, analyse la période et les fréquences changeantes des signaux d'un satellite lorsqu'il passe au-dessus de nos têtes. Le récepteur utilise également les séquences de synchronisation,...